北大天線理論課件：第五章 非頻變天線.doc

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1、第五章非頻變天線§5.1非頻變天線的基本概念一般來說，天線的電性能取決于它的電尺寸，當天線的幾何尺寸一定時，頻率的變化導致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。若天線的相對帶寬達百分之幾十以上，則把這類天線稱為寬頻帶天線。如果天線的阻抗特性和方向性能在一個更寬的頻率范圍內保持不變或稍有變化，則稱這類天線為非頻變天線（FrequencyIndependentAntenna）。非頻變天線基于相似原理，即天線的所有尺寸和工作頻率按相同的比例變化，則天線的特性保持不變。5.1.1非頻變天線的條件1）角度條件角度條件是指天線的幾何形狀僅由角度來確定，而與其它尺寸無關。

2、要滿足角度條件，天線的結構需從中心點開始一直擴展到無限遠。典型的例子是無限雙錐天線，其阻抗特性和方向特性僅取決于圓錐的張角，與頻率無關。2）終端效應弱如果天線上的電流是快速衰減的，則天線上載有較大電流的部分是決定天線輻射特性的主要因素，將其余延長部分截掉，對天線的電性能不會造成顯著的影響。此時有限長天線就具有無限長天線的電性能，這種現(xiàn)象稱為終端效應弱。實際天線的結構是有限的，工作頻率有一個范圍，其下限是截斷點處的電流可以忽略的頻率，上限是饋電端不能視為一點的頻率。5.1.2非頻變天線的種類非頻變天線可分成兩類：1）天線的形狀僅由角度確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到

3、非頻變特性，如無限雙錐天線、平面等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線等。2）天線的尺寸按某一特定的比例因子變化，天線在和兩頻率上的特性相同，在與之間的頻率上天線的特性是變化的，但變化不大，這種結構的天線是寬帶的。典型的例子是對數(shù)周期天線?！?.2平面等角螺旋天線5.2.1結構和工作原理所謂的等角螺旋線，是指螺旋線切線與矢徑之間的夾角處處相等的螺旋線，稱為螺旋角，表示為：式中為螺旋率，它決定螺旋線張開的快慢。在下圖（a）所示的極坐標系下，假設螺旋線矢徑為，旋轉角為，時的起始半徑為，那么等角螺旋線的方程可表示為：平面等角天線是一種角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對稱性，每

4、一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線，如下圖（b）所示。在圖示的等角螺旋天線中，兩臂的四條邊具有相同螺旋率，假設一條邊緣線為，則將旋轉角度便得到該臂另一邊緣線。再將該臂旋轉可得到另一臂的兩條邊緣線分別為，。等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度決定，因而滿足非頻變天線對形狀的要求。當時，天線的兩臂與兩臂之間的縫隙形狀相同，這種結構稱為自補結構。等角螺旋天線的饋電點位于兩臂的起始點，兩臂可以看成是一對變形的傳輸線，電流沿兩臂傳輸，隨傳輸距離而衰減。當臂上電流流過一個波長后，迅速衰減到20dB以下，終端效應變得很弱。因此天線的輻射場主要由一個波長以內的部分產生，這個部分稱為有效

5、輻射區(qū)，傳輸行波電流。將其余的部分截去，不會對天線的電性能產生顯著的影響。有效區(qū)的幾何長度隨工作頻率成比例地變化，可在一定的頻帶內得到與頻率無關的特性。5.2.2平面等角螺旋天線的電性能1.方向性平面等角螺旋天線最大輻射方向在平面兩側的法線方向，即上圖（a）中的z軸方向，方向函數(shù)為，是雙向端射。為得到單向輻射，可做成圓錐形等角螺旋天線，如下圖所示。1.輸入阻抗平面等角螺旋天線有兩種結構，即自補結構和互補結構。自補結構由懸于空中的對稱平面金屬雙臂構成，。自補結構平面等角螺旋天線的輸入阻抗為純阻抗，并與頻率無關，即：由于受到實際天線有限長度、有限厚度和饋電不理想等因

6、素的影響，實測的天線輸入阻抗一般為164Ω左右?；パa結構是由無限大金屬導電平面和其上的縫隙構成，見上圖（b）所示。縫隙的長度為大于或等于一個波長，兩臂圍繞饋電點圈，其阻抗特性為：1.極化特性等角螺旋天線的極化特性與兩臂的電長度和螺旋繞向有關，可概括如下：（1）。工作頻率較低，臂長比波長小很多時，線極化；（2）。頻率較高時為園極化，螺旋線繞向與傳播方向符合右手定則為右旋園極化，符合左手定則為左旋園極化。2.工作帶寬工作帶寬由內徑和外徑決定。一般尺寸選擇：，。實例：，，饋電點，臂長1.5圈。該天線相對帶寬為：若增加兩臂的長度或改變天線的參數(shù)，相對帶寬可達20:1?！?/p>

7、5.3阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線由兩個螺旋臂構成，如下圖所示，兩臂的螺旋線與角度是線性關系，其方程為：其中為時的矢徑。阿基米德螺旋天線的饋電點位于兩臂的起點處，兩臂可近似看成雙線傳輸線，線上電流相位相反，當線間距很小時，不產生輻射。工作原理：考察兩臂上和點處兩線段。圖中和為兩臂上的對應點，電流相位差為，且。點沿螺旋臂到達點的弧長近似為，由此得到和點電流相位差為：當時（），，即兩線段的輻射是疊加的。因此，阿基米德螺旋天線的輻射是集中在周長約等于的螺旋環(huán)帶上，這個環(huán)帶稱為有效輻射帶。隨工作頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化。阿基米德螺旋天線的性能與等角螺旋天線的

8、性能相似，是寬帶、圓極化