第4章 非频变天线

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1、第4章非频变天线4.1非频变天线的基本概念4.2平面等角螺旋天线4.3阿基米德螺旋天线4.4对数周期天线4.1非频变天线的基本概念研究天线除了要分析、研究天线的方向特性和阻抗特性外，还应考虑它的使用带宽问题。现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性，以扩频通信为例，扩频信号带宽较之原始信号带宽远远超过10倍，再如通信侦察等领域均要求天线具有很宽的带宽。习惯上，若天线的相对带宽达百分之几十以上，则把这类天线称为宽频带天线。若天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内（例如频带宽度为10∶1或更高）保持不变或稍有变化，则把这一类天线称为非频变天线(Frequency

2、IndependentAntenna)。非频变天线概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天线的发展产生了一个突破，可将带宽扩展到超过40∶1，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性的天线其带宽不超过2∶1。我们已经知道，天线的电性能取决于它的电尺寸，所以当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，因而天线的性能也将随之变化。非频变天线的导出基于相似原理。相似原理是说：若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同比例变化，则天线的特性保持不变。对于实用的天线，要实现非频变特性必须满足以下两个条件。1.角度条件角度条件是指天线的几何形状仅仅由角度来确

3、定，而与其它尺寸无关。例如无限长双锥天线就是一个典型的例子，由于锥面上只有行波电流存在，故其阻抗特性和方向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件”，天线结构需从中心点开始一直扩展到无限远。2.终端效应弱实际天线的尺寸总是有限的，与无限长天线的区别就在于它有一个终端的限制。若天线上电流衰减得快，则决定天线辐射特性的主要部分是载有较大电流的部分，而其延伸部分的作用很小，若将其截除，对天线的电性能不会造成显著的影响。在这种情况下，有限长天线就具有无限长天线的电性能，这种现象就是终端效应弱的表现，反之则为终端效应强。由于实际结构不可能是无线长，使得实际有限长

4、天线有一工作频率范围，工作频率的下限是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在频率上限是由于馈电端不能再视为一点，通常约为1/8高端截止波长。非频变天线可以分成两类，一类天线的形状仅由角度来确定，可在连续变化的频率上得到非频变特性，如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。另一类天线的尺寸按某一特定的比例因子τ变化，天线在f和τf两频率上的性能是相同的，当然，在从f到τf的中间频率上,天线性能是变化的，只要f与τf的频率间隔不大，在中间频率上，天线的性能变化也不会太大，用这种方法构造的天线是宽频带的。这种结构的一个典型例子是对数周期天线。非频变天线主要

5、应用于10～10000MHz频段的诸如电视、定点通信、反射面和透镜天线的馈源等方面。4.2平面等角螺旋天线4.2.1平面等角螺旋天线的结构和工作原理图4―2―1为平面等角螺旋天线(PlanarEquiangularSpiralAntenna)示意图，是V.H.Rumsey提出的一种角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。等角螺旋线如图4―2―2所示，其极坐标方程为（4―2―1）式中，r为螺旋线矢径；φ为极坐标中的旋转角；r0为φ＝0°时的起始半径；1/a为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。由于螺旋线与矢径之间的夹角Ψ处处相等，因此这种

6、螺旋线称为等角螺旋线，Ψ称为螺旋角，它只与螺旋率有关，即（4―2―2）图4―2―1平面等角螺旋天线图4―2―2等角螺旋线在图4―2―1所示的等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具有相同的a，若一条边缘线为r1=r0eaφ，则只要将该边缘旋转δ角，就可得该臂的另一边缘线r2=r0ea(φ-δ)。另一臂相当于该臂旋转180°而构成，即r3=r0ea(φ-π)，r4=r0ea(φ-π-δ)。由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。如果取δ＝π/2，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为自补结构。当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线

7、看成是一对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。螺旋线上的每一小段都是一基本辐射片，它们的取向沿螺旋线而变化，总的辐射场就是这些元辐射场的叠加。实验表明，臂上电流在流过约一个波长后就迅速衰减到20dB以下，终端效应很弱。因此，辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生的，这个部分通常称为有效辐射区，传输行波电流。换句话说螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留部分的电性能造成显著影响，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。波长改变后，有效