天线11_非频变天线.pdf

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1、2013.5.12主要内容非频变天线的基本概念平面等角螺旋天线阿基米德螺旋天线对数周期天线非频变天线非频变天线的基本概念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。故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。天线带宽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

2、非频变天线(FrequencyIndependentAntenna)。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。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：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。早期的无线电系统多采用尺寸非常大的天线，其中有许多是非频变天线，原因是什么？实际天线实

3、现非频变特性必须满足的条件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

4、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限长，使得实际有限长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，工作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

5、，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。非频变天线主要应用于10MHz～10GHz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。平面等角螺旋天线1平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线的结构和工作原理平面等角螺旋天线R(PlanarEquiangularr2SpiralAntenna)是V.H.Rumsey提出的一种r3r1角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每一r4臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。平面等角螺旋天线结构等角螺旋线y等角螺旋线极坐标方程为rre0r

6、r为螺旋线矢径；υ为极坐标中的旋转角；Oxr0为υ＝0°时的起始半径；1/a为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。等角螺旋线由于螺旋线与矢径之间的夹角Ψ处处相等，因此这种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1arctana天线结构特征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r=reaφ，则只要将该边缘旋转δ10角，就可得该臂的另一边缘线r=rea(φ-δ)。另一臂相20当于该臂旋转180°而构成，即r=rea(φ-π)，r=rea(φ-3040π-δ)。如果取δ＝π/2，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙

7、是同一形状，称为自补结构。Rr2r3r1r4工作原理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。当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线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。“电流截断效应”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。螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋

8、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。