北大天线理论课件：第五章 非频变天线.doc

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1、第五章非频变天线§5.1非频变天线的基本概念一般来说，天线的电性能取决于它的电尺寸，当天线的几何尺寸一定时，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。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。如果天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内保持不变或稍有变化，则称这类天线为非频变天线（FrequencyIndependentAntenna）。非频变天线基于相似原理，即天线的所有尺寸和工作频率按相同的比例变化，则天线的特性保持不变。5.1.1非频变天线的条件1）角度条件角度条件是指天线的几何形状仅由角度来确定，而与其它尺寸无关。

2、要满足角度条件，天线的结构需从中心点开始一直扩展到无限远。典型的例子是无限双锥天线，其阻抗特性和方向特性仅取决于圆锥的张角，与频率无关。2）终端效应弱如果天线上的电流是快速衰减的，则天线上载有较大电流的部分是决定天线辐射特性的主要因素，将其余延长部分截掉，对天线的电性能不会造成显著的影响。此时有限长天线就具有无限长天线的电性能，这种现象称为终端效应弱。实际天线的结构是有限的，工作频率有一个范围，其下限是截断点处的电流可以忽略的频率，上限是馈电端不能视为一点的频率。5.1.2非频变天线的种类非频变天线可分成两类：1）天线的形状仅由角度确定，可在连续变化的频率上得到

3、非频变特性，如无限双锥天线、平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线等。2）天线的尺寸按某一特定的比例因子变化，天线在和两频率上的特性相同，在与之间的频率上天线的特性是变化的，但变化不大，这种结构的天线是宽带的。典型的例子是对数周期天线。§5.2平面等角螺旋天线5.2.1结构和工作原理所谓的等角螺旋线，是指螺旋线切线与矢径之间的夹角处处相等的螺旋线，称为螺旋角，表示为：式中为螺旋率，它决定螺旋线张开的快慢。在下图（a）所示的极坐标系下，假设螺旋线矢径为，旋转角为，时的起始半径为，那么等角螺旋线的方程可表示为：平面等角天线是一种角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每

4、一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线，如下图（b）所示。在图示的等角螺旋天线中，两臂的四条边具有相同螺旋率，假设一条边缘线为，则将旋转角度便得到该臂另一边缘线。再将该臂旋转可得到另一臂的两条边缘线分别为，。等角螺旋天线臂的边缘仅由角度决定，因而满足非频变天线对形状的要求。当时，天线的两臂与两臂之间的缝隙形状相同，这种结构称为自补结构。等角螺旋天线的馈电点位于两臂的起始点，两臂可以看成是一对变形的传输线，电流沿两臂传输，随传输距离而衰减。当臂上电流流过一个波长后，迅速衰减到20dB以下，终端效应变得很弱。因此天线的辐射场主要由一个波长以内的部分产生，这个部分称为有效

5、辐射区，传输行波电流。将其余的部分截去，不会对天线的电性能产生显著的影响。有效区的几何长度随工作频率成比例地变化，可在一定的频带内得到与频率无关的特性。5.2.2平面等角螺旋天线的电性能1.方向性平面等角螺旋天线最大辐射方向在平面两侧的法线方向，即上图（a）中的z轴方向，方向函数为，是双向端射。为得到单向辐射，可做成圆锥形等角螺旋天线，如下图所示。1.输入阻抗平面等角螺旋天线有两种结构，即自补结构和互补结构。自补结构由悬于空中的对称平面金属双臂构成，。自补结构平面等角螺旋天线的输入阻抗为纯阻抗，并与频率无关，即：由于受到实际天线有限长度、有限厚度和馈电不理想等因

6、素的影响，实测的天线输入阻抗一般为164Ω左右。互补结构是由无限大金属导电平面和其上的缝隙构成，见上图（b）所示。缝隙的长度为大于或等于一个波长，两臂围绕馈电点圈，其阻抗特性为：1.极化特性等角螺旋天线的极化特性与两臂的电长度和螺旋绕向有关，可概括如下：（1）。工作频率较低，臂长比波长小很多时，线极化；（2）。频率较高时为园极化，螺旋线绕向与传播方向符合右手定则为右旋园极化，符合左手定则为左旋园极化。2.工作带宽工作带宽由内径和外径决定。一般尺寸选择：，。实例：，，馈电点，臂长1.5圈。该天线相对带宽为：若增加两臂的长度或改变天线的参数，相对带宽可达20:1。§

7、5.3阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线由两个螺旋臂构成，如下图所示，两臂的螺旋线与角度是线性关系，其方程为：其中为时的矢径。阿基米德螺旋天线的馈电点位于两臂的起点处，两臂可近似看成双线传输线，线上电流相位相反，当线间距很小时，不产生辐射。工作原理：考察两臂上和点处两线段。图中和为两臂上的对应点，电流相位差为，且。点沿螺旋臂到达点的弧长近似为，由此得到和点电流相位差为：当时（），，即两线段的辐射是叠加的。因此，阿基米德螺旋天线的辐射是集中在周长约等于的螺旋环带上，这个环带称为有效辐射带。随工作频率的变化，有效辐射带也随之变化。阿基米德螺旋天线的性能与等角螺旋天线的

8、性能相似，是宽带、圆极化