天线与电波传播_第五章.ppt
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1、天天 线线 与与 电电 波波 传传 播播第五章第五章第五章第五章 宽频带天线宽频带天线宽频带天线宽频带天线授课老师:徐云学授课老师:徐云学5.1 引言引言前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的电流幅度电流幅度电流幅度电流幅度l均匀分布(常数)电基本振子(电流元)(均匀分布(常数)电基本振子(电流元)(均匀分布(常数)电基本振子(电流元)(均匀分布(常数)电基本振子(电流元)()l线性分布(三角分布)短对称振子(线性分布(三角分布)短对称振子(线性分布(三角分布)短对称振子(线性分布(三角分布)短对称振子(
2、)l正弦分布长对称振子(正弦分布长对称振子(正弦分布长对称振子(正弦分布长对称振子()电流的电流的电流的电流的相位分布相位分布相位分布相位分布均为均匀分布(常数)。对称振子均为均匀分布(常数)。对称振子均为均匀分布(常数)。对称振子均为均匀分布(常数)。对称振子天线由终端开路的长线张开而成,终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成,终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成,终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成,终端开路的长线天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等
3、幅但反相的波的合成(终端电流为零波节点,终端电压最大波合成(终端电流为零波节点,终端电压最大波合成(终端电流为零波节点,终端电压最大波合成(终端电流为零波节点,终端电压最大波腹点)。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点)。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点)。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点)。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数倍重复,零点和最大值点的间隔是倍重复,零点和最大值点的间隔是倍重复,零点和最大值点的间隔是倍重复,零点和最大值点的间隔是5.1 引言引言天线上电流、电压呈驻波分布,有固定的波腹点天线上电流、电压呈驻波分布,有固定的波腹点天线上电流、电压呈驻波分布,有
4、固定的波腹点天线上电流、电压呈驻波分布,有固定的波腹点和波节点,称为和波节点,称为和波节点,称为和波节点,称为驻波天线驻波天线驻波天线驻波天线(Standing Wave Standing Wave AntennasAntennas)。驻波天线有明显的谐振特性,故此又)。驻波天线有明显的谐振特性,故此又)。驻波天线有明显的谐振特性,故此又)。驻波天线有明显的谐振特性,故此又称为谐振天线(称为谐振天线(称为谐振天线(称为谐振天线(Resonant AntennasResonant Antennas)。这类天线的)。这类天线的)。这类天线的)。这类天线的工作频带较窄,因为频率改变天线的工作频带较窄
5、,因为频率改变天线的工作频带较窄,因为频率改变天线的工作频带较窄,因为频率改变天线的电尺寸电尺寸电尺寸电尺寸随之改随之改随之改随之改变,天线的电性能(如输入阻抗)也随之改变。变,天线的电性能(如输入阻抗)也随之改变。变,天线的电性能(如输入阻抗)也随之改变。变,天线的电性能(如输入阻抗)也随之改变。展宽频带的一个重要途径是使天线电流工作于展宽频带的一个重要途径是使天线电流工作于展宽频带的一个重要途径是使天线电流工作于展宽频带的一个重要途径是使天线电流工作于行行行行波状态波状态波状态波状态,频率变化时,尽管天线电尺寸也变化,但,频率变化时,尽管天线电尺寸也变化,但,频率变化时,尽管天线电尺寸也变
6、化,但,频率变化时,尽管天线电尺寸也变化,但输入阻抗却近似不变,其它电性能变化亦较缓慢。输入阻抗却近似不变,其它电性能变化亦较缓慢。输入阻抗却近似不变,其它电性能变化亦较缓慢。输入阻抗却近似不变,其它电性能变化亦较缓慢。这类天线称为这类天线称为这类天线称为这类天线称为行波天线行波天线行波天线行波天线(TravelingWave AntennasTravelingWave Antennas)或或或或非谐振天线非谐振天线非谐振天线非谐振天线(Nonresonant AntennasNonresonant Antennas),如菱形),如菱形),如菱形),如菱形(RhombicRhombic)天线、
7、螺旋()天线、螺旋()天线、螺旋()天线、螺旋(HelicalHelical)线和对数周期)线和对数周期)线和对数周期)线和对数周期(Log-PeriodicLog-Periodic)天线等。)天线等。)天线等。)天线等。5.1 引言引言【宽频带天线实物照片宽频带天线实物照片宽频带天线实物照片宽频带天线实物照片】5.1 引言引言研研研研究究究究天天天天线线线线除除除除了了了了要要要要分分分分析析析析、研研研研究究究究天天天天线线线线的的的的方方方方向向向向特特特特性性性性和和和和阻阻阻阻抗抗抗抗特特特特性性性性外外外外,还还还还应应应应考考考考虑虑虑虑它它它它的的的的使使使使用用用用带带带带宽
8、宽宽宽问问问问题题题题。现现现现代代代代通通通通信信信信中中中中,要要要要求求求求天天天天线线线线具具具具有有有有较较较较宽宽宽宽的的的的工工工工作作作作频频频频带带带带特特特特性性性性,以以以以扩扩扩扩频频频频通通通通信信信信为为为为例例例例,扩扩扩扩频频频频信信信信号号号号带带带带宽宽宽宽较较较较之之之之原原原原始始始始信信信信号号号号带带带带宽宽宽宽远远远远远远远远超超超超过过过过1010倍倍倍倍,再再再再如如如如通通通通信信信信侦侦侦侦察察察察等等等等领领领领域域域域均均均均要要要要求求求求天天天天线线线线具具具具有有有有很很很很宽宽宽宽的的的的带带带带宽。宽。宽。宽。【宽宽宽宽频频频
9、频带带带带天天天天线线线线】习习习习惯惯惯惯上上上上,若若若若天天天天线线线线的的的的相相相相对对对对带带带带宽宽宽宽达达达达百百百百分分分分之几十以上,则把这类天线称为之几十以上,则把这类天线称为之几十以上,则把这类天线称为之几十以上,则把这类天线称为宽频带天线宽频带天线宽频带天线宽频带天线。【非非非非频频频频变变变变天天天天线线线线】若若若若天天天天线线线线的的的的阻阻阻阻抗抗抗抗特特特特性性性性和和和和方方方方向向向向性性性性能能能能在在在在一一一一个个个个更更更更宽宽宽宽的的的的频频频频率率率率范范范范围围围围内内内内(例例例例如如如如频频频频带带带带宽宽宽宽度度度度为为为为1010
10、1 1或或或或更更更更高高高高)保保保保持持持持不不不不变变变变或或或或稍稍稍稍有有有有变变变变化化化化,则则则则把把把把这这这这一一一一类类类类天天天天线线线线称称称称为为为为非非非非频频频频变变变变天线天线天线天线(Frequency Independent Antenna)(Frequency Independent Antenna)。5.1 引言引言非频变天线概念是由拉姆西(非频变天线概念是由拉姆西(非频变天线概念是由拉姆西(非频变天线概念是由拉姆西(V.H.RumseyV.H.Rumsey)于)于)于)于19571957年提出的,使天线的发展产生了一个突破,可将年提出的,使天线的发展
11、产生了一个突破,可将年提出的,使天线的发展产生了一个突破,可将年提出的,使天线的发展产生了一个突破,可将带宽扩展到超过带宽扩展到超过带宽扩展到超过带宽扩展到超过4040 1 1,在此之前,具有宽频带方向性,在此之前,具有宽频带方向性,在此之前,具有宽频带方向性,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和阻抗特性的天线其带宽不超过和阻抗特性的天线其带宽不超过和阻抗特性的天线其带宽不超过2 2 1 1。天线的天线的天线的天线的电性能电性能电性能电性能取决于它的取决于它的取决于它的取决于它的电尺寸电尺寸电尺寸电尺寸,所以当几何尺,所以当几何尺,所以当几何尺,所以当几何尺寸一定时,频率的
12、变化导致电尺寸的变化,因而天寸一定时,频率的变化导致电尺寸的变化,因而天寸一定时,频率的变化导致电尺寸的变化,因而天寸一定时,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。线的性能也将随之变化。线的性能也将随之变化。线的性能也将随之变化。非频变天线的导出基于非频变天线的导出基于非频变天线的导出基于非频变天线的导出基于相似原理相似原理相似原理相似原理。【相似原理相似原理相似原理相似原理】若天线的所有尺寸和工作频率(或波若天线的所有尺寸和工作频率(或波若天线的所有尺寸和工作频率(或波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。对长)按相同比例变化,则天线的特
13、性保持不变。对长)按相同比例变化,则天线的特性保持不变。对长)按相同比例变化,则天线的特性保持不变。对于于于于实用的天线实用的天线实用的天线实用的天线,要实现非频变特性必须满足以下两,要实现非频变特性必须满足以下两,要实现非频变特性必须满足以下两,要实现非频变特性必须满足以下两个条件。个条件。个条件。个条件。5.1 引言引言非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?【角度条件角度条件角度条件角度条件】角角角角度度度度条条条条件件件件是是是是指指指指天天天天线线线线的的的的几几几几何何何何形形形形状状状状仅仅仅仅仅仅仅仅由由由由角角角角度度度
14、度来来来来确确确确定定定定,而与其它尺寸无关。而与其它尺寸无关。而与其它尺寸无关。而与其它尺寸无关。例如例如例如例如无限长双锥天线无限长双锥天线无限长双锥天线无限长双锥天线就就就就是一个典型的例子,由于是一个典型的例子,由于是一个典型的例子,由于是一个典型的例子,由于锥面上只有行波电流存在,锥面上只有行波电流存在,锥面上只有行波电流存在,锥面上只有行波电流存在,故其阻抗特性和方向特性故其阻抗特性和方向特性故其阻抗特性和方向特性故其阻抗特性和方向特性将与频率无关,仅仅决定将与频率无关,仅仅决定将与频率无关,仅仅决定将与频率无关,仅仅决定于圆锥的张角。要满足于圆锥的张角。要满足于圆锥的张角。要满足
15、于圆锥的张角。要满足“角度条件角度条件角度条件角度条件”,天线结构需,天线结构需,天线结构需,天线结构需从中心点开始一直扩展到从中心点开始一直扩展到从中心点开始一直扩展到从中心点开始一直扩展到无限远。无限远。无限远。无限远。5.1 引言引言非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?非频变天线需满足的条件?【终端效应弱终端效应弱终端效应弱终端效应弱】实实实实际际际际天天天天线线线线的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸总总总总是是是是有有有有限限限限的的的的,与与与与无无无无限限限限长长长长天天天天线线线线的的的的区区区区别别别别就就就就在在在在于于于于它它它它有有有有一一一一个
16、个个个终终终终端端端端的的的的限限限限制制制制。若若若若天天天天线线线线上上上上电电电电流流流流衰衰衰衰减减减减得得得得快快快快,则则则则决决决决定定定定天天天天线线线线辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性的的的的主主主主要要要要部部部部分分分分是是是是载载载载有有有有较较较较大大大大电电电电流流流流的的的的部部部部分分分分,而而而而其其其其延延延延伸伸伸伸部部部部分分分分的的的的作作作作用用用用很很很很小小小小,若若若若将将将将其其其其截截截截除除除除,对对对对天天天天线线线线的的的的电电电电性性性性能能能能不不不不会会会会造造造造成成成成显显显显著著著著的的的的影影影影响响响响。在在在在这这这
17、这种种种种情情情情况况况况下下下下,有有有有限限限限长长长长天天天天线线线线就就就就具具具具有有有有无无无无限限限限长长长长天天天天线线线线的的的的电电电电性性性性能能能能,这这这这种种种种现现现现象象象象就就就就是是是是终终终终端端端端效效效效应应应应弱弱弱弱的的的的表表表表现现现现,反反反反之之之之则则则则为为为为终终终终端端端端效效效效应应应应强强强强。【注注注注】由于实际结构不可能是无线长,使得实际有限长天线由于实际结构不可能是无线长,使得实际有限长天线由于实际结构不可能是无线长,使得实际有限长天线由于实际结构不可能是无线长,使得实际有限长天线有一工作频率范围,有一工作频率范围,有一工
18、作频率范围,有一工作频率范围,工作频率的下限工作频率的下限工作频率的下限工作频率的下限是截断点处的电流变得是截断点处的电流变得是截断点处的电流变得是截断点处的电流变得可以忽略的频率,而存在可以忽略的频率,而存在可以忽略的频率,而存在可以忽略的频率,而存在工作频率的上限工作频率的上限工作频率的上限工作频率的上限是由于馈电端不能是由于馈电端不能是由于馈电端不能是由于馈电端不能再视为一点,通常约为再视为一点,通常约为再视为一点,通常约为再视为一点,通常约为1/81/8高端截止波长高端截止波长高端截止波长高端截止波长。5.1 引言引言【非频变天线的分类非频变天线的分类】天天天天线线线线的的的的形形形形
19、状状状状仅仅仅仅由由由由角角角角度度度度来来来来确确确确定定定定,可可在在连连续续变变化化的的频频率率上上得得到到非非频频变变特特性性。如如无无限限长长双双锥锥天天线线、平平面面等等角角螺螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。旋天线以及阿基米德螺旋天线等。天天天天线线线线的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸按按按按某某某某一一一一特特特特定定定定的的的的比比比比例例例例因因因因子子子子 变变变变化化化化,天天线线在在f f和和f f 两两频频率率上上的的性性能能是是相相同同的的,在在从从 f f 到到f f 的的中中间间频频率率上上,天天线线性性能能是是变变化化的的,只只要要 f f 与与f f 的的频频率率间
20、间隔隔不不大大,在在中中间间频频率率上上,天天线线的的性性能能变变化化也也不不会会太太大大,用用这这种种方方法法构构造造的的天天线线是是宽宽频频带带的的。这这种种结结构构的的一一个个典典型例子是对数周期天线。型例子是对数周期天线。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【天线结构天线结构天线结构天线结构】由两个臂构成,双臂用金属片制成,由两个臂构成,双臂用金属片制成,由两个臂构成,双臂用金属片制成,由两个臂构成,双臂用金属片制成,具有圆对称性,每一臂都有两条边缘线,均为等角具有圆对称性,每一臂都有两条边缘线,均为等角具有圆对称性,每一臂都有两条边缘线,均为等角具有圆对称性,每一臂都有两条边缘线
21、,均为等角螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线等角螺旋线等角螺旋线等角螺旋线等角螺旋线极坐标方程为极坐标方程为极坐标方程为极坐标方程为l l 为螺旋线矢径;为螺旋线矢径;为螺旋线矢径;为螺旋线矢径;l l 为极坐标中的旋转角;为极坐标中的旋转角;为极坐标中的旋转角;为极坐标中的旋转角;l l 为为为为 时的起始半径;时的起始半径;时的起始半径;时的起始半径;l l 为螺旋率,决定螺旋线为螺旋率,决定螺旋线为螺旋率,决
22、定螺旋线为螺旋率,决定螺旋线张开的快慢。张开的快慢。张开的快慢。张开的快慢。称称称称为为为为螺螺螺螺旋旋旋旋角角角角,由由由由于于于于螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线与与与与矢矢矢矢径径径径之之之之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角 处处处处处处处处相相相相等等等等,因因因因此此此此这这这这种种种种螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线称称称称为为为为等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线,它它它它只只只只与与与与螺螺螺螺旋率有关。旋率有关。旋率有关。旋率有关。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线等角螺旋天线中,两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中,两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中,两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中
23、,两个臂的四条边缘具有相同的有相同的有相同的有相同的 。如果取如果取如果取如果取 ,天线的金属臂与两臂之间的,天线的金属臂与两臂之间的,天线的金属臂与两臂之间的,天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状,称为空气缝隙是同一形状,称为空气缝隙是同一形状,称为空气缝隙是同一形状,称为自补结构自补结构自补结构自补结构。若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转 角角角角等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天线第一个臂线第一个臂线第一个臂线第一个臂将
24、第一个臂将第一个臂将第一个臂将第一个臂旋转旋转旋转旋转180180等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天线第二个臂线第二个臂线第二个臂线第二个臂5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【工作原理工作原理工作原理工作原理】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。状的要求。状的要求。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当两臂的始端馈电时,可以把两臂等角螺旋
25、线看成当两臂的始端馈电时,可以把两臂等角螺旋线看成当两臂的始端馈电时,可以把两臂等角螺旋线看成是一是一是一是一 对对对对变形的传输线变形的传输线变形的传输线变形的传输线,臂上电流沿线边传输,边辐射,边,臂上电流沿线边传输,边辐射,边,臂上电流沿线边传输,边辐射,边,臂上电流沿线边传输,边辐射,边衰减。衰减。衰减。衰减。实验实验实验实验表明表明表明表明,臂上电流在流过约,臂上电流在流过约,臂上电流在流过约,臂上电流在流过约一个波长一个波长一个波长一个波长后就迅速后就迅速后就迅速后就迅速衰减到衰减到衰减到衰减到 20dB 20dB以下,以下,以下,以下,终端效应很弱终端效应很弱终端效应很弱终端效应
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- 天线 电波 传播 第五
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