天线与电波传播第五章幻灯片.ppt

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1、天线与电波传播第五章天线与电波传播第五章第1页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 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电流幅度电流幅度n n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）（）n n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（）n n正弦分布长对称振子（正弦分布长对称振子（）电流的电流的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

2、的天线上的电流和电压驻波是两个等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第2页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 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，有固定的波腹点和波节点，称为和波节点，称为驻波天线驻波天线（Standing Wave Antennas）。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

3、天线（Resonant Antennas）。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，因为频率改变天线的电尺寸电尺寸随之改随之改变，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。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行波天线行波天线（TravelingWave Antennas）或或非谐振天

4、线非谐振天线（Nonresonant Antennas），如菱形），如菱形（Rhombic）天线、螺旋（）天线、螺旋（Helical）线和对数周期）线和对数周期（Log-Periodic）天线等。）天线等。第3页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 引言引言【宽频带天线实物照片宽频带天线实物照片】第4页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 引言引言研研究究天天线线除除了了要要分分析析、研研究究天天线线的的方方向向特特性性和和阻阻抗抗特特性性外外，还还应应考考虑虑它它的的使使用用带带宽宽问问题题。现现代代通通信信中中，要要求求天天线线具具有有较较宽宽的的工工作作频频带带特特性性，以以

5、扩扩频频通通信信为为例例，扩扩频频信信号号带带宽宽较较之之原原始始信信号号带带宽宽远远远远超超过过10倍倍，再再如如通通信信侦侦察察等等领领域域均均要要求求天天线线具具有有很很宽宽的的带带宽。宽。【宽宽频频带带天天线线】习习惯惯上上，若若天天线线的的相相对对带带宽宽达达百百分分之几十以上，则把这类天线称为之几十以上，则把这类天线称为宽频带天线宽频带天线。【非非频频变变天天线线】若若天天线线的的阻阻抗抗特特性性和和方方向向性性能能在在一一个个更更宽宽的的频频率率范范围围内内（例例如如频频带带宽宽度度为为10 1或或更更高高）保保持持不不变变或或稍稍有有变变化化，则则把把这这一一类类天天线线称称为

6、为非非频频变变天线天线(Frequency Independent Antenna)。第5页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 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（V.H.Rumsey）于）于1957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40 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 1。天线的天线的电性能电性能取决于它的取决于它的电尺寸电尺寸，所以当几何尺，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

7、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。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】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，则天线的特性保持不变。对于于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个条件。个条件。第6页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 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？【角度条件角度条件】角角度度条条件件是是指指天天线线的的几几何何形形状状

8、仅仅仅仅由由角角度度来来确确定定，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就是就是一个典型的例子，由于锥面一个典型的例子，由于锥面上只有行波电流存在，故其上只有行波电流存在，故其阻抗特性和方向特性将与频阻抗特性和方向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足张角。要满足“角度条件角度条件”，天线结构需从中心点开始，天线结构需从中心点开始一直扩展到无限远。一直扩展到无限远。第7页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 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

9、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

10、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端效应强终端效应强

11、终端效应强终端效应强。【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有一工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，作频率范围，作频率范围，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可以忽略的频率，是截断点处的电流变得可以忽略的频率，是截断点处的电流变得可以忽略的频率，是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在而存在而存在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再视为一点，通

12、常约为是由于馈电端不能再视为一点，通常约为是由于馈电端不能再视为一点，通常约为是由于馈电端不能再视为一点，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。第8页，共46页，编辑于2022年，星期五5.1 引言引言【非频变天线的分类非频变天线的分类】n n天天线线的的形形状状仅仅由由角角度度来来确确定定，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。n n天天线线的的尺尺寸寸按按某某一一特特定定的的比比例例因因子子变变化化，天线在f和f 两频率上的性能是相同的，在从 f 到f 的中间频率上，天线性能是变化的，只要 f 与f 的

13、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。第9页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【天线结构天线结构】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。第10页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 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

14、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；l l 为极坐标中的旋转角；为极坐标中的旋转角；l l 为为 时的起始半径；时的起始半径；l l 为螺旋率，决定螺旋线张开为螺旋率，决定螺旋线张开为螺旋率，决定螺旋线张开为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。的快慢。的快慢。的快慢。称称为为螺螺旋旋角角，由由于于螺螺旋旋线线与与矢矢径径之之间间的的夹夹角角 处处处处相相等等，因因此此这这种种螺螺旋旋线线称称为为等等角角螺螺旋旋线线，它它它它只只只只与与与与螺螺螺螺旋旋旋旋率有关。率有关。率有关。率有关。第11页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角

15、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空气，天线的金属臂与两臂之间的空气，天线的金属臂与两臂之间的空气，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为缝隙是同一形状，称为缝隙是同一形状，称为缝隙是同一形状，称为自补结构自补结构。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线等角螺旋天线等角螺旋天线等角螺旋天线第一个臂第

16、一个臂第一个臂第一个臂将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等角螺旋天线等角螺旋天线等角螺旋天线等角螺旋天线第二个臂第二个臂第二个臂第二个臂第12页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 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】n n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。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。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。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。n n当

17、两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一 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，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。实验表明实验表明实验表明实验表明，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衰减到后就迅速衰减到后就迅速衰减到后就迅速衰减到 20d

18、B 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很弱。【电流截断效应电流截断效应电流截断效应电流截断效应】n n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，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，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，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，这个部分通常称为这个部分通常称为这个部分通常称为这个部分通常称为有效辐射区有效辐射区有效辐射区有效辐射区，传输行波电流。，传输行波电流。，传输行波电流。，传输行波电流。n n螺旋天线存在螺旋天线存在螺旋天线存在螺旋天线存在“电流截断效应电流

19、截断效应电流截断效应电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对，超过截断点的螺旋线部分对，超过截断点的螺旋线部分对，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，电性能造成显著影响，因而，电性能造成显著影响，因而，电性能造成显著影响，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天可以用有限尺寸的等角螺旋天可以用有限尺寸的等角螺旋天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。线在相

20、应的宽频带内实现近似的非频变特性。线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。n n波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。馈电装馈电装馈电装馈电装置置置置第13页，共46页，编辑于202

21、2年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【方向性方向性】n n自自补补平平面面等等角角螺螺旋旋天天线线的的辐辐射射是是双双向向的的，最最大大辐辐射射方方向向在在平平面面两两侧侧的的法法线线方向上方向上。n n 为为天天线线平平面面的的法法线线与与射射线线之之间间的的夹夹角角，则则方方向向图图可可近近似似表表示示为为 ,半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度近似为近似为 。n n平平面面等等角角螺螺旋旋天天线线是是双双向向辐辐射射的的，为为了了得得到到单单向向辐辐射射，可可采采用用附附加加反反射射（或或吸吸收收）腔腔体体，也也可可以以做做成成圆圆锥锥形形等等角角螺螺旋旋天天线线(Conical

22、 Equiangular Spiral Antenna)圆锥圆锥圆锥圆锥形等形等形等形等角螺角螺角螺角螺旋天旋天旋天旋天线线线线第14页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【阻抗特性阻抗特性】互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质:对于对于对于对于 的自补天线的自补天线的自补天线的自补天线第15页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【极化特性极化特性极化特性极化特性】n n一一一一般般般般平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线

23、线在在在在 的的的的锥锥锥锥形范围内接近圆极化。形范围内接近圆极化。形范围内接近圆极化。形范围内接近圆极化。n n天天天天线线线线有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射区区区区内内内内的的的的每每每每一一一一段段段段螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线都都都都是是是是基基基基本本本本辐辐辐辐射射射射单单单单元元元元，但但但但它它它它们们们们的的的的取取取取向向向向沿沿沿沿螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线变变变变化化化化，总总总总的的的的辐辐辐辐射射射射场场场场是是是是这这这这些些些些单单单单元元元元辐辐辐辐射射射射场场场场的的的的叠叠叠叠加加加加，因因因因此此此此等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线轴轴轴轴

24、向向向向辐辐辐辐射射射射场场场场的的的的极极极极化化化化与与与与臂臂臂臂长长长长相关：相关：相关：相关：n n当当当当频频频频率率率率很很很很低低低低，全全全全臂臂臂臂长长长长比比比比波波波波长长长长小小小小得得得得多多多多时时时时，为为为为线线线线极极极极化化化化；当当当当频频频频率率率率增增增增高高高高时时时时，最最最最终终终终会会会会变变变变成成成成圆圆圆圆极极极极化。化。化。化。n n极极极极化化化化旋旋旋旋向向向向与与与与螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线绕绕绕绕向向向向有有有有关关关关。例例例例如如如如，图图图图示示示示平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线沿沿沿沿

25、纸纸纸纸面面面面对对对对外外外外的的的的方方方方向向向向辐辐辐辐射射射射右右右右旋旋旋旋圆圆圆圆极极极极化化化化波波波波，沿沿沿沿相相相相反反反反方方方方向向向向辐辐辐辐射射射射左左左左旋圆极化波。旋圆极化波。旋圆极化波。旋圆极化波。第16页，共46页，编辑于2022年，星期五5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【工作带宽工作带宽】等等角角螺螺旋旋天天线线的的工工作作带带宽宽受受其其几几何何尺尺寸寸影影响响，由由内内半半径径 和和最最外外缘缘的的半半径径 决决定定。实实际际的的圆圆极极化化等等角角螺螺旋旋天天线线，外外径径 ，内内径径 。根根据据臂臂长长为为1.5圈圈3圈圈的的实实验验结结

26、果果看看，当当 对对应应1.5圈螺旋时，其方向图最佳。圈螺旋时，其方向图最佳。内半径：内半径：该天线可具有的相对带宽为该天线可具有的相对带宽为 若要增加相对带宽，必须增加螺旋线的圈数或改变其参数，相对带宽有可能达到201。外半径：外半径：第17页，共46页，编辑于2022年，星期五5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线】由由若干个若干个一定宽度的阿基米一定宽度的阿基米德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋线为例，则他们螺旋线方程为线为例，则他们螺旋线方程为两个：两个：两个：两个：四个：四个：第18页，共46页

27、，编辑于2022年，星期五5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【工作原理工作原理工作原理工作原理】近近近近似似似似地地地地将将将将螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线等等等等效效效效为为为为双双双双线线线线传传传传输输输输线线线线，根根根根据据据据传传传传输输输输线线线线理理理理论论论论，两两两两根根根根传传传传输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。因因因因此此此此表表表表面面面面看看看看，似似似似乎乎

28、乎乎螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线的的的的辐辐辐辐射射射射是是是是彼彼彼彼此此此此抵抵抵抵消消消消的的的的，事事事事实实实实并并并并不不不不尽然。尽然。尽然。尽然。研究图中研究图中研究图中研究图中P P、P P 点处的两线段，设点处的两线段，设点处的两线段，设点处的两线段，设 ，即，即，即，即P P和和和和QQ为两臂上的对应点，对应为两臂上的对应点，对应为两臂上的对应点，对应为两臂上的对应点，对应P P、P P 线段上的电流相位差为线段上的电流相位差为线段上的电流相位差为线段上的电流相位差为 ，则，则P和和P点相位差为点相位差为2。两。两线段的辐射是线段的辐射是同相叠加同相叠加第19页，共46页，编

29、辑于2022年，星期五5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【辐射特性辐射特性辐射特性辐射特性】n n天天天天线线线线主主主主要要要要辐辐辐辐射射射射是是是是集集集集中中中中在在在在周周周周长长长长约约约约等等等等于于于于 的的的的螺螺螺螺旋旋旋旋环环环环带带带带上上上上，称称称称之之之之为为为为有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射带带带带。随随随随着着着着频频频频率率率率的的的的变变变变化化化化，有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射带带带带也也也也随随随随之之之之变变变变化化化化，故故故故阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线具有线具有线具有线具有宽频带特性宽频带特性宽频带特性

30、宽频带特性。n n虽虽虽虽然然然然阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线天天天天线线线线可可可可以以以以在在在在很很很很宽宽宽宽频频频频带带带带上上上上工工工工作作作作，但但但但它它它它不不不不是是是是一一一一个个个个真真真真正正正正的的的的非非非非频频频频变变变变天天天天线线线线，因因因因为为为为电电电电流流流流在在在在工工工工作作作作区区区区后后后后不不不不明明明明显显显显减减减减小小小小，因因因因而而而而不不不不能能能能满满满满足足足足截截截截断断断断要要要要求求求求，通通通通常常常常在在在在末端加载，以避免波的反射。末端加载，以避免波的反射。末端加载，以避免波

31、的反射。末端加载，以避免波的反射。n n通通通通过过过过在在在在螺螺螺螺旋旋旋旋平平平平面面面面一一一一侧侧侧侧装装装装置置置置圆圆圆圆柱柱柱柱形形形形反反反反射射射射腔腔腔腔构构构构成成成成背背背背腔腔腔腔 式式式式 阿阿阿阿 基基基基 米米米米 德德德德 螺螺螺螺 旋旋旋旋 天天天天 线线线线(Cavity(Cavity Backed Backed Archimedean Archimedean Spiral Spiral Antenna)Antenna)，可可可可得得得得到到到到单单单单一一一一主主主主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。瓣，它可以嵌装在运载体

32、的表面下。瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。n n阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线具具具具有有有有宽宽宽宽频频频频带带带带、圆圆圆圆极极极极化化化化、尺尺尺尺寸寸寸寸小小小小、效效效效率率率率高高高高以以以以及及及及可可可可以以以以嵌嵌嵌嵌装装装装等等等等优优优优点点点点，故故故故目目目目前前前前其应用愈来愈广泛。其应用愈来愈广泛。其应用愈来愈广泛。其应用愈来愈广泛。第20页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线【对数周期天线】（Log Periodic Antenna,LPA）于1957年提出，是非频变天线的另一类型，它基于相似概念

33、：当天线按某一比例因子 变换后仍等于它原来的结构，则天线的频率为 和 时性能相同。对数周期天线有多种型式，其中1960年提出的对数周期振子阵天线（Log Periodic Dipole Antenna,LPDA），因具有极宽的频带特性，而且结构比较简单，所以很快在短波、超短波和微波波段得到了广泛应用。第21页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线【天线结构】交叉馈电；交叉馈电；比例关系；比例关系；所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确定的比例关系。若用定的比例关系。若用 来表示该来表示该比例因子比例因子比例因子比例因子，则有：

34、，则有：，则有：，则有：振子长度振子长度振子长度振子长度 顶点到振子间距顶点到振子间距顶点到振子间距顶点到振子间距 振子粗细振子粗细振子粗细振子粗细 对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙第22页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线相邻振子之间的距离比值相邻振子之间的距离比值 实用中常常用实用中常常用实用中常常用实用中常常用间隔因子间隔因子 ，它被定义为相邻两振子间的，它被定义为相邻两振子间的，它被定义为相邻两振子间的，它被定义为相邻两振子间的距离距离距离距离 与与2倍较长振子的长度倍较长振子的长度 之比，即之比，即由对

35、数周期振子阵天线的由对数周期振子阵天线的顶角顶角 有有有有第23页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线对数周期振子阵天线的顶角对数周期振子阵天线的顶角 与与 及及 之间之间具有如下关系：具有如下关系：相邻相邻振子振子交叉交叉馈电馈电 集合线集合线第24页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线在集合线的末端(最长振子处)可以端接与它的特性阻抗相等的负载阻抗，也可以端接一段短路支节。适当调节短路支节的长度，可以减少电磁波在集合线终端的反射。当然，在最长振子处也可以不端接任何负载，具体情况可由调试结果选定。对数周期振子阵天线的馈电点选在最

36、短振子处。天线的最大辐射方向将由最长振子端朝向最短振子的这一边。天线的几何结构参数 与 及 对天线电性能有着重要的影响，是设计对数周期振子阵天线的主要参数。第25页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线【工作原理】n n对数周期振子阵天线具有极宽的工作带宽，达到101或更宽。n n天线的方向特性、阻抗特性等等都是天线电尺寸的函数。如果设想当工作频率按比例 变化时，仍然保持天线的电尺寸不变，则在这些频率上天线就能保持相同的电特性。即宽频带特性。工作频率工作振子电尺寸f1（1）第“1”个振子L1/1f3（3）第“3”个振子L3/3f2（2）第“2”个振子L2/2第26

37、页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线 如果频率能保证如果频率能保证 则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足如果频率满足如果频率满足如果频率满足如果频率满足电性能不变电性能不变满足满足如果取对数如果取对数第27页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线 说明当工作频率的对数作周期性变化时说明当工作频率的对数作周期性变化时(周期为周期为ln(1/)，天线的电性能才保持不变，所以，把这种，天线的电性能才保持不变，所以，把这种天

38、线称为对数周期天线。天线称为对数周期天线。然而在然而在 ，频频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，天率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，天线的电特性自然会变化。线的电特性自然会变化。但如果但如果 取得十分接近于取得十分接近于取得十分接近于取得十分接近于1 1，则能满足以上要求的天，则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。线的工作频率就趋近连续变化。假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的工假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的工作频带就可以达到无限宽。作频带就可以达到无限宽。第28页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线 对数周期阵子阵天

39、线沿集合线分成三个区域，对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，即即传输区传输区、辐射区辐射区和和非激励区非激励区。传输区：传输区：馈电点附近长度远小于馈电点附近长度远小于 的短阵子所在的区的短阵子所在的区域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经过该区域时衰减很小，主要起过该区域时衰减很小，主要起传输线传输线的作用。的作用。辐射区辐射区 长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要

40、子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，增益也越高。增益也越高。第29页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线非辐射区非辐射区 辐射区后面的部分为非辐射区，由于集合线上传输的能量绝大多辐射区后面的部分为非辐射区，由于集合线上传输的能量绝大多数被辐射区的阵子吸收，传送到非激励区的能量很少，因此该区域

41、激数被辐射区的阵子吸收，传送到非激励区的能量很少，因此该区域激励电流很弱，阵子几乎处于未激励状态。非辐射区阵子激励电流迅速励电流很弱，阵子几乎处于未激励状态。非辐射区阵子激励电流迅速下降，存在电流截断效应，正是这一点，使得在一定的频率范围内有下降，存在电流截断效应，正是这一点，使得在一定的频率范围内有限大结构近似实现无限大结构时的电特性。限大结构近似实现无限大结构时的电特性。第30页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线【电特性电特性】输入阻抗输入阻抗 集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电

42、阻性的，电抗期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗成分不大。成分不大。方向图与增益系数方向图与增益系数 对数周期阵子阵天线为对数周期阵子阵天线为端射式天线端射式天线，最大辐射，最大辐射方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方向图随频率变化较小，具有宽带特性。向图随频率变化较小，具有宽带特性。下表给出了天线下表给出了天线E面、面、H面半功率波瓣宽度与面半功率波瓣宽度与几何参数几何参数 及及 的关系。的关系。第31页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4

43、 对数周期天线对数周期天线第32页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线第33页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线 由表格可以看出，由表格可以看出，越大，辐射区阵子数越多，越大，辐射区阵子数越多，方向性越强，方向图的半功率角就越小。方向性越强，方向图的半功率角就越小。对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等于方向系数，一般在于方向系数，一般在10dB左右。左右。下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，它是它是 和和 的二元函数。的二元函数。n

44、n要得到高增益就要有较大的要得到高增益就要有较大的 值，意味着天线展开值，意味着天线展开缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。n n图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵最佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子数最少、天线纵向尺寸最短。子数最少、天线纵向尺寸最短。n n图中下半部分给出了当阵子数在图中下半部分给出了当阵子数在1247范围内变化时，范围内变化时，天线的最大增益曲线。天线的最大增益曲线。第34页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期

45、天线第35页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线极化特性极化特性 线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂直架设时是垂直极化天线。直架设时是垂直极化天线。带宽带宽 对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵子和最短阵子尺寸决定。子和最短阵子尺寸决定。例：例：设计一个对数周期阵子阵天线，工作频率为设计一个对数周期阵子阵天线，工作频率为200600MHz，设计增益为，设计增益为9dB。第36页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线由增益图可得最佳设计参数为：工

46、作下限频率工作下限频率 对应的波长为：对应的波长为：最长阵子的长度为：最长阵子的长度为：工作下限频率 对应的波长为：最短阵子的长度为：由由 可得各阵子的长度为：可得各阵子的长度为：第37页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线 由于 已经短于频率上限对应的最短阵子的长度，因此阵列长度终止于 。由 得到相邻阵子间隔为：第38页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线在高频端追加在高频端追加4个阵子，便得到个阵子，便得到18个单元的对数周个单元的对数周期阵子阵天线期阵子阵天线 第39页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线

47、对数周期天线集合线上电压分布集合线上电压分布第40页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线各振子端口电流相对振幅分布各振子端口电流相对振幅分布第41页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线由图可见由图可见n n当工作频率当工作频率 时，有效辐射区共有时，有效辐射区共有5个阵子，个阵子，其中其中3个阵子上电流分布最强。个阵子上电流分布最强。n n当工作频率当工作频率 时，第时，第14个阵子连同追加的个阵子连同追加的4个阵子构成了天线高端的辐射区。个阵子构成了天线高端的辐射区。n n其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。动。天线增益、方向图和阻抗天线增益、方向图和阻抗第42页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线第43页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线第44页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线第45页，共46页，编辑于2022年，星期五5.4 对数周期天线对数周期天线对数周期天线的应用对数周期天线的应用第46页，共46页，编辑于2022年，星期五