第4章-宽频带天线课件.pptx

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1、第4章 宽频带天线第4章 宽频带天线4.1 4.1 宽频带天线的概念及应用宽频带天线的概念及应用4.2 4.2 宽频带天线的实现方法宽频带天线的实现方法4.3 4.3 宽频带加载鞭天线的结构特点和工作原理宽频带加载鞭天线的结构特点和工作原理4.4 4.4 套筒天线套筒天线4.5 4.5 印刷对振子天线印刷对振子天线4.6 4.6 宽带笼形天线设计宽带笼形天线设计4.7 4.7 对数周期天气对数周期天气4.8 4.8 锥削槽天线锥削槽天线第4章 宽频带天线4.1 宽频带天线的概念及应用宽频带天线的概念及应用天线的工作带宽，简称天线带宽，指的是其主要电指标如输入阻抗、增益、主瓣宽度、极化、相位等均

2、满足设计要求时的频率范围。通常情况下，天线的各项指标是随频率变化的，因而天线带宽决定于各项指标的频率特性。若同时对几项指标都作具体要求，则应以其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。天线主要电指标均有其各自定义的带宽，具体如下。第4章 宽频带天线1.方向图带宽方向图带宽方向图是描述天线辐射特性的重要电参量。当频率偏离设计频率(通常取工作频带内的中心频率 f 0)时，有可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎缩、副瓣电平增大、前后辐射比下降等，当方向图恶化到不能满足设计要求时，即限定了方向图带宽。一般来说，高频段方向图易迅速恶化，它往往是限制上限工作频率 f max 的主要因素。第4章 宽频带天线2.

3、增益带宽增益带宽天线的增益带宽是指增益下降到允许值的频带宽度。通常，定义增益下降到工作频带内最大增益值的 50%时所对应的频带宽度为 3dB 增益带宽。若频率降低，则天线电尺寸变小，增益带宽有较明显下降。因此，该项指标往往限定了下限工作频率 f min 的值。第4章 宽频带天线3.阻抗带宽阻抗带宽天线的阻抗带宽一般用馈线上的电压驻波比(VSWR)来表示。根据设计者或使用者对电指标的要求，以驻波比低于某一规定值时的频带宽度为天线的阻抗带宽。这种表示方法，既反映了天线阻抗的频率特性，也说明了天线与馈线的匹配效果。在天线工程中，这是一项实用性较强的电指标。第4章 宽频带天线4.极化带宽极化带宽对于椭

4、圆极化天线，这是一项十分重要的技术指标。工程上，常以最大辐射方向上或主瓣半功率波瓣宽度内，轴比小于某一规定值来确定极化带宽。天线带宽一般有两种表示方法，一种为“相对带宽”，一种为“倍频带宽”。第4章 宽频带天线相对带宽的定义为：天线的绝对带宽 f(f=f max-f min)与工作频带内的中心频率f 0 之比，即式中，f max 和 f min 分别是工作频带的上限频率和下限频率。倍频带宽的定义是：工作频带的上限频率与下限频率之比，即第4章 宽频带天线一般情况，窄频带天线多使用相对带宽表示，而宽频带天线通常采用倍频带宽表示。“窄”与“宽”都是相对的，没有严格的定义。习惯上，f max/f mi

5、n 2 就认为是宽带天线。随着电子技术的飞速发展和宽带无线电设备的出现，宽带无线电技术也在不断地发展。20 世纪 50 年代以前，天线带宽(f max/f min)一般不大于 21。50 年代在宽带天线的发展上出现了一个突破，这就是由拉姆西(V.H Rumsey)于 1957 年提出的频率无关天线的概念。这类天线的研制成功，把天线带宽扩展到 401 或更大。目前这类天线获得了广泛的应用。第4章 宽频带天线但是这类天线需要较大的电尺寸，或者说需要占据一定的空间，而这一条件就使它的应用受到了一定的限制，如使用空间有限或难于应用于移动中的无线电设备中等。因此积极开展对新型的特别是小型化的宽带天线的理

6、论与实验研究，仍是当前迫切而有重要意义的工作。第4章 宽频带天线为适应现代军事通信、电子对抗技术的要求，宽带通信天线得到了重要的应用和发展。天线的宽频带技术广泛应用在雷达、定位、电子对抗以及保密通信等领域，长期以来被作为尖端技术而保密，近年来才逐渐被应用于民用通信等领域，随即成为研究热点并获得了快速的发展。第4章 宽频带天线在军事通信系统中，为了保障通信的质量和信息的保密性，军用短波波段和超短波波段的通信电台都广泛地使用了跳频扩频技术，这就要求天线必须是非调谐的具有较宽的工作带宽的宽带天线。同时，越来越多的满足不同需要的电子设备集中在同一载体上，形成了复杂的电磁环境，而且不同天线之间由于存在较

7、强的近场耦合而降低了各自的性能指标，采用宽带天线可以减少天线的数量，降低相互间的干扰。军用通信设备为了减小雷达散射截面，提高生存能力，要求天线小型化；另外，天线小型化在现代军事战争中也是提高舰船等设备的机动能力和快速反应能力的必要手段。第4章 宽频带天线在民用通信系统中，由于信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式日渐灵活，要求天线具有宽带化；各种便携式电台以及民用手机等移动设备也需要小型化的天线。第4章 宽频带天线4.2 宽频带天线的实现方法宽频带天线的实现方法目前，实现宽带化的主要技术手段有以下几个方面：(1)采用机电结合方法，精心设计天线结构，使之适应宽频带工作。例如，对伸缩式短波、

8、超短波直立天线的天线长度利用机电结合的方法进行控制，使之在不同频率上始终保持在串联谐振长度上，即电长度保持不变，以实现在相当宽的频带内具有良好的方向性和阻抗匹配特性。第4章 宽频带天线(2)利用插入阻抗元件或网络来展宽天线的工作带宽。将电抗组件、阻抗组件、介质材料或有源器件，或是用无源元件组成的阻抗匹配网络，置于天线的某一部分之中，其目的或者是为了缩小天线尺寸，或者是为了提高效率，或者是有效改善天线阻抗的频率特性以便增大带宽，这种方式称为天线加载。加载组件可以是有源的或是无源的，可以是分布参数组件，也可以是集总参数组件。利用加载组件的“补偿”作用来展宽频带的方法已获得了广泛的应用。第4章 宽频

9、带天线加载元件可以放置在天线内部或天线的馈电端。从广义的角度讲，天线阻抗匹配网络也算是一种加载方式，用以补偿(或变换)天线阻抗随频率的变化，从而展宽阻抗带宽。目前，自动天线调谐器获得了广泛的应用，它以全自动方式，通过微机控制，自动检测阻抗信息，并按照预定的调谐软件改变匹配网络参数，进行快速调谐和阻抗变换，以使天线系统与同轴电缆(通常取特性阻抗为 50)较好匹配，驻波比一般在 1.5 以下，在每个频率点上的调谐时间一般在 3s 以内，典型值约为 1s。这种由谐振式天线和自动天线调谐器组合而成的整体，称为调谐式的宽带天线系统。它具有尺寸小、总体安装机动灵活、使用方便、性能优良等优点，是一种颇有发展

10、前途的宽带化系统。第4章 宽频带天线(3)旋转对称结构的宽带振子天线。对于电振子天线，为了展宽频带，通常使振子具有较大的截面，即降低振子的长度直径比 l/(简称为长细比)，此举特别对改善工作频带内的阻抗特性有明显的效果。随着 l/比值下降，输入阻抗随频率变化的敏感性减小，从而改善了阻抗的频率特性。第4章 宽频带天线加粗圆柱对称振子的直径，虽然可以改善阻抗的频率特性，但由于圆柱振子的特性阻抗沿其轴向是变化的，因此当电流波离开馈电点沿线传播时，就会因特性阻抗的改变而引起部分的反射，因而阻抗带宽的改善也是有限的。为了使振子沿线各点的特性阻抗 Z c 处处相等，就要求天线各点到馈电点的距离与直径之比保

11、持不变。也就是说，随着距离的增加，振子的直径相应加粗，即展开成结构渐变的旋转对称的双锥天线。从理论上讲，无限长的双锥天线可以得到输入阻抗、方向图均与频率无关的特性。当然，有限长的双锥天线由于终端反射而不具有与频率无关的电特性，但是相对于圆柱振子天线来说，其工作带宽仍有明显的改善。第4章 宽频带天线锥角大的双锥天线，或由它演变而成的盘锥天线，都属宽带天线之列，它们在 VHF 和UHF 频段中都获得了广泛的应用。(4)宽频带行波天线系列。凡电流或电压分布可用一个或多个行波(通常沿同一方向)来表示的天线，都称为行波天线或非谐振天线。某些行波天线之所以具有宽频带特性，其原因就在于天线完成将导波能量转换

12、为自由电磁波能量的转换过程是一次性的，即无反射波返回电源端而形成多次循环的过程。为了实现上述要求，通常有两种行之有效的方法。第4章 宽频带天线一种是在设计天线的结构时，应使天线具有很强的辐射能力，并使天线有足够的长度，如在几个工作波长以上。这样，因辐射作用而使沿线电流波呈现很大的衰减，当其到达终端时，即使是终端开路，反射波也很小而不足以计，则可近似认为天线具有行波特性，也可以说天线完成能量转换过程是一次性的。显然，行波天线在宽频带范围内具有较恒定的输入阻抗值，而且应该是近似纯电阻性的。属于这种工作机理的典型天线，有轴向模螺旋天线等。第4章 宽频带天线另一种是在天线末端接匹配电阻，以吸收可能由于

13、天线末端与自由空间失配而引起的反射波能量，这种天线就称为加载行波天线。由于天线技术的发展，加载电阻的位置不一定在天线终端，也不一定是集中加载。根据加载情况，又可分为集中加载行波天线和分布加载行波天线两类。前者可以通过合理选择加载的阻抗值以及加载的位置来调整天线的电流分布，以使天线在大部分或部分结构上电流呈现行波分布，从而获得理想的方向特性和阻抗特性。后者是一种连续的加载形式，令天线内阻抗按特定函数分布，使天线在全部结构上呈现行波电流分布，这种天线与集中加载天线相比，电性能优越，但在实现上技术难度却增加了。目前，较普遍使用的加载行波天线仍为集中加载形式，如长导线行波天线、菱形天线等。第4章 宽频

14、带天线(5)频率无关天线系列。频率无关(FrequencyIndependent，FI)或译为非频变，专用于表示工作频带没有理论限制的天线。但由于物理可实现性因素的限制，天线电性能在所有频率上，甚至连近似保持恒定都是不可能的。实际上，频率无关天线是指在工作频带内，所有电特性随频率的变化都是微小的，而此工作频带又是非常宽的。一般来说，倍频带宽 B=f max/f min 10。因此，这类天线有时也称为超宽频带天线。第4章 宽频带天线天线电性能不能真正做到频率无关的原因，是当频率变化时，天线的线性电长度相应地发生了改变。人们从模型测量技术中使用的频率缩比原理得到了启发，提出了非频变天线的概念及设想

15、。如果天线以任意比例变换后仍等于它原来的结构，那么它的电性能将与频率无关。实现这种结构的第一种方法是：天线的结构只由角度决定，而不取决于任何特殊的尺寸，有时称此为“角度条件”，用这种方法可以得到连续的缩比天线，如平面等角螺旋天线、圆锥等角螺旋天线等。第二种方法是：第4章 宽频带天线如果天线的各种结构尺寸都按一特定的比例因子 变换后仍等于它自己，那么在离散的频率点 f 和f上，天线的电性能将是相同的。其阻抗或其他电特性都是频率对数的周期性函数，周期为 ln。利用这一原理结构的天线就称为对数天线。当然，在 f f的频率间隔内，天线电性能的变化应该是不明显的。第4章 宽频带天线从理论上讲，上述两类天

16、线的电性能若能真正做到与频率无关，则要求天线结构须从中心点开始一直扩展到无限远。就是说，如果将此单元向小的方向延伸，所得到的结构应该收敛到一点；若此单元向大的方向延伸，则将使尺寸无限增加。当然，这是不现实的，实际天线尺寸总是有限的，有限的结构不仅是角度的函数，而且也是长度的函数。因此，当天线为有限长时，是否仍具有结构近似为无限长时的非频变的电性能呢?这就是能否构成实际的非频变天线的关键所在。有限长与无限长天线的区别，就在于前者有一个终端的限制，通常以术语“终端效应”来说明。第4章 宽频带天线当天线在馈电端被激励后，波离开馈电点沿着结构传输，在到达终端之前，电流波必须因有效辐射而有较大的衰减，这

17、样，即使是把靠近终端的部分截尾，也不会对电性能有显著的影响。其次，馈电端的几何结构也不可能缩小至无限小以至于一点，也有个始端截尾的问题，一般来说，它主要影响天线高频段的电性能。如果将满足“角度条件”的天线或对数周期天线的终端(始端也是一种终端)部分截尾，对天线电特性没有显著的影响，则有限尺寸的天线就可以在相当宽的频带范围内具有非频变天线的电特性。这种现象就称为“终端效应”小，这是构成实际非频变天线的重要条件。第4章 宽频带天线“终端效应”的大小与天线结构形式和合理的尺寸设计有关。例如，双圆锥形天线是一种满足“角度条件”的结构形式，当其为无限长时，天线的方向性、阻抗特性均与频率无关。然而锥面上的

18、电流随着与馈电点距离的增加而缓慢地减小，当天线为有限长时，由于终端不连续而引起的反射，将使天线辐射特性与天线的电长度有明显的依从关系，因而它就不是非频变天线。有些天线虽具有有限尺寸的对数周期几何结构，但因“终端效应”大而不具备对数周期天线的电特性。因此说，一个成功的非频变天线，除应具有满足“角度条件”或对数周期几何结构的特征外，还应具有截尾后“终端效应”小的性质。第4章 宽频带天线(6)利用一副天线的多模工作方式来展宽工作带宽。一般来说，天线在基模和高次模工作时，要求其电性能变化较小，但也有个别应用场合，却有着不同的要求。如果能设计一种天线，当它用于基模工作时构成较低频段的天线，而用高次模工作

19、时构成高频段天线，就可以在天线体积、尺寸不变的情况下获得较宽的工作带宽。这种多模工作方式已成功地应用在短波波段。第4章 宽频带天线除此之外，还可利用组合复用技术、分形技术等来展宽天线带宽。本章以下几节将为大家介绍几种应用极为广泛的宽带天线形式，包括宽频带加载鞭天线、套筒天线、印刷对称振子天线、宽带笼形天线、对数周期天线以及锥削槽天线。第4章 宽频带天线4.3 宽频带加载鞭天线宽频带加载鞭天线鞭天线是线天线的一种，是垂直接地的单极天线。鞭天线作为一种结构简单的天线形式，在各个领域里得到了广泛的应用。宽频带加载鞭天线通过加载和宽带匹配网络等手段展宽鞭天线工作带宽，以达到宽频带工作的目的。下面我们对

20、这种天线进行介绍和研究。第4章 宽频带天线4.3.1 宽频带加载鞭天线的结构特点和工作原理宽频带加载鞭天线的结构特点和工作原理宽频带加载鞭天线是垂直接地的单极天线，假设地为理想导体，地对天线的影响可以用天线镜像代替，并且仅在地面上半空间存在电磁场。如图 4.1 所示，宽频带加载鞭天线其本身的物理尺寸比对称振子缩小 1/2，但具有与对称振子相似的辐射特性，因此这是天线小型化的一种重要措施。第4章 宽频带天线当宽频带加载鞭天线的激励电压是等效的对称振子的一半时，存在于上半空间的辐射场相等，所以宽频带加载鞭天线和等效的对称振子天线上半空间的方向函数和方向图相同，主瓣宽度、极化特性、频带特性等都相同。

21、且宽频带加载鞭天线的输入阻抗是对称振子的一半，这是因为激励电压减半而激励电流不变。宽频带加载鞭天线的方向系数是对称振子的两倍，这是因为场强不变而辐射功率减半，只在半空间辐射造成的。宽频带加载鞭天线比对称振子损耗电阻大，辐射效率低。宽频带加载鞭天线辐射效率可以参考图 4.2 来分析。第4章 宽频带天线图 4.1 宽频带加载鞭天线结构示意图第4章 宽频带天线图 4.2 宽频带加载鞭天线辐射效率分析第4章 宽频带天线假设宽频带加载鞭天线在地面以上的高度为 h，则采用电流元积分法可以得到上半空间天线的辐射场为其中：I 0 为输入端电流；k 为自由空间相移常数。第4章 宽频带天线宽频带加载鞭天线的特性阻

22、抗和输入电抗的计算公式为其中，D 为天线的直径。辐射电阻的近似公式为第4章 宽频带天线损耗电阻的近似公式为式中，A 为一个在 27 之间的常数。如果 R R L，那么此时，提高 h 可以显著增大 A，使其几乎与 h3成正比。第4章 宽频带天线4.3.2 天线的设计天线的设计下面我们以图 4.3 所示的经典宽频带加载鞭天线结构为例来介绍。天线高度为 H，天线的地面直径大小为 D，天线加载位置距地面高度为 h，馈线特性阻抗为 Z 0，天线输入阻抗为 Z i，采用集总加载的 R、L、C 并联电路形式给天线加载；宽带匹配网络采用 形或 T形网络，由理论上无耗的集总感容元件的串并联组成。第4章 宽频带天

23、线图 4.3 天线模型及匹配网络第4章 宽频带天线用一体化优化方法对天线模型进行优化设计，选用目标函数：第4章 宽频带天线将这其中产生的变量运用遗传算法进行总体优化，即进行宽带天线一体化设计。加载结构及宽带匹配网络如图 4.4 所示。图 4.4 优化加载及匹配网络第4章 宽频带天线天线在 50MHz 时 E 面、H 面理论方向图如图 4.5 所示。天线计算增益曲线如图 4.6 所示。天线驻波曲线如图 4.7 所示。图 4.8 所示为宽频带加载鞭天线实物。第4章 宽频带天线图 4.5 天线在 50MHz 时的理论方向图第4章 宽频带天线图 4.6 优化后天线计算增益曲线第4章 宽频带天线图 4.

24、7 优化后天线驻波曲线第4章 宽频带天线图 4.8 鞭天线实物照片第4章 宽频带天线4.4 套套 筒筒 天天 线线粗振子有较低的特性阻抗，而不对称的结构形式可以起到类似电路中的参差调谐的作用，从而有效地展宽阻抗带宽。一种加粗振子并实现不对称馈电的简单方法，是在天线的辐射体外面加上一个与之同轴的金属套筒，形成所谓的套筒天线。金属套筒相当于一个粗振子，加之其特殊的馈电方式，使得这种结构的天线的阻抗特性明显优于普通振子天线。第4章 宽频带天线一般套筒天线的相对带宽至少可以达到一个倍频程以上。而且套筒的形式也是多种多样的，改变套筒天线的结构形式，能够使其应用于不同的工作环境，但是其基本理论都源自典型的

25、套筒单极子天线。套筒天线是由单极或偶极天线通过加粗振子实现宽频带的线天线。第4章 宽频带天线4.4.1 套筒天线的结构特点和工作原理套筒天线的结构特点和工作原理典型的套筒单极子天线的结构如图 4.9 所示。图 4.9 典型套筒单极子天线的结构第4章 宽频带天线其主要结构参数有：上辐射体长度 l；套筒长度 L，L 分为 L 1 和 L 2 两部分，其中 L 1 是馈电点到套筒开口处的长度，L 2 是馈电点到套筒底部的长度；上辐射体的直径 d 和套筒直径 D。理论分析和试验表明，对天线电特性起决定作用的参数是套筒单极子的总长度 H=l+L 以及上辐射体的长度与套筒长度之比 l/L。第4章 宽频带天

26、线与普通单极子天线类似，套筒单极子天线的总长度通常取为工作频段下限频率所对应波长的 1/4，即 L+l=max/4。在总长度确定的情况下，天线的电性能主要取决于上辐射体长度与套筒长度之比 l/L。当套筒天线的总长度 L+l /2 时，由于套筒上辐射体和套筒外壁上的电流同相位，因此辐射方向图随 l/L 的变化不明显；当频率升高时，l/L 的取值对方向图的影响将增大。经验表明，当 l/L=2.25 时，套筒天线方向图在 41 频带范围内变化最小，并可使天线的旁瓣电平最低，所以通常认为 l/L=2.25 是套筒单极子天线的最佳长度比。第4章 宽频带天线套筒天线馈电点处的输入阻抗可看成是一段长为 L

27、1、负载阻抗为 Z 的传输线与某一段长为 L 2 的短路传输线的串联。这里，Z 是天线上辐射体作为单极子天线的输入阻抗，两段传输线的特性阻抗分别为 Z c1 和 Z c2，而且第4章 宽频带天线其中，d 是馈电点同轴线的外径，如果它与辐射体直径相等，则 Zc1=Z c2。馈电点的输入阻抗为上辐射体输入阻抗主要取决于上辐射体的电长度 l/和长径比 l/d。适当地选择 l/L、l/d 以及 D/d 等参数，同时在套筒内移动馈电点的位置，也就是改变 L 1/L 2 的值，可以有效地改善天线的阻抗特性，降低馈线上的驻波比。第4章 宽频带天线4.4.2 天线的设计天线的设计套筒单极子天线作为一种宽频带天

28、线已经广泛应用于现代通信及遥感系统中，在实际应用中，套筒单极子天线通常置于有限大地面上。正是基于这种安置，套筒单极子天线作为一种车载天线已经显现出它特有的结构简单、稳定性好、方向图稳定等优点。但是套筒单极子天线作为车载天线使用时，往往有较严格的高度限制，因此在设计中需要考虑天线纵向尺寸的降低。加粗套筒单极子辐射体是很好的减小天线尺寸的方法，下面我们以一个套筒单极天线设计实例来说明。第4章 宽频带天线套筒 单 极 子 天 线 基 本 模 型 如 图 4.10所示。图 4.10 加粗辐射体的套筒天线第4章 宽频带天线天线结构中辐射体的半径、高度，套筒半径、高度以及地板半径都是影响套筒天线特性的敏感

29、参量。上述参量变化时天线驻波比曲线如图 4.11 所示。第4章 宽频带天线图 4.11 天线驻波与参量变化的关系第4章 宽频带天线图 4.11 天线驻波与参量变化的关系第4章 宽频带天线图 4.11 天线驻波与参量变化的关系第4章 宽频带天线从图 4.11(a)可以看出，套筒半径 b 主要影响天线中高频段，随着套筒半径的增加，中频段天线驻波明显下降，而高频端变化也很明显。随着半径的增加，驻波先是降低，当半径大到一定程度后又升高，所以在套筒调节时要注意度的把握。从图 4.11(b)可以看出，套筒高度 h 2 的增加，主要使天线在中频段的驻波有一定的下降，而对低频段和高频端没有太大的影响，可以通过

30、适度调高套筒高度来优化天线在中频段的匹配，但是天线的总高度不能超出实际工程的要求。第4章 宽频带天线从图 4.11(c)可以看出，随着地面半径 R 的增加，低频段的驻波明显变小，有力地拓展了低端的带宽，同时中频段的驻波有一点点增大，而高频段变化并不是很明显。从中也可以看出，地面增大对天线的电性能有很大的好处，所以在满足实际工程对于地面大小要求的情况下应该尽可能采取较大的地面。天线驻波比的理论曲线如图 4.12所示。第4章 宽频带天线图 4.12 套筒天线驻波比曲线第4章 宽频带天线套筒天线理论方向图如图 4.13 所示。由图可见，在这两个给出的频点上，方向图都有较大的上翘，这也使天线在这两个频

31、点处的水平方向增益比较低。理论上来讲，如果地板为无限大，那么对于普通单极天线而言，不存在方向图上翘问题，因此有限地板上单极天线方向图的上翘以及由此造成的天线水平方向增益较低等问题是普遍存在且亟待解决的问题。第4章 宽频带天线图 4.13 218MHz 和 356MHz 时 E 面方向图第4章 宽频带天线4.5 印刷对称振子天线印刷对称振子天线直立线天线是常用的全向垂直极化天线，其中对称振子结构简单，广泛用于通信、雷达、探测等各种无线电设备中，适用于短波、超短波甚至微波。它可单独作为天线用，也可用作阵列单元，或用作反射面天线的馈源。对称振子是常用的典型全向天线，在工程应用中，当对天线的尺寸及重量

32、有着严格的要求时，普通对称振子就很难满足要求了。而印刷对称振子天线具有以下优点：第4章 宽频带天线重量轻、体积小、剖面低，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，不影响装载的飞行器的空气动力性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。因此，印刷对称振子天线具有更强的结构优势。我们将对印刷对称振子的结构及其宽带工作原理进行研究。第4章 宽频带天线4.5.1 印刷对称振子的结构特点和宽带工作的实现印刷对称振子的结构特点和宽带工作的实现1.结构特点结构特点印刷对称振子是除微带贴片天线外的又一类微带辐射单元。其近似处理是假定对振

33、子电流分布进行分析，如果基片厚度远小于介质中波长或者振子为谐振长度，则认为印刷对称振子电流为正弦分布是有效的。第4章 宽频带天线印刷对称振子采用双面印刷的平行双线馈电结构，为了分析其性能，把二者分成两部分处理。一部分是印刷偶极子辐射臂，另一部分为馈电平行双线部分。辐射臂可以等效为一个半径为 D e、长度为 2 le 的对称振子。中心馈电印刷振子的等效半径为式中：w 为振子臂的宽度；t 为印刷线厚度(对印刷偶极子来说，印刷线可近似认为是零厚度，可忽略不计)。第4章 宽频带天线振子辐射臂长度 L=2 l，考虑到印刷对称振子的两个端头效应，振子的长度应当修正，修正量为振子宽度 w 的 1/4，即式中

34、：2l 为振子实际几何长度。第4章 宽频带天线图 4.14 所示的振子采用双面印刷结构，馈电采用双面印刷平行双线，对称振子的阻抗接近 75，无法直接与 50 馈电系统相连，为了满足匹配要求，可通过馈电平行双线进行/4 阻抗变换从而达到匹配，如图 4.15 所示。根据传输线理论方程可知，一段长度为 /4的平行双线阻抗变换，其计算公式为其中：Z 0 为需要达到的馈电系统的特性阻抗；R l 为对称振子阻抗，将其看做负载；Z 0 为 /4平行双线阻抗变换段的特性阻抗。第4章 宽频带天线容易得到阻抗变换段的特性阻抗为通过阻抗变换段的特性阻抗，即可得到该段平行双线的线宽和线长。第4章 宽频带天线图 4.1

35、4 采用平行双线馈电的双面印刷对称振子第4章 宽频带天线图 4.15 /4 阻抗变换第4章 宽频带天线2.宽频带工作方法宽频带工作方法对称振子天线的谐振带宽很窄，其 VSWR2.0 的相对带宽在 10%左右。展宽其带宽的简单有效的方法就是增加振子的直径。图 4.16 给出印刷对称振子天线结构。采用宽边印刷对称振子可以有效展宽带宽，振子宽度增加后，天线的输入阻抗随频率变化趋于缓慢，有助于天线带宽的展宽。另外，宽振子也可以认为是一种分布式容性加载，使得输入阻抗趋于容性。随着振子宽度的增加，输入电阻随频率的变化更加平缓，但是输入电抗趋于容性，不易匹配。通过并联一段开路或短路匹配枝节，并调节枝节的长度

36、对输入阻抗的虚部进行调节，可以实现匹配。第4章 宽频带天线图 4.16 印刷对称振子天线结构第4章 宽频带天线另一种展宽带宽的方法就是使用套筒的概念，即给印刷对称振子结构引入套筒结构，这样也同样可以有效地展宽天线带宽。第4章 宽频带天线4.5.2 天线的设计天线的设计上节介绍过宽振子结构能够有效地展宽印刷对称振子天线的带宽，但引入套筒偶极子的方式能够更进一步展宽带宽。天线尺寸限制不严格时可以采用加寄生振子的方法，即开敞式套筒结构，如图 4.17 所示。也就是说，在原来的印刷振子臂旁边加两根寄生振子，适当地进行调整后，得到更宽的频带特性。主要调试的参数包括印刷对称振子的宽度 w、臂长 L、寄生振

37、子与印刷对称振子之间的距离 s、寄生振子长度 l 和匹配枝节的长度 ld。第4章 宽频带天线图 4.17 开敞式印刷套筒偶极子天线第4章 宽频带天线从图 4.18 所示的驻波曲线可以看出，加寄生振子可以将带宽进一步展宽到 50%(VSWR2.0)，但是此时天线的横向尺寸太大，不利于天线的小型化。图 4.19 为高、中、低频点的 E 面和 H 面方向图。第4章 宽频带天线图 4.18 驻波曲线第4章 宽频带天线图 4.19 高、中、低频点的方向图第4章 宽频带天线另一种印刷式套筒天线的结构如图 4.20 所示，即在天线罩的外表面采用共形的方式敷铜作为套筒，里面仍然采用前面算好的印刷偶极子。由于印

38、刷对称振子本身就需要天线罩的支撑，因此合理巧妙地利用天线罩的圆周介质特性，在其表面印刷一层铜，就可以在起到支撑作用以外还起到套筒的作用。该敷铜层的高度略大于振子的臂长，天线罩的直径约为印刷振子宽度的两倍。第4章 宽频带天线这种特殊结构的套筒天线能够实现 65%(VSWR2.0)以上的阻抗带宽。其驻波比曲线如图 4.21 所示。该天线的 E 面方向图如图 4.22 所示。图 4.22(a)中，255500MHz 之间的方向图很好，最大辐射方向在水平方向，且水平方向增益大于 2dB。但是当频率大于 500MHz 时，E面方向图产生变化，如图 4.22(b)所 示，最大辐射方向偏离水平面，510MH

39、z 处水平增益下降到 1.5dB 左右，520MHz 时方向图最大辐射方向上翘，水平面增益为 0.40.8dB，这是因为馈电平行双线和匹配枝节部分也有辐射场，因此导致振子上下不对称，出现方向图的上翘。530MHz 时水平增益为-3.5dB，此时的 E 面方向图出现水平凹陷，最大辐射方向已经偏离水平方向。图 4.23 给出了天线各频点的水平面方向图。第4章 宽频带天线图 4.20 封闭式印刷套筒天线第4章 宽频带天线图 4.21 封闭式印刷套筒的驻波曲线第4章 宽频带天线图 4.22 封闭式印刷套筒的 E 面方向图第4章 宽频带天线图 4.23 各频点的水平面方向图第4章 宽频带天线上述两种方法

40、实际上都是采用加粗振子直径的方法来展宽带宽的，但在印刷板上增加寄生振子会对天线小型化不利。在实际的工程中，另外一种用于低频段增加天线带宽的方法是采用笼形天线。第4章 宽频带天线4.6 宽带笼形天线设计宽带笼形天线设计笼形天线实际上是粗振子天线的一种替代。已经有理论证明，加粗振子的方法可以展宽天线的带宽。但是采用金属材料构成粗振子会使天线的重量严重超过设计可以容忍的程度，在低频领域这一矛盾会更为明显和严重。笼形天线实际上是低特性阻抗的对称振子，它将对称振子的一臂由单根导线改为由多根导线组成的笼子，两端用笼圈固定后接圆锥以方便馈电。第4章 宽频带天线这相当于加粗了振子的直径，使天线的输入阻抗随工作

41、波长的变化比较缓慢，从而使天线具有宽带性。如果采用适当的匹配方法，还能够增大天线的工作波段范围。图4.24 为 EMC 测试中常用的 ETS.Lindrgen 公司的 3110C 笼形双锥天线示意图。第4章 宽频带天线图 4.24 笼形双锥天线第4章 宽频带天线从图可以看出，该天线由支撑结构、巴伦和双锥笼构成。从原理上来看，该天线就是一个锥形加粗的对称振子，只不过原本锥型的实心导电振子被更为轻巧的具有相同外形的笼形导体替代。对称振子的两臂采用锥形，使天线在较宽的频带内的辐射阻抗保持稳定从而加宽带宽。锥形结构的最粗处加入了由中心导体到笼子辐条的加载结构来进一步优化天线特性。在实际的工程应用中，仅

42、利用天线外形的设计虽然可以使天线在较宽的带宽范围内保持方向图的稳定，但是天线的输入阻抗变化仍然较为剧烈。为此，必须引入天线的宽频带匹配技术来实现天线的宽频带匹配。因此，实际的宽频带天线设计必须将天线辐射结构的设计和天线的匹配网络设计同步进行。第4章 宽频带天线由于匹配网络的引入使天线的带宽不仅取决于天线的具体结构，而且取决于天线结构与匹配网络共同优化的结果，因此天线的最优外形就未必采用已经由经典理论所证明的锥形结构，也可以采用其他的外形结构并配合馈电网络的设计来实现宽频带，例如曲线渐变的外形。第4章 宽频带天线已经有很多经典的书目对宽匹配网络的设计进行过深入的理论分析。近几年发展出的实频法以天

43、线的实际输入阻抗作为依据来进行匹配网络的优化设计，可以实现良好的匹配效果。但传统的匹配电路属于无源匹配，受到增益带宽限制理论的束缚，无法得到很宽的频带和较高的增益。而使用具有负阻特性元件的有源匹配电路，则可以突破增益带宽限制理论的束缚，实现更宽的阻抗带宽。近几年，基于负阻元器件的匹配方法在电小天线宽带匹配方面的应用再次引起了广泛的关注。第4章 宽频带天线本节介绍采用曲线外形设计笼形天线，并采用负阻元器件进行匹配网络设计的技术。笼形天线外形如图 4.25 所示。天线的两臂由 12 根金属构成的笼形结构构成。笼形由两段抛物线连接而成。H 为天线总长，L 1 为上臂长度，R 1 为最大半径，R 2

44、为顶部半径，通过调节这些参数以及抛物线的参数，可以获得最佳的阻抗带宽。天线由中心进行馈电。仿真模型如图 4.26 所示，仿真结果如图 4.27 所示。第4章 宽频带天线图 4.25 笼形天线外形示意图第4章 宽频带天线图 4.26 笼形天线仿真模型第4章 宽频带天线由仿真结果可以看出，天线在 290765MHz 的频段范围内驻波比均小于 2，阻抗带宽达到 2.6 个倍频程。其增益方向图如图 4.28 所示，天线基本符合对称振子辐射方向特性，具有水平全向性和垂直面倒 8 字，增益在 3dB 以上，但是随着频率的逐渐提高，会出现裂瓣。下面分析天线的匹配网络设计。第4章 宽频带天线图 4.27 笼形

45、天线匹配前后的驻波比(VSWR)曲线第4章 宽频带天线图 4.28 300MHz 时的增益方向图第4章 宽频带天线这里首先通过在馈电端使用一个传统 LC 匹配网络来实现匹配。通过优化，最终使该曲线振子天线在2581370MHz 频带内工作，达到 5 个倍频程，如图 4.27 所示；匹配电路拓扑结构和元件值如图 4.29 和表 4.1 所示。第4章 宽频带天线图 4.29 匹配网络拓扑结构第4章 宽频带天线第4章 宽频带天线为了进一步拓展带宽，引入具有负元件值的非福斯特有源匹配方法，其匹配原理如图4.30 所示。由图可以看出，负 LC 元件，具有与常规 LC 元件相反的阻抗特性曲线，从而能够获得

46、极宽的匹配带宽。下面首先介绍基于 NIC 电路的负阻抗器件设计。第4章 宽频带天线图 4.30 非福斯特匹配原理第4章 宽频带天线非福斯特电路可基于 NIC NegativeImpedanceConvertor)变换电路实现，NIC 电路将具有正值的 LC 元件通过电路变换等效为具有负值的 LC 元件。常用的 NIC 变换电路主要有基于晶体管的变换和基于运放的变换两种，这里给出基于晶体管的 NIC 变换电路。基于晶体管的NIC 电路又可分为电流转换型(INIC)、电压转换型(VNIC)或者接地型、浮地型等。第4章 宽频带天线图 4.31 所示为一种负阻抗变换电路原理图，图中 V 1、V 2 为

47、晶体管，Z L 为负载阻抗，Z in 为从输入端看进去的等效阻抗。正常工作状态下，晶体管基极和发射极之间的电压为一个很小的导通电压，一般只有 0.70.8V 左右，所以可认为晶体管 b、e 端无压降；而基极电流只有集电极的 1/(一般取值在 20200 之间)，所以基极处相当于开路；晶体管电流全部从集电极流向发射极，因此节点 b 和节点 d 相当于短路，输入端电压 U in 等于负载电压U L；第4章 宽频带天线同时，电阻 R 1、R 2 两端电压等幅反相，电流方向相反，因此输入电流 I in 和负载电流I L 反相，那么输入端的等效阻抗就等于-R 1/R 2 倍的负载阻抗，即第4章 宽频带天

48、线图 4.31 NIC 变换原理图第4章 宽频带天线当负载 Z L 为电感或者电容时，即可获得等效的负电感和负电容。这就是非福斯特 NIC变换电路的变换原理。通过选择合适的偏置电阻和负载阻抗，即可获得所需的具有负值的元器件。取负载 Z L=2 H，电阻 R 1=R 2，且添加偏置电路后，仿真结果如图 4.32 所示。可以看出，通过该变换电路，可以在 1035MHz 频段内获得一个-2 H 的等效电感，该频段内的等效电感起伏范围小于 0.37 H，电阻绝对值小于 1.08，可等效为一理想电感。基于同样的原理和电路，可以获得任意的-L 或者-C。第4章 宽频带天线图 4.32 NIC 电路仿真结果

49、第4章 宽频带天线相对图 4.30 的直接应用，这里将负阻器件引入匹配网络，并对上述曲线型对称振子天线设计匹配网络。匹配电路拓扑结构和元件值如图 4.29 和表 4.1 所示；采用基于 NIC 的变换电路实现，如图 4.31 所示，结果如图 4.32 所示。可以看出，相比传统匹配方法，非福斯特匹配明显提高了带宽，使匹配后的带宽达到 14 个倍频程。第4章 宽频带天线4.7 对数周期天线对数周期天线对数周期天线是非频变天线的一种类型，它是根据“相似”概念构成的：当天线按照某一特定的比例因子 变化后，仍为它原来的结构。这样，出现在频率 f 和f间的天线性能将在f和 2f 的频率范围内重复出现。依此

50、类推，天线的电性能基本上在很宽的范围内不随频率变化。对数周期天线的形式有很多种，大体分为平面型和立体型两类，目前广泛应用的对数周期偶极子阵(简称 LPD 天线)是对数周期天线中最简单的一种。下面我们就以LPD 天线为例来讨论并分析对数周期天线。第4章 宽频带天线4.7.1 对数周期天线的结构特点和工作原理对数周期天线的结构特点和工作原理1.结构特点结构特点如图 4.33 所示，LPD 天线的结构是按下列关系设计的：第4章 宽频带天线式中，d、R 和 l 分别是相邻振子的间距、振子到顶点的距离和振子一臂的长度。振子总数为 N。天线采用均匀双线馈电。向振子馈电的双线称为集合线，以区别于天线的主馈线