天線與電波-第四章(已修改)
2025-08-17 22:47 本頁面
【正文】 第 4章 非頻變天線 第 4章 非頻變天線 非頻變天線的基本概念 平面等角螺旋天線 阿基米德螺旋天線 對數(shù)周期天線 第 4章 非頻變天線 非頻變天線的基本概念 研究天線除了要分析 、 研究天線的方向特性和阻抗特性外 ， 還應(yīng)考慮它的使用帶寬問題 。 現(xiàn)代通信中 ，要求天線具有較寬的工作頻帶特性 ， 以擴頻通信為例 ，擴頻信號帶寬較之原始信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 10倍 ， 再如通信偵察等領(lǐng)域均要求天線具有很寬的帶寬 。 第 4章 非頻變天線 習(xí)慣上 ， 若天線的相對帶寬達(dá)百分之幾十以上 ，則把這類天線稱為寬頻帶天線 。 若天線的阻抗特性和方向性能在一個更寬的頻率范圍內(nèi) （ 例如頻帶寬度為10∶ 1或更高 ） 保持不變或稍有變化 ， 則把這一類天線稱為非頻變天線 (Frequency Independent Antenna)。 第 4章 非頻變天線 非頻變天線概念是由拉姆西（ ）于 1957年提出的，使天線的發(fā)展產(chǎn)生了一個突破，可將帶寬擴展到超過 40∶ 1，在此之前，具有寬頻帶方向性和阻抗特性的天線其帶寬不超過 2∶ 1。我們已經(jīng)知道，天線的電性能取決于它的電尺寸，所以當(dāng)幾何尺寸一定時，頻率的變化導(dǎo)致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。非頻變天線的導(dǎo)出基于相似原理。相似原理是說：若天線的所有尺寸和工作頻率（或波長）按相同比例變化，則天線的特性保持不變。對于實用的天線，要實現(xiàn)非頻變特性必須滿足以下兩個條件。 第 4章 非頻變天線 1. 角度條件 角度條件是指天線的幾何形狀僅僅由角度來確定 ，而與其它尺寸無關(guān) 。 例如無限長雙錐天線就是一個典型的例子 ， 由于錐面上只有行波電流存在 ， 故其阻抗特性和方向特性將與頻率無關(guān) ， 僅僅決定于圓錐的張角 。 要滿足 “ 角度條件 ” ， 天線結(jié)構(gòu)需從中心點開始一直擴展到無限遠(yuǎn) 。 第 4章 非頻變天線 2. 終端效應(yīng)弱 實際天線的尺寸總是有限的 ， 與無限長天線的區(qū)別就在于它有一個終端的限制 。 若天線上電流衰減得快 ， 則決定天線輻射特性的主要部分是載有較大電流的部分 ， 而其延伸部分的作用很小 ， 若將其截除 ， 對天線的電性能不會造成顯著的影響 。 在這種情況下 ，有限長天線就具有無限長天線的電性能 ， 這種現(xiàn)象就是終端效應(yīng)弱的表現(xiàn) ， 反之則為終端效應(yīng)強 。 第 4章 非頻變天線 由于實際結(jié)構(gòu)不可能是無線長 ， 使得實際有限長天線有一工作頻率范圍 ， 工作頻率的下限是截斷點處的電流變得可以忽略的頻率 ， 而存在頻率上限是由于饋電端不能再視為一點 ， 通常約為 1/8高端截止波長 。 非頻變天線可以分成兩類 ， 一類天線的形狀僅由角度來確定 ， 可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性 ，如無限長雙錐天線 、 平面等角螺旋天線以及阿基米德螺旋天線等 。 第 4章 非頻變天線 另一類天線的尺寸按某一特定的比例因子 τ變化，天線在 f和 τf兩頻率上的性能是相同的，當(dāng)然，在從 f到τf的中間頻率上 ,天線性能是變化的，只要 f與 τf的頻率間隔不大，在中間頻率上，天線的性能變化也不會太大，用這種方法構(gòu)造的天線是寬頻帶的。這種結(jié)構(gòu)的一個典型例子是對數(shù)周期天線。非頻變天線主要應(yīng)用于 10～ 10000MHz頻段的諸如電視、定點通信、反射面和透鏡天線的饋源等方面。 第 4章 非頻變天線 平面等角螺旋天線 平面等角螺旋天線的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 4―2―1 為平面等角螺旋天線 (Planar Equiangular Spiral Antenna)示意圖，是 天線，雙臂用金屬片制成，具有對稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。等角螺旋線如圖4―2―2 所示，其極坐標(biāo)方程為 0r r e???（ 4―2―1 ） 第 4章 非頻變天線 式中 ， r為螺旋線矢徑； υ為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角； r0為 υ＝ 0176。 時的起始半徑； 1/a為螺旋率 ， 決定螺旋線張開的快慢 。 由于螺旋線與矢徑之間的夾角 Ψ處處相等 ， 因此這種螺旋線稱為等角螺旋線 ， Ψ稱為螺旋角 ， 它只與螺旋率有關(guān) ， 即 1ar ct ana? ?（ 4―2―2 ） 第 4章 非頻變天線 圖 4―2―1 平面等角螺旋天線 Rr2r1r3r4?第 4章 非頻變天線 圖 4―2―2 等角螺旋線 ?rxyO第 4章 非頻變天線 在圖 4―2―1 所示的等角螺旋天線中，兩個臂的四條邊緣具有相同的 a，若一條邊緣線為 r1=r0eaφ，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn) δ角，就可得該臂的另一邊緣線 r2=r0ea(υδ)。另一臂相當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn) 180176。 而構(gòu)成，即 r3=r0ea(φπ)，r4=r0ea(φπδ)。由于平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對形狀的要求。如果取 δ＝π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自補結(jié)構(gòu)。 第 4章 非頻變天線 當(dāng)兩臂的始端饋電時 ， 可以把兩臂等角螺旋線看成是一對變形的傳輸線 ， 臂上電流沿線邊傳輸 ， 邊輻射 ， 邊衰減 。 螺旋線上的每一小段都是一基本輻射片 ，它們的取向沿螺旋線而變化 ， 總的輻射場就是這些元輻射場的疊加 。 實驗表明 ， 臂上電流在流過約一個波長后就迅速衰減到 20dB以下 ， 終端效應(yīng)很弱 。 第 4章 非頻變天線 因此 ， 輻射場主要是由結(jié)構(gòu)中周長約為一個波長以內(nèi)的部分產(chǎn)生的 ， 這個部分通常稱為有效輻射區(qū) ， 傳輸行波電流 。 換句話說螺旋天線存在 “ 電流截斷效應(yīng) ” ，超過截斷點的螺旋線部分對輻射沒有重大貢獻(xiàn) ， 在幾何上截去它們將不會對保留部分的電性能造成顯著影響 ， 因而 ， 可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)近似的非頻變特性 。 波長改變后 ， 有效區(qū)的幾何大小將隨波長成比例地變化 ， 從而可以在一定的帶寬內(nèi)得到近似的與頻率無關(guān)的特性 。 第 4章 非頻變天線 平面等角螺旋天線的電性能 自補平面等角螺旋天線的輻射是雙向的 ， 最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線方向上 。 若設(shè) θ為天線平面的法線與射線之間的夾角 ， 則方向圖可近似表示為 cosθ，半功率波瓣寬度近似為 90176。 。 因為平面等角螺旋天線是雙向輻射的，為了得到單向輻射，可采用附加反射（或吸收）腔體，也可以做成圓錐形等角螺旋天線
數(shù)學(xué)相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1