【文章內(nèi)容簡介】 具有廣泛的實際需求背景和重要的實際意義。 第二章 環(huán)形天線的寬帶化和集總加載技術 環(huán)形天線一般是電小天線,所謂電小天線是指天線的最大幾何尺寸遠小于工作波長的天線,根據(jù)//.eler的定義,電小天線要求,其中是天線的最大尺寸,為與電磁場相關的波數(shù)。由于天線是一種轉(zhuǎn)換導波能量為輻射波能量的或相反過程的器件,而這種過程是直接與工作的波長相關聯(lián)的,所以天線尺寸的減小將影響天線的帶寬、增益、效率以及極化純度等,而且電小天線也很不容易實現(xiàn)有效的饋電。正因為如此,在確定天線的性能時,天線尺寸往往比天線技術更為重要。長期以來,許多作者對天線的輻射性能與天線尺寸的關系進行了深入的研究,而且這種研究迄今還在繼續(xù)。 環(huán)形天線(1)定向性 定向性幾乎是天線最重要的參量,描述天線定向性的參數(shù)有方向圖和方向系數(shù)等。 天線的方向圖用來描述電(磁)場強度在空間的分布狀況,它是三維立體圖形。工程上常采用在天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面內(nèi)的方向圖來表示天線的方向性,它們分別稱為E面和H面的方向圖。E面是平行于電場矢量的平面,H面是平行于磁場矢量的平面,也可以令E面表示垂直于地平面的平面、而H面表示平行于地平面的平面來觀測天線的方向性。描述天線方向圖的參數(shù)有:主瓣寬度(或稱半功率波瓣寬度)、副瓣電平(指副瓣中的最大值與最小值之比)、前后輻射比(指前向與后輻射場強之比)等。方向圖最直觀地反映了電磁場大小的空間分布。 方向系數(shù)用來定量的說明天線輻射電磁波能量的集中程度。定義為:在總輻射功率相同的情況下,天線在其最大輻射方向上某處的場強的平方,與一無方向性的點源在相同處產(chǎn)生的場強的平方之比。數(shù)學表達式為:(21)式中,為天線歸一化的方向函數(shù)。若天線的副瓣電平很小,工程上常用兩主面的半功率波瓣寬度、來估算方向系數(shù)的值,即 (22) 天線的方向性越強,方向系數(shù)越大。(2)效率 天線的效率可以度量天線轉(zhuǎn)換能量的有效性,它也是天線的重要指標之一。例如發(fā)射天線的效率定義為:天線的輻射功率與輸入功率之比。 若天線的效率小于1,天線輸入功率一部分轉(zhuǎn)化為輻射功率,一部分為消耗功率。其他損耗功率可包括有:天線系統(tǒng)的導線損耗、介質(zhì)損耗、網(wǎng)絡損耗以及天線支架、周圍物體和大地中的電磁感應引起的損耗等等。一般電小天線的效率較低。(3)增益 天線增益G是一個實際參量,該參量因天線或天線罩的歐姆損耗而小于定向性,增益與定向性之比是天線的效率,這種關系可表示為:(23) 具體可表述天線增益為:天線輸入功率相同的情況下,某天線在其最大輻射方向上的場強平方,與一理想的無方向性的電源在相同處產(chǎn)生的場強平方之比。(4)阻抗特性 天線的輸入阻抗是天線饋電點處的電壓與電流之比,通常它是一個復阻抗,而且是頻率的函數(shù)。對于某些天線如底饋鞭天線,由于它和周圍環(huán)境有較強的電磁耦合,因此,其輸入阻抗值除決定于天線自身的結構、電尺寸等因素外,還與設置的環(huán)境有關。而有些天線輸入阻抗對饋電點的結構異常敏感。嚴格從理論上計算天線的輸入阻抗是比較困難的,工程應用中一般都采用測量的方法確定。(5)頻帶寬度 天線的頻帶寬度是指天線的主要電指標如增益、主瓣寬度、副瓣電平、輸入阻抗、極化特性等均滿足設計要求時的頻率范圍,或稱天線的工作帶寬,簡稱天線帶寬。 根據(jù)無源天線收、發(fā)的互易性,同一付天線作為發(fā)射或接收時,電特性是相同的。 顧名思義環(huán)形天線就是將導線彎成環(huán)形所構成的天線。環(huán)形天線的終端負載阻抗可以為零,也可以等于環(huán)的特性阻抗,其上的電流分布和平行傳輸線類似。,稱為小環(huán)天線,環(huán)上的電流近似按等幅同相分布。短接環(huán)的半徑較大時,環(huán)上電流為駐波分布。當端接負載的阻抗等于環(huán)的特性阻抗時,環(huán)上的電流為行波分布。依據(jù)電磁輻射的二重性原理,小環(huán)天線和垂直于環(huán)面放置的小電偶極天線的輻射場除將電和磁的量互換外都是類似的,即在環(huán)面的平面上方向圖是圓,環(huán)軸所在平面上方向圖是8字形,沿環(huán)軸方向的輻射為零。環(huán)可以是空心的或磁芯的。單匝的或多匝的。理論和實驗證明,輻射場與環(huán)的面積、匝數(shù)和環(huán)上的電流成正比,與工作波長的平方和距離成反比。與環(huán)的形狀關系不大。由于小環(huán)天線的周長遠遠小于一個波長,主要產(chǎn)生和響應電磁信號的磁分量,而大多數(shù)人造干擾源主要產(chǎn)生電場輻射,所以小環(huán)天線具有噪聲免疫特性,尤其適合用于干擾和抖動的工作環(huán)境。小環(huán)天線的輻射效率很低,通常用作接收天線,廣泛應用于測向、無線電羅盤和中、短波廣播接收機。 寬帶天線的概念及實現(xiàn) 天線的工作帶寬及限制帶寬的主要因素 由于天線的各項電指標一般都是隨頻率變化的因而天線帶寬也就取決于各項電指標的頻率特性。若同時對幾項電指標都有具體要求時,則以其中最嚴格的要求作為確定天線帶寬的依據(jù)。 天線帶寬通常有兩種表示方法:(1)相對帶寬。(2)倍頻帶寬。 相對帶寬的定義是:天線的絕對帶寬與工作頻帶內(nèi)的中心頻率之比,即(24)式中,、分別表示工作頻帶的上限頻率和下限頻率。 倍頻帶寬的定義是:工作頻帶的上限頻率與下限頻率之比,即 (25) 一般窄帶天線多使用相對帶寬一詞,而寬帶天線多采用倍頻帶寬的表示方法。窄帶和寬帶都是相對的概念,沒有嚴格的定義,習慣上認為就是寬帶天線。 天線帶寬主要取決于各項電指標的頻率特性。通常,天線主要電指標均有其各自定義的帶寬,它們分別是:(1)方向圖帶寬 由于方向圖是描述天線方向性的重要指標,而當頻率偏離設計頻率時,有可能發(fā)生主瓣指向偏移、主瓣分裂萎縮、副瓣電平增大、前后輻射比下降等。當方向圖惡化到不能滿足設計要求時,即限定了方向圖的帶寬。一般來說,高頻端方向圖容易迅速惡化,因此,它往往是限制上限頻率的主要因素。(2)增益帶寬 是指增益下降到允許值時的頻帶寬度。通常定義增益下降到工作頻帶內(nèi)最大增益值的50%時相應的頻帶寬度為3dB的增益帶寬。通常,頻率降低,天線電尺寸變小。增益比較明顯地下降,因此,該項指標往往限定了下限工作頻率的值。(3)輸入阻抗帶寬 簡稱阻抗帶寬,輸入阻抗隨頻率變化,當天線輸入端電壓一定時,輸入端電流會隨頻率變化,因此可以通過天線輸入端電流的變化來計算天線的阻抗帶寬。通常,諧振式天線(如對稱振子或單極子天線等)多采用這種表示方法。在中心頻率處,天線長度調(diào)整到諧振長度,即輸入電抗為零,諧振時的天線電流為。當頻率偏離,即時,相應的帶寬就稱為3dB阻抗帶寬。 此外,天線的阻抗帶寬也可以用饋線上的電壓駐波比來表示。根據(jù)設計這對電指標的要求,以駐波比低與規(guī)定值的頻率帶寬為天線的阻抗帶寬。這種表示方法既反映了天線阻抗的頻率特性,也說明了天線與饋線的匹配效果,在天線工程中使用性很強。 實現(xiàn)電小線天線寬帶化的主要方法(1)采用機機電結合的方式,合理設計天線結構,使具有寬頻特性 例如伸縮式短波、超短波直立天線,其天線長度利用機電結合的辦法進行控制,使之在不同頻率上始終保持在串聯(lián)諧振長度上,即電長度保持不變,以實現(xiàn)在相當寬的頻帶內(nèi)具有良好的方向性和阻抗匹配特性。這種方法由于是機械伸縮,因而使應用范圍受到一定限制,但仍不失為一種易于實現(xiàn)、行之有效的寬帶化措施。(2)利用插入分布或者集總網(wǎng)絡來展寬天線的工作帶寬 將電抗元件、阻抗元件、介質(zhì)材料或有源器件置于天線的某一部分之中,其目的或是為了縮小天線尺寸、或是為了提高效率、或是為了增大帶寬,這種方式稱為天線加載加載元件可以是有源的或是無源的,可以是分布參數(shù)元件,也可以是集總參數(shù)元件。 加載天線可以放置在天線內(nèi)部或者天線的饋電端。從廣義的角度講,天線阻抗匹配網(wǎng)絡也算是一種加載方式,用以補償天線阻抗頻率隨頻率的變化,從而展寬阻抗帶寬。目前,自動天線調(diào)諧器獲得了廣泛的應用,它以全自動方式,通過微機控制、自動檢測阻抗信息并按照預定的調(diào)諧軟件改變匹配網(wǎng)絡參數(shù),進行快速調(diào)諧和阻抗變換,以使天線系統(tǒng)與同軸線電纜(特性阻抗為50歐姆)較好地匹配。(3)利用一付天線的多模工作方式來展寬工作頻帶 一般天線在基模和高次模工作時,要求其電性能變化較小,但也有個別應用場合卻有不同的要求。如果能夠設計一種天線,當它用于基模工作時構成較低頻段的天線,而用高次模工作時構成高頻段的天線,就可以在天線體積尺寸不變的情況下獲得較寬的工作帶寬