1、第五章 非頻變天線§5.1 非頻變天線的基本概念一般來說，天線的電性能取決于它的電尺寸，當天線的幾何尺寸一定時，頻率的變化導致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。若天線的相對帶寬達百分之幾十以上，則把這類天線稱為寬頻帶天線。如果天線的阻抗特性和方向性能在一個更寬的頻率范圍內保持不變或稍有變化，則稱這類天線為非頻變天線（Frequency Independent Antenna）。非頻變天線基于相似原理，即天線的所有尺寸和工作頻率按相同的比例變化，則天線的特性保持不變。1） 角度條件角度條件是指天線的幾何形狀僅由角度來確定，而與其它尺寸無關。要滿足角度條件，天線的結構需從中心點開

2、始一直擴展到無限遠。典型的例子是無限雙錐天線，其阻抗特性和方向特性僅取決于圓錐的張角，與頻率無關。2） 終端效應弱如果天線上的電流是快速衰減的，則天線上載有較大電流的部分是決定天線輻射特性的主要因素，將其余延長部分截掉，對天線的電性能不會造成顯著的影響。此時有限長天線就具有無限長天線的電性能，這種現象稱為終端效應弱。實際天線的結構是有限的，工作頻率有一個范圍，其下限是截斷點處的電流可以忽略的頻率，上限是饋電端不能視為一點的頻率。非頻變天線可分成兩類：1） 天線的形狀僅由角度確定，可在連續變化的頻率上得到非頻變特性，如無限雙錐天線、平面等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線等。2） 天線的尺寸按某一特定

3、的比例因子變化，天線在和兩頻率上的特性相同，在與之間的頻率上天線的特性是變化的，但變化不大，這種結構的天線是寬帶的。典型的例子是對數周期天線。§5.2 平面等角螺旋天線所謂的等角螺旋線，是指螺旋線切線與矢徑之間的夾角處處相等的螺旋線，稱為螺旋角，表示為：式中為螺旋率，它決定螺旋線張開的快慢。在下圖（a）所示的極坐標系下，假設螺旋線矢徑為，旋轉角為，時的起始半徑為，那么等角螺旋線的方程可表示為：平面等角天線是一種角度天線，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，如下圖（b）所示。 在圖示的等角螺旋天線中，兩臂的四條邊具有相同螺旋率，假設一條邊緣線為，則將旋轉

4、角度便得到該臂另一邊緣線。再將該臂旋轉可得到另一臂的兩條邊緣線分別為，。等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度決定，因而滿足非頻變天線對形狀的要求。當時，天線的兩臂與兩臂之間的縫隙形狀相同，這種結構稱為自補結構。等角螺旋天線的饋電點位于兩臂的起始點，兩臂可以看成是一對變形的傳輸線，電流沿兩臂傳輸，隨傳輸距離而衰減。當臂上電流流過一個波長后，迅速衰減到20dB以下，終端效應變得很弱。因此天線的輻射場主要由一個波長以內的部分產生，這個部分稱為有效輻射區，傳輸行波電流。將其余的部分截去，不會對天線的電性能產生顯著的影響。有效區的幾何長度隨工作頻率成比例地變化，可在一定的頻帶內得到與頻率無關的特性。1. 方向性

5、平面等角螺旋天線最大輻射方向在平面兩側的法線方向，即上圖（a）中的z軸方向，方向函數為，是雙向端射。為得到單向輻射，可做成圓錐形等角螺旋天線，如下圖所示。2. 輸入阻抗平面等角螺旋天線有兩種結構，即自補結構和互補結構。自補結構由懸于空中的對稱平面金屬雙臂構成，。自補結構平面等角螺旋天線的輸入阻抗為純阻抗，并與頻率無關，即：由于受到實際天線有限長度、有限厚度和饋電不理想等因素的影響，實測的天線輸入阻抗一般為164左右。互補結構是由無限大金屬導電平面和其上的縫隙構成，見上圖（b）所示。縫隙的長度為大于或等于一個波長，兩臂圍繞饋電點圈，其阻抗特性為：3. 極化特性等角螺旋天線的極化特性與兩臂的電長度

6、和螺旋繞向有關，可概括如下：（1）。工作頻率較低，臂長比波長小很多時，線極化；（2）。頻率較高時為園極化，螺旋線繞向與傳播方向符合右手定則為右旋園極化，符合左手定則為左旋園極化。4. 工作帶寬工作帶寬由內徑和外徑決定。一般尺寸選擇：，。實例：，饋電點，臂長1.5圈。該天線相對帶寬為：若增加兩臂的長度或改變天線的參數，相對帶寬可達20:1。§5.3 阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線由兩個螺旋臂構成，如下圖所示，兩臂的螺旋線與角度是線性關系，其方程為：其中為時的矢徑。阿基米德螺旋天線的饋電點位于兩臂的起點處，兩臂可近似看成雙線傳輸線，線上電流相位相反，當線間距很小時，不產生輻射。工作原理

7、：考察兩臂上和點處兩線段。圖中和為兩臂上的對應點，電流相位差為，且。點沿螺旋臂到達點的弧長近似為，由此得到和點電流相位差為：當時（），即兩線段的輻射是疊加的。因此，阿基米德螺旋天線的輻射是集中在周長約等于的螺旋環帶上，這個環帶稱為有效輻射帶。隨工作頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化。 阿基米德螺旋天線的性能與等角螺旋天線的性能相似，是寬帶、圓極化、雙向端射天線。§5.4 對數周期天線(Log Periodic Antenna)當天線按某一比例因子變換后仍等于它原來的結構，則天線在頻率和時的性能相同。對數周期天線是一種非頻變天線，有多種類型，本文主要介紹對數周期陣子陣天線的特性。對數周期

8、陣子陣天線結構如下圖所示，由若干個對稱陣子組成，陣子的所有尺寸都按同一比例因子變化。描述對數周期陣子陣天線結構的參數主要有比例因子、間隔因子和天線頂角，這些參數決定著天線的性能，是設計對數周期陣子陣天線主要依據。比例因子定義為： （1）式中、分別為第、個陣子到天線頂點距離；假設第個陣子長度為，則天線頂角可表示為： （2）有 結合（1）式不難得到： （3）亦即相鄰陣子的位置之比等于相鄰陣子的長度之比。如果相鄰陣子的間距設為，間隔因子定義為相鄰陣子間的距離與2倍較長陣子的長度之比，即： （4）而 （5）結合（2）式可得：代入（4）式得到：或 由（5）可得：因此有：即對數周期陣子陣天線的所有尺寸都按

9、同一比例變化。對數周期陣子陣天線的饋電點位于最短陣子處，相鄰陣子間交叉饋電，給陣子饋電的那一段平行線稱為集合線。天線的最大輻射方向由長陣子指向短陣子端。對數周期陣子陣天線沿集合線分成三個區域，即傳輸區、輻射區和非激勵區。（1） 傳輸區饋電點附近長度遠小于的短陣子所在的區域，該區域陣子電長度很短，輸入容抗很大，因而激勵電流很小，輻射很弱，集合線上的導波能量經過該區域時衰減很小，主要起傳輸線的作用。（2） 輻射區長度約等于的幾個陣子所在的區域，該區域陣子處于諧振或準諧振狀態，電流激勵較強，起主要輻射作用。當工作頻率變化時，輻射區會在天線上前后移動，使天線的電性能保持不變。輻射區陣子數一般不少于三個

10、，陣子數越多天線的方向性越強，增益也越高。通常把激勵電流值等于最大激勵電流的兩個陣子之間的區域定義為輻射區，輻射區陣子數可由下面經驗公式確定，即：式中、分別為工作頻率高端和低端的截斷常數，經驗計算公式為：（3） 非輻射區 輻射區后面的部分為非輻射區，由于集合線上傳輸的能量絕大多數被輻射區的陣子吸收，傳送到非激勵區的能量很少，因此該區域激勵電流很弱，陣子幾乎處于未激勵狀態。非輻射區陣子激勵電流迅速下降，存在電流截斷效應，正是這一點，才使得從無限大結構截去長陣子那邊無用的部分后，還能在一定的頻率范圍內近似保持理想的無限大結構時的電特性。1） 輸入阻抗集合線上傳輸的電流近似為行波，因此對數周期陣子陣

11、天線的輸入阻抗基本上是電阻性的，電抗成分不大。2） 方向圖與增益系數對數周期陣子陣天線為端射式天線，最大輻射方向由長陣子指向短陣子。當頻率變化時，天線的輻射區在天線上前后移動而保持相似的特性，其方向圖隨頻率變化較小，具有寬帶特性。下圖給出了天線面、面半功率角與幾何參數及的關系。由圖可以看出，越大，輻射區陣子數越多，方向性越強，方向圖的半功率角就越小。對數周期陣子陣天線的效率較高，其增益近似等于方向系數，一般在10dB左右。下圖給出了對數周期陣子陣天線增益的等值線，它是和的二元函數。由圖可以看到，要得到高增益就要有較大的值，意味著天線展開緩慢、陣子數增多、縱向尺寸變長。圖中的虛線為最佳增益曲線，

12、對于給定的增益值，按最佳增益曲線設計時得到的比例因子最小，也即陣子數最少、天線縱向尺寸最短。圖中下半部分給出了當陣子數在1247范圍內變化時，天線的最大增益曲線。3） 極化特性線極化天線，水平架設時是水平極化天線，垂直架設時是垂直極化天線。4） 帶寬對數周期陣子陣天線的工作帶寬大致由最長陣子和最短陣子尺寸決定，即：例：設計一個對數周期陣子陣天線，工作頻率為200600MHz，設計增益為9dB。由增益圖可得最佳設計參數為：，工作下限頻率對應的波長為：，最長陣子的長度為：工作上限頻率對應的波長為：最短陣子的長度為：由可得各陣子的長度為：，。由于已經短于頻率上限對應的最短陣子的長度，因此陣列長度終止于。由得到相鄰陣子間隔為：，。在高頻端追加4個陣子，便得到18個單元的對數周期陣子陣天線，如下圖（