1、天线天线 与电波传播与电波传播3.1 行波天线行波天线 前面讲的振子型天线, 其上电流为驻波分布, 如对称振子的电流分布为 I(z)=Im sin(h-z)= 式中, 第一项表示从馈电点向导线末端传输的行波; 第二项表示从末端反射回来的从导线末端向馈电点传输的行波; 负号表示反射系数为1。 当终端不接负载时, 来自激励源的电流将在终端全部被反射。这样, 振幅相等、传输方向相反的两个行波叠加就形成了驻波。凡天线上电流分布为驻波的均称为驻波天线。驻波天线是双向辐射的, 输入阻抗具有明显的谐振特性, 因此, 一般情况下工作频带较窄。 )(2zjzjhjmeeejI第第3章章 宽带天线宽带天线(3-1
2、-1)天线天线 与电波传播与电波传播 如果天线上电流分布是行波, 则此天线称为行波天线。 通常, 行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成, 如图3-1-1 所示。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线等, 它们都具有较好的单向辐射特性、较高的增益及较宽的带宽, 因此在短波、 超短波波段都获得了广泛的应用。 但由于部分能量被负载吸收, 所以天线效率不高。 1. 行波单导线天线的方向图行波单导线天线的方向图 若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: I(z)=I0 e jz (3-1-2)忽略地面的影响, 行波天线的辐射场为天线天线 与电波传播与电波传播图 3-1-1 行波
3、天线 匹配负载rlI(z)天线天线 与电波传播与电波传播经积分得)cos1(210cos)1 (2sincos1sin60rjelrIjE因而, 单根行波单导线的方向函数为cos1cos)1 (2sinsinlF 由图 3-1-2可见, 行波天线是单方向辐射的, 但其最大辐射方向随电长度l/的变化而变化, 旁瓣电平较高且瓣数较多, 与其它类型天线相比, 相对其电尺寸而言增益是不高的。 但这些不足可以利用排阵的方法来进行改善。 当天线较长时, 行波天线的最大辐射方向可近似由下式确定: (3-1-3)(3-1-4)天线天线 与电波传播与电波传播图 3-1-2 l=4和8时行波单导线方向图 1.04
4、08 2.0816 3.1224 4.1632 1.1902 2.3803 3.5705 4.7607 5.9508(a)(b)12033030 60150240 2100901802703001203303060150240 210090180270300天线天线 与电波传播与电波传播因此, 有cosm= l 21 由上式可见, 当l/较大, 工作波长改变时, 最大辐射方向m变化不大。 2. V形天线和菱形天线形天线和菱形天线 用两根行波单导线可以组成V形天线。对于一定长度l/的行波单导线, 适当选择张角2, 可以在张角的平分线方向上获得最大辐射, 如图 3-1-3 所示。 由于l/较大时,
5、 工作波长改变而最大辐射方向m变化不大, 因此V形天线具有较好的方向图宽频带特性和阻抗宽频带特性。由于其结构及架设特别简单, 特别适应于短波移动式基站中。 天线天线 与电波传播与电波传播图 3-1-3 V形天线(l/=10, =15)匹配负载lmmRl/2Rl/2天线天线 与电波传播与电波传播 目前, 另一种被广泛应用于短波通信和广播、超短波散射通信的行波天线是由四根行波单导线连接成菱形的天线。它可以看成是由两个V形天线在开口端相连而成, 其工作原理与V形天线相似。载有行波电流的四个臂长相等, 它们的辐射方向图完全相同, 如图3-1-4所示。适当选择菱形的边长和顶角2, 可在对角线方向获得最大
6、辐射。天线天线 与电波传播与电波传播图 3-1-4 菱形天线及其平面方向图合成方向图馈电吸收电阻H2天线天线 与电波传播与电波传播3.2 螺旋天线螺旋天线 将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线。 通常它带有金属接地板（或接地网栅）, 由同轴线馈电, 同轴线的内导体与螺旋线相接, 外导体与接地板相连, 其结构如图3-2-1所示。螺旋天线是常用的圆极化天线。 螺旋天线的参数有: 螺旋直径d=2b;螺距h; 圈数N; 每圈的长度c; 螺距角; 轴向长度L。 天线天线 与电波传播与电波传播图 3-2-1 螺旋天线 L接地板同轴线dc天线天线 与电波传播与电波传播这些几何参数之间的关系为 c2
7、=h2+(d)2 =arctan L=Nh螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径有密切关系: d/0.18时, 天线的最大辐射方向在与螺旋轴线垂直的平面内, 称为法向模式, 此时天线称为法向模式天线, 如图 3-2-2(a)所示。 dh(3-2-1)天线天线 与电波传播与电波传播（a） (b) (c)图 3-2-2 螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系天线天线 与电波传播与电波传播 当d/0.250.46 时, 即螺旋天线一圈的长度c在一个波长左右的时候, 天线的辐射方向在天线的轴线方向, 此时天线称为轴向模式天线, 如图3-2-2 (b)所示。 当d/0.5时, 天线的最大辐射方向偏离轴线分裂成两个
8、方向, 方向图呈圆锥形状, 如图3-2-2 (c)所示。 1. 法向模螺旋天线法向模螺旋天线 由于法向模螺旋天线的电尺寸较小, 其辐射场可以等效为电基本振子与磁基本振子辐射场的叠加, 且它们的电流振幅相等, 相位相同, 如图3-2-3(a)所示。 每一圈螺旋天线的辐射场为 E=aE+aE(3-2-2)天线天线 与电波传播与电波传播 图 3-2-3 法向模螺旋天线的辐射特性分析(a) 电基本振子与磁基本振子的组合;(b) E面方向图(a)hzdI(b)z天线天线 与电波传播与电波传播 式中, E和E分别是电基本振子与磁基本振子的辐射场。 N圈螺旋天线的辐射场为 式中, 为相移常数。设螺旋线上的波
9、长缩短系数为n1, 则 =n1k= (3-2-4)由于E和E的时间相位差为/2, 所以法向模螺旋天线的辐射场是椭圆极化波, 呈边射型, 方向图呈“8”字形, 如图3-2-3 (b)所示, 只有当E=E即h=kb2时, 螺旋天线辐射圆极化波。 sin)(4200bkajhareINwuErj21n(3-2-3)天线天线 与电波传播与电波传播 法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低, 主要用于超短波手持式通信机。 2. 轴向模螺旋天线轴向模螺旋天线 当d/0.250.45 时, 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长, 此时天线上的电流呈行波分布, 则天线的辐射场呈圆极化, 其最大辐射方向沿轴线方向。 由
10、于螺旋天线的螺距角较小, 可将一圈螺旋线看作是平面圆环, 设一圈的周长等于。假设在t1时刻环上的电流分布如图3-2-4(a)所示, A、B、 C、D是圆环上的四个对称点, 它们的电流幅度相等, 方向沿圆环的切线方向。 因此每点的电流均可分解为x分量和y分量, 且有天线天线 与电波传播与电波传播图 3-2-4 平面环的瞬时电流分布(a)(b)DCBBDCAxAyl 天线天线 与电波传播与电波传播 IAx=IBx ICx=IDx 在t1时刻, x方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而y方向的电流在轴向的辐射同相叠加, 即 E=ayE 假设在t2=t1+T/4时刻环上的电流分布如图3-2-4(b)所示
11、, A、 B、 C、 D四个对称点上的电流发生了变化, 每点的电流仍可分解为x分量和y分量, 且有IAy=IByICy=IDy(3-2-5)(3-2-6)(3-2-7)天线天线 与电波传播与电波传播 可见在t2 时刻, y方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而x方向的电流在轴向的辐射同相叠加, 即 E=axE通过以上的讨论可以得出以下结论: 经过四分之一周期后, 轴向辐射场由y方向变为x方向, 即场矢量旋转了90, 但振幅不变。 依次类推, 经过一个周期的时间, 电场矢量将连续地旋转360, 从而形成了圆极化波。 螺旋天线可等效为N个相似元（平面圆环）组成的天线阵, 要使整个螺旋天线在轴向获得最
12、大辐射, 则必须使相邻两圈上对应点的电流在轴向产生的场相位差2, 即(3-2-8)天线天线 与电波传播与电波传播 l-kh=2式中,l为相邻两圈上对应点的电流的相位差; kh为相邻两圈上对应点在轴向的波程差。 若按式（3-2-9）来选取l和h, 可使相邻两圈上对应点的电流在轴向产生的场相位差2, 这样天线各圈的场在轴向同相叠加, 因而在此方向有最大辐射, 但此时方向系数不是最大。 要使螺旋天线在轴向获得最大辐射且方向系数最大, 根据强方向性端射阵条件, 天线的第一圈和最后一圈沿轴向产生的辐射场的相位差应等于, 即l-kh=2+ N(3-2-9)(3-2-10)天线天线 与电波传播与电波传播所以
13、有)2(11Nhnl 若按式（3-2-11）来选取l和h, 天线在轴向获得最大辐射且方向系数最大, 但不能得到理想的圆极化, 不过当N较大时, 式（3-2-11）与（3-2-9）差别不大, 此时辐射场接近圆极化。 由式（3-2-11）还可以看到: 当工作波长增大或变短时, 波长缩短系数也随之增大或变小, 结果使等式的右边几乎不变, 从而使螺旋天线在一定的带宽内自动调整来满足获得最大方向系数的条件。 由于在轴向辐射螺旋天线上电流接近纯行波分布, 所以在一定的带宽内, 其阻抗变化也不大, 且基本接近纯电阻。另外, 它仅在末端有很小的反射。 (3-2-11)天线天线 与电波传播与电波传播3.3 宽宽
14、 频频 带带 天天 线线 在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 按工程上的习惯用法, 若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化, 就可称为宽频带天线; 若天线能在更大频程范围内（比如fmax/fmin10）工作, 而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时, 就称为非频变天线。 1. 非频变天线的条件非频变天线的条件 由前面的分析可知: 驻波天线的方向图和阻抗对天线电尺寸的变化十分敏感。 能否设计一种天线, 当工作频率变化时, 天线的尺寸也随之变化, 即保持电尺寸不变, 则天线能在很宽频带范围内保持相同的辐射特性, 这就是非频变特性。 事
15、实上, 天线只要满足以下两个条件, 就可以实现非频变特性。 天线天线 与电波传播与电波传播 (1) 角度条件 天线的形状仅取决于角度, 而与其它尺寸无关， 即 r=r0ea (3-3-1)换句话说, 当工作频率变化时, 天线的形状、 尺寸与波长之间的相对关系不变, 如图 3-3-1所示。 (2) 终端效应弱 实际天线的尺寸总是有限的, 有限尺寸的结构不仅是角度的函数, 也是长度的函数。 因此,当天线为有限长时, 是否具有近似无限长时的特性, 是能否构成实际的非频变天线的关键。 天线天线 与电波传播与电波传播图 3-3-1 平面等角螺旋天线rr0天线天线 与电波传播与电波传播 如果天线上电流衰减
16、很快, 则决定天线辐射特性的主要是载有较大电流的那部分, 而其余部分作用较小, 若将其截去, 对天线的电性能影响不大, 这样有限长天线就具有近似无限长天线的电性能, 这种现象就称为终端效应弱。 终端效应强弱取决于天线的结构。 满足上述两条件, 即构成非频变天线。 非频变天线分为两大类: 等角螺旋天线和对数周期天线。 2. 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 如图3-3-2所示是由两个对称臂组成的平面等角螺旋天线, 它可看成是一变形的传输线, 两个臂的四条边由下述关系确定:天线天线 与电波传播与电波传播图 3-3-2 平面等角螺旋天线 天线天线 与电波传播与电波传播r=r0 e a, r=r0ea
17、(), r=r0ea(), r=r0e a() 在螺旋天线的始端由电压激励激起电流并沿两臂传输。 当电流传输到两臂之间近似等于半波长区域时, 便在此发生谐振, 并产生很强的辐射, 而在此区域之外, 电流和场很快衰减。 当增加或降低工作频率时, 天线上有效辐射区沿螺旋线向里或向外移动, 但有效辐射区的电尺寸不变, 使得方向图和阻抗特性与频率几乎无关。 实验证明: 臂上电流在流过约一个波长后迅速衰减到20dB以下, 因此其有效辐射区就是周长约为一个波长以内的部分。 天线天线 与电波传播与电波传播 平面等角螺旋天线的辐射场是圆极化的, 且双向辐射即在天线平面的两侧各有一个主波束, 如果将平面的双臂等
18、角螺旋天线绕制在一个旋转的圆锥面上, 则可以实现锥顶方向的单向辐射, 且方向图仍然保持宽频带和圆极化特性。平面和圆锥等角螺旋天线的频率范围可以达到20倍频程或者更大。 式（3-3-1）又可写为如下形式: = 因此， 等角螺旋天线又称为对数螺旋天线。 下面介绍另一类非频变天线对数周期天线。 3. 对数周期天线对数周期天线 (1) 齿状对数周期天线)ln(10rra(3-3-2)天线天线 与电波传播与电波传播 对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状, 如图 3-3-3 所示, 齿是不连续的, 其长度是由原点发出的两根直线之间的夹角所决定, 相邻两个齿的间隔是按照等角螺旋天线设计中相邻导体之间的距
19、离设计的, 即 对于无限长的结构, 当天线的工作频率变化倍, 即频率从f变到f, 2f, 3f 时, 天线的电结构完全相同, 因此在这些离散的频率点f, f, 2f 上具有相同的电特性, 但在ff、 f2f 等频率间隔内, 天线的电性能有些变化, 但只要这种变化不超过一定的指标, 就可认为天线上基本上具有非频变特性。 )1(2)2(0)(01的常数小于aaanneererrr天线天线 与电波传播与电波传播图 3-3-3 平面对数周期天线rnrn1天线天线 与电波传播与电波传播 由于天线性能在很宽的频带范围内以 为周期重复变化, 所以称为对数周期天线。 实际上, 天线不可能无限长, 而齿的主要作
20、用是阻碍径向电流。实验证明: 齿片上的横向电流远大于径向电流, 如果齿长恰等于谐振长度（即齿的一臂约等于4）时, 该齿具有最大的横向电流, 且附近的几个齿上也具有一定幅度的横向电流, 而那些齿长远大于谐振长度的各齿, 其电流迅速衰减到最大值的30 dB以下, 这说明天线的终端效应很弱, 因此有限长的天线近似具有无限长天线的特性。 (2) 对数周期偶极子天线 对数周期偶极子天线是由N个平行振子天线的结构依据下列关系设计的: 1ln天线天线 与电波传播与电波传播 其中, l表示振子的长度; d表示相邻振子的间距; r表示由顶点到振子的垂直距离。 其结构如图 3-3-4 所示, 天线的几何结构主要取
21、决于参数、 和, 它们之间满足下列关系:rddrrllnnnnnn111nnrla tanarldanntan414(3-3-3)(3-3-4)(3-3-5)天线天线 与电波传播与电波传播图 3-3-4 对数周期偶极子天线阵N2n21Rl2l1rn1rndnddn 1天线天线 与电波传播与电波传播 N个对称振子天线用双线传输线馈电, 且两相邻振子交叉连接。 当天线馈电后, 能量沿双绞线传输, 当能量行至长度接近谐振长度的振子, 或者说振子的长度接近于半波长时, 由于发生谐振, 输入阻抗呈现纯电阻, 所以振子上电流大, 形成较强的辐射场, 我们把这部分称为有效辐射区, 有效区以外的振子, 由于离谐振长度较远, 输入阻抗很大, 因而其上电流很小, 它们对辐射场的贡献可以忽略。 当天线工作频率变化时, 有效辐射区随频率的变化而左右移动, 但电尺寸不变, 因而, 对数周期天线具有宽频带特性, 其频带范围为10或者是15倍频程。目前, 对数周期天线在超短波和短波波段获得了广泛应用。 对数周期天线是端射型的、线极化天线, 其最大辐射方向是沿连接各振子中心的轴线指向短振子方向, 电场的极化方向平行于振子方向。
