第4章非频变天线分析.ppt

第4章非频变天线分析
非频变天线的根本概念
研究天线除了要分析、研究天线的方向特性和阻抗特性外，还应考虑它的使用带宽问题。现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性，以扩频通信为例，扩频信号带宽较之原始信号带宽远远超过10倍，再如通信侦察等领域均要求天线具有很宽的带宽。
习惯上，假设天线的相对带宽达百分之几十以上，那么把这类天线称为宽频带天线。假设天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内〔例如频带宽度为10∶1或更高〕保持不变或稍有变化，那么把这一类天线称为非频变天线(FrequencyIndependent Antenna)。
非频变天线概念是由拉姆西〔〕于1957年提出的，使天线的开展产生了一个打破，可将带宽扩展到超过40∶1，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性的天线其带宽不超过2∶1。我们已经知道，天线的电性能取决于它的电尺寸，所以当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，因此天线的性能也将随之变化。非频变天线的导出基于相似原理。相似原理是说：假设天线的所有尺寸和工作频率〔或波长〕按一样比例变化，那么天线的特性保持不变。对于实用的天线，要实现非频变特性必须满足以下两个条件。
1. 角度条件
角度条件是指天线的几何形状仅仅由角度来确定，而与其它尺寸无关。例如无限长双锥天线就是一个典型的例子，由于锥面上只有行波电流存在，故其阻抗特性和方向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件〞，天线构造需从中心点开场一直扩展到无限远。
2. 终端效应弱
实际天线的尺寸总是有限的，与无限长天线的区别就在于它有一个终端的限制。假设天线上电流衰减得快，那么决定天线辐射特性的主要局部是载有较大电流的局部，而其延伸局部的作用很小，假设将其截除，对天线的电性能不会造成显著的影响。在这种情况下，有限长天线就具有无限长天线的电性能，这种现象就是终端效应弱的表现，反之那么为终端效应强。
由于实际构造不可能是无线长，使得实际有限长天线有一工作频率范围，工作频率的下限是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在频率上限是由于馈电端不能再视为一点，通常约为1/8高端截止波长。
非频变天线可以分成两类，一类天线的形状仅由角度来确定，可在连续变化的频率上得到非频变特性，如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。
另一类天线的尺寸按某一特定的比例因子τ变化，天线在f和τf两频率上的性能是一样的，当然，在从f到τf的中间频率上,天线性能是变化的，只要f与τf的频率间隔不大，在中间频率上，天线的性能变化也不会太大，用这种方法构造的天线是宽频带的。这种构造的一个典型例子是对数周期天线。非频变天线主要应用于10～10000MHz频段的诸如电视、定点通信、反射面和透镜天线的馈源等方面。
平面等角螺旋天线
平面等角螺旋天线的构造和工作原理
图4―2―1为平面等角螺旋天线(Planar Equiangular Spiral Antenna)示意图，，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。等角螺旋线如图4―2―2所示，其极坐标方程为
〔4―2―1〕
式中，r为螺旋线矢径；φ为极坐标中的旋转角；r0为φ＝0°时的起始半径；1/a为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。
由于螺旋线与矢径之间的夹角Ψ处处相等，因此这种螺旋线称为等角螺旋线，Ψ称为螺旋角，它只与螺旋率有关，即
〔4―2―2〕