天线原理与设计—第五章行波天线和宽带天线.ppt

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1、五、行波天线和宽带天线5.1行波天线驻波天线电流为驻波分布驻波天线输入阻抗具有明显的谐振特性，通常工作频带较窄行波天线天线上反射波不强，电流为行波分布通常由导线末端接匹配负载来消除反射波天线通常很长，大部分能量辐射，到达负载功率很小5.1行波天线忽略沿线电流衰减（幅度恒定），行波天线上电流为行波天线辐射场为方向函数为行波天线相当于均匀线电流的辐射5.1行波天线不同长度的行波天线辐射方向图也不同，下图为长度为5λ的行波天线的辐射方向图：行波天线的特性点：1)主瓣指向相位滞后的方向。2)天线(电长度)越长，主瓣越尖锐、越向天线轴靠拢，且副瓣越多。5.1行波天线方向函数为当行

2、波天线较长时（l/λ较大）：波瓣最大方向约为当5.1行波天线方向函数为当行波天线较长时（l/λ较大）：波瓣零点方向为当5.1行波天线行波天线的输入阻抗以实数为主，在低损耗传输线上，其输入阻抗等于传输线的特性阻抗行波天线的终端负载阻抗为接近地面导线的特性阻抗a为导线半径，H为导线离地高度行波天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，也等于终端负载阻抗5.1行波天线实际应用：菱形天线菱形天线的带宽可达3:1，增益高，前后比大，频率降低时主瓣仰角加大，适合短波通信。但副瓣多且大（最大可达1/3主瓣），效率约60-70。5.2双锥天线理想双锥（无限长）天线如图所示，假设电场只有θ

3、方向，主模为TEM模。则麦氏方程组在球坐标系下可展开为5.2双锥天下双锥天线的辐射方向图电压和电流可由电场、磁场积分得到：5.2双锥天线无限长双锥的特性阻抗为：特性阻抗与r无关，输入阻抗等于特性阻抗，且为纯电阻5.2双锥天线双锥天线输入阻抗与锥角的关系5.2双锥天线辐射电阻辐射电阻与输入电阻相同5.2双锥天线有限大的双锥有限双锥可以看成是一段特性阻抗为ZC的传输线终端接有负载ZL。传输线上的波一部分被反射，其余被吸收（辐射到空间）。5.2双锥天线有限大的双锥的变形结构5.3非频变天线非频变天线是指天线的特性（方向图、阻抗、极化和增益等）不随频率变化，因此具有无限宽的带宽

4、。理想的非频变天线是不存在的，实际中实际把带宽大于10：1的天线称为非频带天线，即超宽带天线。5.3非频变天线VictorH.Rumsey于上个世纪50年代发展了非频带天线的概念设计思路：a)若天线的形状只有角度来决定b)弱终端效应c)自补结构5.3非频变天线理想的非频变天线需要满足上述三种特征。现实中，设计非频变天线时要突出这些特征，但不一要定严格。非频变天线的一个突出特征：自比例特征。大部分辐射发生在天线的宽度为半个波长或周长的一个波长范围，称为有效作业区。频率下降时，有效作业区移像尺寸较大的部分，反之亦然。角度条件、自补结构和弱终端效应特征使得天线在频率变化时可以

5、自动调整电流区域。5.3非频变天线自补天线通过平移或者旋转手段，可精确的覆盖天线的互补结构根据互补结构，天线和互补天线的阻抗满足自补天线的阻抗满足5.3非频变天线5.3.1拉姆西形状方程推导设天线设计的曲线为若频率改变时，只是φ旋转了β角，而新天线与原天线形状不变，则可获得其特性与频率无关的天线，为此，φ变为φ+β时，其r仍满足同一方程，只是r增加或减小K倍，即：两边对β,φ微分5.3非频变天线因β与φ无关，又有：5.3非频变天线上述理论1955年开始出现，但到1959年才提出一种等角螺旋天线，其形状由下列公式确定：式中K为沿r方向增加的倍数，β为r增加K倍对应的φ增加

6、的角度。上式中a对于确定的天线为一常数并且为，ψ为曲线的切线与r的夹角。对于不同的天线a不同，表示曲线旋绕的松紧程度不同。5.3非频变天线5.3.2平面等角螺旋天线螺旋臂1：螺旋臂2：有螺线臂1各自旋转180度：为使螺线臂与臂间缝隙形成自补结构，取：5.3非频变天线对平面等角螺旋天线带宽的讨论1）天线特性要完全与频率无关，要求结构无限大，实际不可能做到。2）不过，螺旋臂上的电流随着臂的扩张而随指数衰减（弱终端效应），在电流衰减到很小时截断，影响不大，因此实际尺寸的天线的带宽仍然很大。5.3非频变天线对平面等角螺旋天线带宽的讨论最低频率对应于最高频率对应于取a=0.221

7、的一圈半的螺旋即获得8:1的带宽5.3非频变天线等角螺旋天线的辐射方向图1）主辐射方向在发向，方向图接近cosθ，主瓣宽度约90度。天线臂比波长短得多的时候，辐射线极化；当天线臂接近或大于波长时，为圆极化波。3）当频率从f1变到f2时，方向图几乎不变，只是绕法线旋转一个角度：5.3非频变天线5.3.3阿基米德螺旋天线曲线方程：双臂：5.3非频变天线阿基米德螺旋天线的特点1）虽然阿基米德螺旋天线可以在很宽频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线，因为电流在工作区后不明显减小，因而不能满足截断要求，必须在末端加载，以避免波的反射。2）阿基米德