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1、天线与电波传播第五章天线与电波传播第五章5.1 引言引言前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的前两章讨论的中心馈电对称振子上的电流幅度电流幅度电流幅度电流幅度l均匀分布（常数）电基本振子（电流元）（均匀分布（常数）电基本振子（电流元）（均匀分布（常数）电基本振子（电流元）（均匀分布（常数）电基本振子（电流元）（）l线性分布（三角分布）短对称振子（线性分布（三角分布）短对称振子（线性分布（三角分布）短对称振子（线性分布（三角分布）短对称振子（）l正弦分布长对称振子（正弦分布长对称振子（正弦分布长对称振子（正弦分布长对称振子（）电流的电流的
2、电流的电流的相位分布相位分布相位分布相位分布均为均匀分布（常数）。对称振子均为均匀分布（常数）。对称振子均为均匀分布（常数）。对称振子均为均匀分布（常数）。对称振子天线由终端开路的长线张开而成，终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成，终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成，终端开路的长线天线由终端开路的长线张开而成，终端开路的长线天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的合成（终端电流为零波节点，终端电压最大波合成（终端电流为零波节点，终端电压最大波合成
3、（终端电流为零波节点，终端电压最大波合成（终端电流为零波节点，终端电压最大波腹点）。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点）。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点）。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数腹点）。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数倍重复，零点和最大值点的间隔是倍重复，零点和最大值点的间隔是倍重复，零点和最大值点的间隔是倍重复，零点和最大值点的间隔是5.1 引言引言【非频变天线的分类非频变天线的分类非频变天线的分类非频变天线的分类】天天天天线线线线的的的的形形形形状状状状仅仅仅仅由由由由角角角角度度度度来来来来确确确确定定定定，可可在在连连续续变变化化的的频频率率上上得得到
4、到非非频频变变特特性性。如如无无限限长长双双锥锥天天线线、平平面面等等角角螺螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。旋天线以及阿基米德螺旋天线等。天天天天线线线线的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸按按按按某某某某一一一一特特特特定定定定的的的的比比比比例例例例因因因因子子子子 变变变变化化化化，天天线线在在f f和和f f 两两频频率率上上的的性性能能是是相相同同的的，在在从从 f f 到到f f 的的中中间间频频率率上上，天天线线性性能能是是变变化化的的，只只要要 f f 与与f f 的的频频率率间间隔隔不不大大，在在中中间间频频率率上上，天天线线的的性性能能变变化化也也不不会会太太大大，用用这这种种方方法法
5、构构造造的的天天线线是是宽宽频频带带的的。这这种种结结构构的的一一个个典典型例子是对数周期天线。型例子是对数周期天线。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【天线结构天线结构天线结构天线结构】由两个臂构成，双臂用金属片制成，由两个臂构成，双臂用金属片制成，由两个臂构成，双臂用金属片制成，由两个臂构成，双臂用金属片制成，具有圆对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角具有圆对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角具有圆对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角具有圆对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过
6、印刷电路技术腐蚀在介质板材上。螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线等角螺旋线等角螺旋线等角螺旋线等角螺旋线极坐标方程为极坐标方程为极坐标方程为极坐标方程为l l 为螺旋线矢径；为螺旋线矢径；为螺旋线矢径；为螺旋线矢径；l l 为极坐标中的旋转角；为极坐标中的旋转角；为极坐标中的旋转角；为极坐标中的旋转角；l l 为为为为 时的起始半径；时的起始半径；时的起始半径；时的起始半径；l l 为螺旋率，决定螺旋线为螺旋率，决定螺旋线为螺旋率，决定螺旋线为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。张开的快慢。张开的快慢。张开的快慢。称称称称为为为为螺螺螺螺旋旋旋旋角角
7、角角，由由由由于于于于螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线与与与与矢矢矢矢径径径径之之之之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角 处处处处处处处处相相相相等等等等，因因因因此此此此这这这这种种种种螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线称称称称为为为为等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线，它它它它只只只只与与与与螺螺螺螺旋率有关。旋率有关。旋率有关。旋率有关。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具有相同的有相同的有相同的有相同的 。如果取如果取如果取如果取 ，天线的金属臂与两臂之间的，天
8、线的金属臂与两臂之间的，天线的金属臂与两臂之间的，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为空气缝隙是同一形状，称为空气缝隙是同一形状，称为空气缝隙是同一形状，称为自补结构自补结构自补结构自补结构。若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程若第一条边缘等角螺旋线方程将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转将第一条等角螺旋线旋转 角角角角等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天线第一个臂线第一个臂线第一个臂线第一个臂将第一个臂将第一个臂将第一个臂将第一个臂旋转旋转旋转旋转180180等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天等角螺旋天线第二
9、个臂线第二个臂线第二个臂线第二个臂5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【工作原理工作原理工作原理工作原理】由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。状的要求。状的要求。状的要求。当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一
10、对对对对变形的传输线变形的传输线变形的传输线变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。实验表明实验表明实验表明实验表明，臂上电流在流过约，臂上电流在流过约，臂上电流在流过约，臂上电流在流过约一个波长一个波长一个波长一个波长后就迅速衰减到后就迅速衰减到后就迅速衰减到后就迅速衰减到 20dB 20dB以下，以下，以下，以下，终端效应很弱终端效应很弱终端效应很弱终端效应很弱。【电流截断效应电流截断效应电流截断效应电流截断效应】辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生辐射
11、场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生的，这个部分通常称为的，这个部分通常称为的，这个部分通常称为的，这个部分通常称为有效辐射区有效辐射区有效辐射区有效辐射区，传输行波电流。，传输行波电流。，传输行波电流。，传输行波电流。螺旋天线存在螺旋天线存在螺旋天线存在螺旋天线存在“电流截断效应电流截断效应电流截断效应电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部，超过截断点的螺旋线部，超过截断点的螺旋线部，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留分对辐射没有重大贡献，在几何上截
12、去它们将不会对保留分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留部分的电性能造成显著影响，因而，部分的电性能造成显著影响，因而，部分的电性能造成显著影响，因而，部分的电性能造成显著影响，因而，可以用有限尺寸的等可以用有限尺寸的等可以用有限尺寸的等可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长
13、成比例地变波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。性。性。性。馈电馈电馈电馈电装置装置装置装置5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【方向性方向性方向性方向性】自自自自补补补补平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线的的的的辐辐辐辐射射射射是是是是双双双双向向向向的的的的，最最最最大大大大辐辐辐辐射射射射方方
14、方方向向向向在在在在平平平平面面面面两两两两侧侧侧侧的的的的法法法法线线线线方向方向方向方向上上上上。为为为为天天天天线线线线平平平平面面面面的的的的法法法法线线线线与与与与射射射射线线线线之之之之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角，则则则则方方方方向向向向图图图图可可可可近近近近似似似似表表表表示示示示为为为为 ,半半半半功率波瓣宽度功率波瓣宽度功率波瓣宽度功率波瓣宽度近似为近似为近似为近似为 。平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线是是是是双双双双向向向向辐辐辐辐射射射射的的的的，为为为为了了了了得得得得到到到到单单单单向向向向辐辐辐辐射射射射，可可可可采采采采用用
15、用用附附附附加加加加反反反反射射射射（或或或或吸吸吸吸收收收收）腔腔腔腔体体体体，也也也也可可可可以以以以做做做做成成成成圆圆圆圆锥锥锥锥形形形形等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线(Conical(Conical Equiangular Equiangular Spiral Antenna)Spiral Antenna)圆锥圆锥圆锥圆锥形等形等形等形等角螺角螺角螺角螺旋天旋天旋天旋天线线线线5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【阻抗特性阻抗特性阻抗特性阻抗特性】互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质互补天线的阻抗具有下列性质:对于对于对
16、于对于 的自补天线的自补天线的自补天线的自补天线5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【极化特性极化特性极化特性极化特性】一一一一般般般般平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线在在在在 的的的的锥锥锥锥形范围内接近形范围内接近形范围内接近形范围内接近圆极化。圆极化。圆极化。圆极化。天天天天线线线线有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射区区区区内内内内的的的的每每每每一一一一段段段段螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线都都都都是是是是基基基基本本本本辐辐辐辐射射射射单单单单元元元元，但但但但它它它它们们们们的的的的取取取取向向向向沿沿沿沿螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线变变变变化化化化，总总总
17、总的的的的辐辐辐辐射射射射场场场场是是是是这这这这些些些些单单单单元元元元辐辐辐辐射射射射场场场场的的的的叠叠叠叠加加加加，因因因因此此此此等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线轴轴轴轴向向向向辐射场的辐射场的辐射场的辐射场的极化极化极化极化与与与与臂长臂长臂长臂长相关：相关：相关：相关：当当当当频频频频率率率率很很很很低低低低，全全全全臂臂臂臂长长长长比比比比波波波波长长长长小小小小得得得得多多多多时时时时，为为为为线线线线极极极极化化化化；当当当当频频频频率率率率增增增增高高高高时时时时，最最最最终终终终会会会会变变变变成成成成圆极化。圆极化。圆极化。圆极化。极极极极化化化化旋旋
18、旋旋向向向向与与与与螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线绕绕绕绕向向向向有有有有关关关关。例例例例如如如如，图图图图示示示示平平平平面面面面等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线沿沿沿沿纸纸纸纸面面面面对对对对外外外外的的的的方方方方向向向向辐辐辐辐射射射射右右右右旋旋旋旋圆圆圆圆极极极极化化化化波波波波，沿沿沿沿相相相相反反反反方方方方向向向向辐射左旋圆极化波。辐射左旋圆极化波。辐射左旋圆极化波。辐射左旋圆极化波。5.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线【工作带宽工作带宽工作带宽工作带宽】等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线的的的的工工工工作作作作带带带带宽宽宽宽受受受受其其其其几
19、几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸影影影影响响响响，由由由由内内内内半半半半径径径径 和和和和最最最最外外外外缘缘缘缘的的的的半半半半径径径径 决决决决定定定定。实实实实际际际际的的的的圆圆圆圆极极极极化化化化等等等等角角角角螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线，外外外外径径径径 ，内内内内径径径径 。根根根根据据据据臂臂臂臂长长长长为为为为1.51.5圈圈圈圈3 3圈圈圈圈的的的的实实实实验验验验结结结结果果果果看看看看，当当当当 对对对对应应应应1.51.5圈螺旋时，其方向图最佳。圈螺旋时，其方向图最佳。圈螺旋时，其方向图最佳。圈螺旋时，其方向图最佳。内半径：内半径：内半径：内半径：该天线可具有的
20、相对带宽为该天线可具有的相对带宽为该天线可具有的相对带宽为该天线可具有的相对带宽为 若要增加相对带宽，必须增加螺旋线的圈数或改变其参数，相对带宽有可能达到201。外半径：外半径：外半径：外半径：5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线】由由由由若干个若干个若干个若干个一定宽度的阿基米一定宽度的阿基米一定宽度的阿基米一定宽度的阿基米德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋线为例，则他们螺旋线方程为
21、线为例，则他们螺旋线方程为线为例，则他们螺旋线方程为线为例，则他们螺旋线方程为两个：两个：两个：两个：四个：四个：四个：四个：5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【工作原理工作原理工作原理工作原理】近近近近似似似似地地地地将将将将螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线等等等等效效效效为为为为双双双双线线线线传传传传输输输输线线线线，根根根根据据据据传传传传输输输输线线线线理理理理论论论论，两两两两根根根根传传传传输输输输线线线线上上上上的的的的电电电电流流流流反反反反相相相相，当当当当两两两两线线线线之之之之间间间间的的的的间间间间距距距距很很很很小小小小时时时时，传传传传输输输输线不产生辐射。线不产生
22、辐射。线不产生辐射。线不产生辐射。因因因因此此此此表表表表面面面面看看看看，似似似似乎乎乎乎螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线的的的的辐辐辐辐射射射射是是是是彼彼彼彼此此此此抵抵抵抵消消消消的的的的，事事事事实实实实并并并并不尽然。不尽然。不尽然。不尽然。研究图中研究图中研究图中研究图中P P、P P 点处的两线段，点处的两线段，点处的两线段，点处的两线段，设设设设 ，即，即，即，即P P和和和和QQ为两臂上的对为两臂上的对为两臂上的对为两臂上的对应点，对应应点，对应应点，对应应点，对应P P、P P 线段上的电流相位线段上的电流相位线段上的电流相位线段上的电流相位差为差为差为差为 ，则，则P和和P点相
23、位差为点相位差为2。两线段的辐射是。两线段的辐射是同相叠加同相叠加5.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线【辐射特性辐射特性辐射特性辐射特性】天天天天线线线线主主主主要要要要辐辐辐辐射射射射是是是是集集集集中中中中在在在在周周周周长长长长约约约约等等等等于于于于 的的的的螺螺螺螺旋旋旋旋环环环环带带带带上上上上，称称称称之之之之为为为为有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射带带带带。随随随随着着着着频频频频率率率率的的的的变变变变化化化化，有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射带带带带也也也也随随随随之之之之变变变变化化化化，故故故故阿阿阿阿基基基基米德螺旋天线具有米德螺旋天线具有米德螺旋天线具有米德螺旋
24、天线具有宽频带特性宽频带特性宽频带特性宽频带特性。虽虽虽虽然然然然阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线天天天天线线线线可可可可以以以以在在在在很很很很宽宽宽宽频频频频带带带带上上上上工工工工作作作作，但但但但它它它它不不不不是是是是一一一一个个个个真真真真正正正正的的的的非非非非频频频频变变变变天天天天线线线线，因因因因为为为为电电电电流流流流在在在在工工工工作作作作区区区区后后后后不不不不明明明明显显显显减减减减小小小小，因因因因而而而而不不不不能能能能满满满满足足足足截截截截断断断断要要要要求求求求，通通通通常常常常在在在在末末末末端端端端加加加加载载载载，以避
25、免波的反射。以避免波的反射。以避免波的反射。以避免波的反射。通通通通过过过过在在在在螺螺螺螺旋旋旋旋平平平平面面面面一一一一侧侧侧侧装装装装置置置置圆圆圆圆柱柱柱柱形形形形反反反反射射射射腔腔腔腔构构构构成成成成背背背背腔腔腔腔式式式式阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线(Cavity(Cavity Backed Backed Archimedean Archimedean Spiral Spiral Antenna)Antenna)，可可可可得得得得到到到到单单单单一一一一主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。主瓣，它可以嵌装在运载体
26、的表面下。主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。阿阿阿阿基基基基米米米米德德德德螺螺螺螺旋旋旋旋天天天天线线线线具具具具有有有有宽宽宽宽频频频频带带带带、圆圆圆圆极极极极化化化化、尺尺尺尺寸寸寸寸小小小小、效效效效率率率率高高高高以以以以及及及及可可可可以以以以嵌嵌嵌嵌装装装装等等等等优优优优点点点点，故故故故目前其应用愈来愈广泛。目前其应用愈来愈广泛。目前其应用愈来愈广泛。目前其应用愈来愈广泛。5.4 对数周期天线对数周期天线【对对数数周周期期天天线线】（Log Log Periodic Periodic AntennAntenna a,LPALPA）于于19571957年年提提出出，是是非非频
27、频变变天天线线的的另另一一类类型型，它它基基于于相相似似概概念念：当当天天线线按按某某一一比比例例因因子子 变变换换后后仍仍等等于于它它原原来的结构，则天线的频率为来的结构，则天线的频率为 和和 时性能相同。时性能相同。对对数数周周期期天天线线有有多多种种型型式式，其其中中19601960年年提提出出的的对对数数周周期期振振子子阵阵天天线线（Log Log Periodic Periodic Dipole Dipole Antenna,Antenna,LPDALPDA），因因具具有有极极宽宽的的频频带带特特性性，而而且且结结构构比比较较简简单单，所所以以很很快快在在短短波波、超超短短波波和和微
28、微波波波波段段得得到到了了广广泛应用。泛应用。5.4 对数周期天线对数周期天线【天线结构天线结构】交叉馈电；交叉馈电；交叉馈电；交叉馈电；比例关系；比例关系；比例关系；比例关系；所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确定的比例关系。若用确定的比例关系。若用确定的比例关系。若用确定的比例关系。若用 来表示该来表示该来表示该来表示该比例因子比例因子比例因子比例因子，则有：，则有：，则有：，则有：振子长度振子长度振子长度振子长度 顶点到振子间距顶点到振子间距顶点到振子间距顶点到振子间距 振子粗细
29、振子粗细振子粗细振子粗细 对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙对阵振子中心馈电间隙5.4 对数周期天线对数周期天线相邻振子之间的距离比值相邻振子之间的距离比值相邻振子之间的距离比值相邻振子之间的距离比值 实用中常常用实用中常常用实用中常常用实用中常常用间隔因子间隔因子间隔因子间隔因子 ，它被定义为相邻两振，它被定义为相邻两振，它被定义为相邻两振，它被定义为相邻两振子间的距离子间的距离子间的距离子间的距离 与与与与2 2倍较长振子的长度倍较长振子的长度倍较长振子的长度倍较长振子的长度 之比，即之比，即之比，即之比，即由对数周期振子阵天线的由对数周期振子阵天线的由对数周期振
30、子阵天线的由对数周期振子阵天线的顶角顶角顶角顶角 有有有有5.4 对数周期天线对数周期天线对数周期振子阵天线的顶角对数周期振子阵天线的顶角对数周期振子阵天线的顶角对数周期振子阵天线的顶角 与与与与 及及及及 之间之间之间之间具有如下关系：具有如下关系：具有如下关系：具有如下关系：相邻相邻振子振子交叉交叉馈电馈电 集合线集合线5.4 对数周期天线对数周期天线在在集集合合线线的的末末端端(最最长长振振子子处处)可可以以端端接接与与它它的的特特性性阻阻抗抗相相等等的的负负载载阻阻抗抗，也也可可以以端端接接一一段段短短路路支支节节。适适当当调调节节短短路路支支节节的的长长度度，可可以以减减少少电电磁磁
31、波波在在集集合合线线终终端端的的反反射射。当当然然，在在最最长长振振子子处处也也可可以以不不端端接接任何负载，具体情况可由调试结果选定。任何负载，具体情况可由调试结果选定。对对数数周周期期振振子子阵阵天天线线的的馈馈电电点点选选在在最最短短振振子子处处。天天线线的的最最大大辐辐射射方方向向将将由由最最长长振振子子端端朝朝向向最最短短振振子子的这一边。的这一边。天天线线的的几几何何结结构构参参数数 与与 及及 对对天天线线电电性性能能有有着着重重要要的的影影响响，是是设设计计对对数数周周期期振振子子阵阵天天线线的的主主要要参数。参数。5.4 对数周期天线对数周期天线【工作原理工作原理】对数周期振
32、子阵天线具有极宽的工作带宽，达到对数周期振子阵天线具有极宽的工作带宽，达到1010 1 1或更宽。或更宽。天线的天线的方向特性、阻抗特性方向特性、阻抗特性等等都是天线等等都是天线电尺寸电尺寸的函的函数。如果设想当数。如果设想当工作频率工作频率按比例按比例 变化时，仍然保变化时，仍然保持天线的持天线的电尺寸不变电尺寸不变，则在这些频率上天线就能保，则在这些频率上天线就能保持持相同的电特性相同的电特性。即。即宽频带特性宽频带特性。工作频率工作振子电尺寸f1（1）第“1”个振子L1/1f3（3）第“3”个振子L3/3f2（2）第“2”个振子L2/25.4 对数周期天线对数周期天线 如果频率能保证如果
33、频率能保证如果频率能保证如果频率能保证 则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足如果频率满足如果频率满足如果频率满足如果频率满足电性能不变电性能不变电性能不变电性能不变满足满足满足满足如果取对数如果取对数如果取对数如果取对数5.4 对数周期天线对数周期天线 说明当工作频率的对数作周期性变化时说明当工作频率的对数作周期性变化时说明当工作
34、频率的对数作周期性变化时说明当工作频率的对数作周期性变化时(周期为周期为周期为周期为ln(1/ln(1/)，天线的电性能才保持不变，所以，把这种，天线的电性能才保持不变，所以，把这种，天线的电性能才保持不变，所以，把这种，天线的电性能才保持不变，所以，把这种天线称为对数周期天线。天线称为对数周期天线。天线称为对数周期天线。天线称为对数周期天线。然而在然而在然而在然而在 ，频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，天线的电特性自然会变化。天线的电特性自然会
35、变化。天线的电特性自然会变化。天线的电特性自然会变化。但如果但如果但如果但如果 取得十分接近于取得十分接近于取得十分接近于取得十分接近于1 1，则能满足以上要求的，则能满足以上要求的，则能满足以上要求的，则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。天线的工作频率就趋近连续变化。天线的工作频率就趋近连续变化。天线的工作频率就趋近连续变化。假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的工作频带就可以达到无限宽。工作频带就可以达到无限宽。工作频带就可以达到无限宽。工作频带就可以达到无
36、限宽。5.4 对数周期天线对数周期天线 对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，即即即即传输区传输区传输区传输区、辐射区辐射区辐射区辐射区和和和和非激励区非激励区非激励区非激励区。传输区：传输区：传输区：传输区：馈电点附近长度远小于馈电点附近长度远小于馈电点附近长度远小于馈电点附近长度远小于 的短阵子所在的区的短阵子所在的区的短阵子所在的区的短阵子所在的区域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而域，该区域阵子电长度很短，输入容抗
37、很大，因而域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经过该区域时衰减很小，主要起过该区域时衰减很小，主要起过该区域时衰减很小，主要起过该区域时衰减很小，主要起传输线传输线传输线传输线的作用。的作用。的作用。的作用。辐射区辐射区辐射区辐射区 长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵子处于谐振或准谐振状态，
38、电流激励较强，起主要子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，数一
39、般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，增益也越高。增益也越高。增益也越高。增益也越高。5.4 对数周期天线对数周期天线非辐射区非辐射区 辐射区后面的部分为非辐射区，由于集合线上传输的辐射区后面的部分为非辐射区，由于集合线上传输的能量绝大多数被辐射区的阵子吸收，传送到非激励区的能量能量绝大多数被辐射区的阵子吸收，传送到非激励区的能量很少，因此该区域激励电流很弱，阵子几乎处于未激励状态。很少，因此该区域激励电流很弱，阵子几乎处于未激励状态。非辐射区阵子激励电流迅速下降，存在电流截断效应，正是非辐射区阵子激励电流迅速下降，存在电流截断效应，正是这一点
40、，使得在一定的频率范围内有限大结构近似实现无限这一点，使得在一定的频率范围内有限大结构近似实现无限大结构时的电特性。大结构时的电特性。5.4 对数周期天线对数周期天线【电特性电特性电特性电特性】输入阻抗输入阻抗输入阻抗输入阻抗 集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗成分不大。成分不大。成分不大。成分不
41、大。方向图与增益系数方向图与增益系数方向图与增益系数方向图与增益系数 对数周期阵子阵天线为对数周期阵子阵天线为对数周期阵子阵天线为对数周期阵子阵天线为端射式天线端射式天线端射式天线端射式天线，最大辐射，最大辐射，最大辐射，最大辐射方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方向图随频率变化较小
42、，具有宽带特性。向图随频率变化较小，具有宽带特性。向图随频率变化较小，具有宽带特性。向图随频率变化较小，具有宽带特性。下表给出了天线下表给出了天线下表给出了天线下表给出了天线E E面、面、面、面、HH面半功率波瓣宽度与面半功率波瓣宽度与面半功率波瓣宽度与面半功率波瓣宽度与几何参数几何参数几何参数几何参数 及及及及 的关系。的关系。的关系。的关系。5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线 由表格可以看出，由表格可以看出，由表格可以看出，由表格可以看出，越大，辐射区阵子数越多，越大，辐射区阵子数越多，越大，辐射区阵子数越多，越大，辐射区阵子数
43、越多，方向性越强，方向图的半功率角就越小。方向性越强，方向图的半功率角就越小。方向性越强，方向图的半功率角就越小。方向性越强，方向图的半功率角就越小。对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等于方向系数，一般在于方向系数，一般在于方向系数，一般在于方向系数，一般在10dB10dB左右。左右。左右。左右。下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，它
44、是它是它是它是 和和和和 的二元函数。的二元函数。的二元函数。的二元函数。要得到高增益就要有较大的要得到高增益就要有较大的要得到高增益就要有较大的要得到高增益就要有较大的 值，意味着天线展开值，意味着天线展开值，意味着天线展开值，意味着天线展开缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子
45、佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子数最少、天线纵向尺寸最短。数最少、天线纵向尺寸最短。数最少、天线纵向尺寸最短。数最少、天线纵向尺寸最短。图中下半部分给出了当阵子数在图中下半部分给出了当阵子数在图中下半部分给出了当阵子数在图中下半部分给出了当阵子数在12471247范围内变化时，范围内变化时，范围内变化时，范围内变化时，天线的最大增益曲线。天线的最大增益曲线。天线的最大增益曲线。天线的最大增益曲线。5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线极化特性极化特性极化特性极化特性 线
46、极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂直架设时是垂直极化天线。直架设时是垂直极化天线。直架设时是垂直极化天线。直架设时是垂直极化天线。带宽带宽带宽带宽 对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵子和最短阵子尺寸决定。子和最短阵子尺寸决定。子和最短阵子尺寸决定。子和最短阵子尺寸决定。例：例：设计一个对数周期阵子阵天线，工作频率为设计一个对数周期阵子阵天线，工作频
47、率为200600MHz，设计增益为，设计增益为9dB。5.4 对数周期天线对数周期天线由增益图可得最佳设计参数为：由增益图可得最佳设计参数为：工作下限频率工作下限频率 对应的波长为：对应的波长为：最长阵子的长度为：最长阵子的长度为：工作下限频率工作下限频率 对应的波长为：对应的波长为：最短阵子的长度为：最短阵子的长度为：由由 可得各阵子的长度为：可得各阵子的长度为：5.4 对数周期天线对数周期天线 由于由于 已经短于频率上限对应的最短阵已经短于频率上限对应的最短阵子的长度，因此阵列长度终止于子的长度，因此阵列长度终止于 。由由 得到相邻阵子间隔为：得到相邻阵子间隔为：5.4 对数周期天线对数周
48、期天线在高频端追加在高频端追加在高频端追加在高频端追加4 4个阵子，便得到个阵子，便得到个阵子，便得到个阵子，便得到1818个单元的对数周个单元的对数周个单元的对数周个单元的对数周期阵子阵天线期阵子阵天线期阵子阵天线期阵子阵天线 5.4 对数周期天线对数周期天线集合线上电压分布集合线上电压分布集合线上电压分布集合线上电压分布5.4 对数周期天线对数周期天线各振子端口电流相对振幅分布各振子端口电流相对振幅分布各振子端口电流相对振幅分布各振子端口电流相对振幅分布5.4 对数周期天线对数周期天线由图可见由图可见由图可见由图可见当工作频率当工作频率当工作频率当工作频率 时，有效辐射区共有时，有效辐射区
49、共有时，有效辐射区共有时，有效辐射区共有5 5个阵子，个阵子，个阵子，个阵子，其中其中其中其中3 3个阵子上电流分布最强。个阵子上电流分布最强。个阵子上电流分布最强。个阵子上电流分布最强。当工作频率当工作频率当工作频率当工作频率 时，第时，第时，第时，第1414个阵子连同追加的个阵子连同追加的个阵子连同追加的个阵子连同追加的4 4个阵子构成了天线高端的辐射区。个阵子构成了天线高端的辐射区。个阵子构成了天线高端的辐射区。个阵子构成了天线高端的辐射区。其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。天线增益、方向图和阻抗天线增益、方向图和阻抗天线增益、方向图和阻抗天线增益、方向图和阻抗5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线5.4 对数周期天线对数周期天线对数周期天线的应用对数周期天线的应用对数周期天线的应用对数周期天线的应用