天线与电波 第四章

第4章 非频变天线
通过在螺旋平面一侧装置圆柱形反射腔构成背腔 式阿基米德螺旋天线(CavityBacked Archimedean Spiral Antenna)，可得到单一主瓣，它可以嵌装在运 载体的表面下。 阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸 小、效率高以及可以嵌装等优点，故目前其应用愈 来愈广泛。
第4章 非频变天线
第4章 非频变天线 章
4.1 非频变天线的基本概念 4.2 平面等角螺旋天线 4.3 阿基米德螺旋天线 4.4 对数周期天线
第4章 非频变天线
4.1 非频变天线的基本概念
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。
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图4―2―3 圆锥等角螺旋天线
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2. 阻抗特性 如前所述，当δ＝π/2时天线为自补结构，自补是 互补的特殊情况。互补天线类似于摄影中的像片和底 片，互补天线的一个例子是金属带做成的对称振子和 无限大金属平面上的缝隙，互补天线的阻抗具有下列 性质:
Z 缝隙 ⋅ Z 金属 = （
（4―2―2）
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R r2
δ
r3 r4
r1
图4―2―1 平面等角螺旋天线
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y
r
ϕ
O x
图4―2―2 等角螺旋线
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在图4―2―1所示的等角螺旋天线中，两个臂的四 条边缘具有相同的a，若一条边缘线为r1=r0eaφ，则只要 将该边缘旋转δ角，就可得该臂的另一边缘线r2=r0ea(φ-δ)。 另一臂相当于该臂旋转180°而构成，即r3=r0ea(φ-π)， r4=r0ea(φ-π-δ)。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。如果取δ＝ π/2，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状， 称为自补结构。
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习惯上，若天线的相对带宽达百分之几十以上， 则把这类天线称为宽频带天线。若天线的阻抗特性和 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，则把这一类天线 称为非频变天线(FrequencyIndependent Antenna)。
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因此，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，这个部分通常称为有效辐射区，传输 行波电流。换句话说螺旋天线存在“电流截断效应”， 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部分的电性能造成显著影 响，因而，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。波长改变后，有效 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性。
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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”，天线结构需从中心点开始 一直扩展到无限远。
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非频变天线概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957 年提出的，使天线的发展产生了一个突破，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，因而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： 若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同比例变 化，则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。
PO = QQ
，即P和Q为两臂上的对应点，
对应线段上的电流相位差为π+(2π/λ)πr。
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若设r=λ/2π，则P和P′点相位差为2π。因此，若满足上 述条件，两线段的辐射是同相叠加而非相消的。 换句话说，天线主要辐射是集中在周长约等于λ的 螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化， 有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽 频带特性。虽然这一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。
r1 = r0ϕ
r2 = r0 (ϕ − π )
（4―3―1）
式中r0对应于φ=0rad的矢径。这一天线的性能基 本上与等角螺旋天线类似。
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Q O
P
P′
(a)
(b)
图4―3―1 阿基米德螺旋天线
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我们可以近似地将螺旋线等效为双线传输线，根 据传输线理论，两根传输线上的电流反相，当两线之 间的间距很小时，传输线不产生辐射。因此表面看,似 乎螺旋线的辐射是彼此抵消的，事实并不尽然。为了 明显地将两臂分开，在图4―3―1(b)中分别用虚线和实 线表示这两个臂。研究图中P、P′点处的两线段， 设
r = r0e
αϕ
（4―2―1）
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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
1 ψ = arctan a
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4.4 对数周期天线
对数周期天线(Log Periodic Antenna,LPA)于1957年 提出，是非频变天线的另一类型，它基于以下相似概 念：当天线按某一比例因子τ变换后仍等于它原来的结 构，则天线的频率为f和τf时性能相同。对数周期天线 有多种型式，其中1960年提出的对数周期振子阵天线 （LogPeriodic Dipole Antenna,LPDA），因具有极宽 的频带特性，而且结构比较简单，所以很快在短波、 超短波和微波波段得到了广泛应用。我们将以LPDA为 例说明对数周期天线的特性。
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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两频率上的性能是相同的，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。这种结构的 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。
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4.2 平面等角螺旋天线
4.2.1 平面等角螺旋天线的结构和工作原理 图4―2―1为平面等角螺旋天线(Planar Equiangular Spiral Antenna)示意图，是V.H.Rumsey提出的一种角度 天线，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
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由于实际结构不可能是无线长，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。
对于自补结构，由上式可得
η0
2
）
2
（4―2―3）
Z 金属 = Z 缝隙 =
η0
2
= 188.5Ω
（4―2―4）
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3.极化特性 一般而言，平面等角螺旋天线在θ≤70°锥形范围 内接近圆极化。天线有效辐射区内的每一段螺旋线都 是基本辐射单元，但它们的取向沿螺旋线变化，总的 辐射场是这些单元辐射场的叠加，因此等角螺旋天线 轴向辐射场的极化与臂长相关。当频率很低，全臂长 比波长小得多时，为线极化；当频率增高时，最终会 变成圆极化。在许多实用情况下，轴比小于等于2的典 型值发生在全臂长约为一个波长时。极化旋向与螺旋 线绕向有关，例如，图4―2―1所示平面等角螺旋天线 沿纸面对外的方向辐射右旋圆极化波，沿相反方向辐 射左旋圆极化波。
d n +1 Rn +1 − Rn + 2 Rn +1 (1 − τ ) = = =τ dn Rn − Rn +1 Rn (1 − τ )
（4源自文库4―3）
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即间距也是成τ的比例关系。综合以上几何关系可 知,不论振子长度、半径还是振子之间的距离等所有几 何尺寸都按同一比例系数τ变化：
Ln +1 an +1 Rn +1 d n +1 = = = =τ Ln an Rn dn
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4.4.1 对数周期振子阵天线的结构 对数周期振子阵天线的结构如图4―4―1所示。它 由若干个对称振子组成，在结构上具有以下特点： （1）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τ来表示该比例系数并称为比例因子， 则要求：
Ln +1 an +1 = =τ Ln an Rn +1 =τ Rn
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λmax λmax / 4 8.02r0 = = = 8.03 λmin λmin / 4 r0
（4―2―5）
即典型相对带宽为8∶1。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20∶1。
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4.3 阿基米德螺旋天线
阿基米德螺旋天线(Archimedean Spiral Antenna)如 图4―3―1(a)所示，这种天线像许多螺旋天线一样，采 用印刷电路技术很容易制造。天线的两个螺旋臂方程 分别是
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4. 工作带宽 等角螺旋天线的工作带宽受其几何尺寸影响，由 内径r0和最外缘的半径R决定。实际的圆极化等角螺旋 天线，外径R≈λmax/4，内径r0≈(1/4～1/8)λmin。根据臂 长为1.5圈～3圈的实验结果看，当a=0.221对应1.5圈螺 旋时，其方向图最佳。此时外半径 R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4，在馈电点r=r0e0=r0=λmin/4， 所以该天线可具有的相对带宽为
（4―4―1）
（4―4―2）
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O
α
Rn＋1 dn Rn
图4―4―1 对数周期振子阵天线
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式中,Ln和an是第n个对称振子的全长及半径；Rn为 第n个对称振子到天线“顶点”（图4―4―1中的“O” 点）的距离；n为对称振子的序列编号，从离开馈电点 最远的振子，即最长的振子算起。 由图4―4―1知，相邻振子之间的距离为 dn=Rn-Rn+1，dn+1=Rn+1-Rn+2，…，其比值 d …
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当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看 成是一对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐 射，边衰减。螺旋线上的每一小段都是一基本辐射片， 它们的取向沿螺旋线而变化，总的辐射场就是这些元 辐射场的叠加。实验表明，臂上电流在流过约一个波 长后就迅速衰减到20dB以下，终端效应很弱。
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4.2.2 平面等角螺旋天线的电性能 1.方向性 自补平面等角螺旋天线的辐射是双向的，最大辐 射方向在平面两侧的法线方向上。若设θ为天线平面的 法线与射线之间的夹角，则方向图可近似表示为cosθ， 半功率波瓣宽度近似为90°。 因为平面等角螺旋天线是双向辐射的，为了得到 单向辐射，可采用附加反射（或吸收）腔体，也可以 做成圆锥形等角螺旋天线(Conical Equiangular Spiral Antenna)，如图4 ― 2―3所示。
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。若天线上电流衰减得 快，则决定天线辐射特性的主要部分是载有较大电流 的部分，而其延伸部分的作用很小，若将其截除，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，反之则为终端效应强。