对数周期天线

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(a)
图4―4―2 在不同频率下LPDA振子输入端的电流分布
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。
由于能实现天线电性能不变的频率满足fn+1/fn=1/τ，对
它取对数得到
(天周线期称为该为ln式对(1/表数τ)明)周，，期l天n天只线f线n有的1。当电工性ln作能频f才n 率保的持ln对不1数变作，周所（期以4―性，4变把―化这7）时种
作频率按比例τ变化时，仍然保持天线的电尺寸不变，
则在这些频率上天线就能保持相同的电特性。
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就对数周期振子阵天线来说，假定工作频率为f1（λ1）
时，只有第“1”个振子工作，其电尺寸为L1/λ1，其余振子均
不工作；当工作频率升高到f3（λ3）时，换成只有第“2”个
振子工作，电尺寸为L2/λ2，其余振子均不工作；当工作频率
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 （ Log
Periodic 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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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 。
则是“集合线”。
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在集合线的末端(最长振子处)可以端接与它的特
性阻抗相等的负载阻抗，也可以端接一段短路支节。
适当调节短路支节的长度，可以减少电磁波在集合线
终端的反射。当然，在最长振子处也可以不端接任何
负载，具体情况可由调试结果选定。
对数周期振子阵天线的馈电点选在最短振子处。
天线的最大辐射方向将由最长振子端朝向最短振子的
升高到f2（λ2）时，只有第“3”个振子工作，电尺寸为L3/λ3;
依次类推。显然，如果这些频率能保证
L1 L2 L3 ,L
1 2 3
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则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。因为对
数周期振子阵天线各振子尺寸满足Ln+1/Ln=τ，就要求这些频 率满足λn+1/λn=τ或fn+1/fn=1/τ。如果我们把τ取得十分接近于1， 则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。假
献。当工作频率变化时，该区域会在天线上前后移动
（例如频率增加时向短振子一端移动），使天线的电
性能保持不变。
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另外，实验还证实，对数周期振子阵天线上存在着 “电流截断效应”，即“辐射区”后面的较长振子激 励电流呈现迅速下降的现象，正因为对数周期振子阵 天线具有这一特点，才有可能从无限大结构上截去长 振子那边无用的部分以后，还能在一定的频率范围内 近似保持理想的无限大结构时的电特性。
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实际上并不是对应于每个工作频率只有一个振子
在工作，而且天线的结构也是有限的。这样一来，以
上的分析似乎完全不能成立。
然而值得庆幸的是,实验证实了对数周期振子阵天
线上确实存在着类似于一个振子工作的一个电尺寸一
定的“辐射区”或“有效区”，这个区域内的振子长
度在λ/2附近，具有较强的激励，对辐射将作出主要贡
这一边。天线的几何结构参数σ和τ（当然也包括α）对
天线电性能有着重要的影响，是设计对数周期振子阵
天线的主要参数。
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4.4.2 对数周期振子阵天线的工作原理
对数周期振子阵天线具有极宽的工作带宽，达到
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10∶1或更宽一些。可以从概念上这样来理解它的工作
原理。
在前面的学习中我们已经看到天线的方向特性、
阻抗特性等等都是天线电尺寸的函数。如果设想当工
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：
Ln1 an1
Ln
an
Rn1
Rn
（4―4―1） （4―4―2）
2
O
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
Ln / 2
tan
2
得出。
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（2）相邻振子交叉馈电(Cross Feed)。
通常把给各振子馈电的那一段平行线称为“集合
线”，以区别于整个天线系统的馈线。例如图4―4―6
所示的对数周期振子阵天线是用同轴电缆作馈线的，
但在给各振子馈电时转换成了平行双导线。作为整个
天线系统的馈电线是同轴线，而直接与各振子连接的
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图4―4―2给出τ=0.917，σ=0.619，工作频率为
200~600MHz的对数周期振子阵天线在频率分别为
200 ,300 ,600MHz时各振子激励电流的分布情况。该图
说明在不同频率时确实有相应的部分振子得到较强的
激励，超过该区域以后的较长振子的激励电流很快地
受到“截断”。
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（4―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：
Ln1 an1 Rn1 dn1 （4―4―4）
Ln
an
Rn
dn
实用中常常用间隔因子σ来表示相邻振子间的距离，
它被定义为相邻两振子间的距离dn与2倍较长振子的长度
2Ln之比，即
dn
2 Ln
（4―4―5）
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图4―4―1中的α称为对数周期振子阵天线的顶角。
它与τ及σ之间具有如下关系：
d 2Ln
1 4 tan
2
2 arctan 1 4
这里利用了
dn
(1 )
Ln
2 tan
2
（4―4―6a） （4―4―6b）
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的关系式，该式由
dn
Rn
Rn1
Rn (1 ), 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
dn1 Rn1 Rn2 Rn1(1 ) dn Rn Rn1 Rn (1 )