寬帶平面天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

簡(jiǎn)介：

平面對(duì)數(shù)螺旋天線是一種角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。其極坐標(biāo)方程為：

由于螺旋線與矢徑之間的夾角Ψ 處處相等，因此這種螺旋線稱為等角螺旋線，Ψ 稱為螺旋角，它只與螺旋率有關(guān)，即：

天線結(jié)構(gòu)特征

在圖所示的等角螺旋天線中，兩個(gè)臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為

由于平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的要求。如果取δ=π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

工作原理

1.由于平面對(duì)數(shù)螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的要求。2.當(dāng)兩臂的始端饋電時(shí)，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對(duì)變形的傳輸線，臂上電流沿線邊傳輸，邊輻射，邊衰減。螺旋線上的每一小段都是一基本輻射片，它們的取向沿螺旋線而變化，總的輻射場(chǎng)就是這些元輻射場(chǎng)的疊加。實(shí)驗(yàn)表明，臂上電流在流過約一個(gè)波長(zhǎng)后就迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)很弱。

3.輻射場(chǎng)主要是由結(jié)構(gòu)中周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個(gè)部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。換句話說螺旋天線存在“電流截?cái)嘈?yīng)”，超過截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分對(duì)輻射沒有重大貢獻(xiàn)，在幾何上截去它們將不會(huì)對(duì)保留部分的電性能造成顯著影響，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似的非頻變特性。波長(zhǎng)改變后，有效區(qū)的幾何大小將隨波長(zhǎng)成比例地變化，從而可以在一定的帶寬內(nèi)得到近似的與頻率無(wú)關(guān)的特性。

平面對(duì)數(shù)螺旋天線的電性能

1方向性

自補(bǔ)平面等角螺旋天線的輻射是雙向的，最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線方向上。若設(shè)θ為天線平面的法線與射線之間的夾角，則方向圖可近似表示為cosθ，半功率波瓣寬度似為90°。

2. 阻抗特性

如前所述，當(dāng)δ=π/2時(shí)天線為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，自補(bǔ)是互補(bǔ)的特殊情況?；パa(bǔ)天線類似于攝影中的像片和底片，互補(bǔ)天線的一個(gè)例子是金屬帶做成的對(duì)稱振子和無(wú)限大金屬平面上的縫隙，互補(bǔ)天線的阻抗具有下列性質(zhì)

對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，由上式可得

3.極化特性

一般而言，平面等角螺旋天線在θ≤70°錐形范圍內(nèi)接近圓極化。天線有效輻射區(qū)內(nèi)的每一段螺旋線都是基本輻射單元，但它們的取向沿螺旋線變化，總的輻射場(chǎng)是這些單元輻射場(chǎng)的疊加，因此等角螺旋天線軸向輻射場(chǎng)的極化與臂長(zhǎng)相關(guān)。當(dāng)頻率很低，全臂長(zhǎng)比波長(zhǎng)小得多時(shí)，為線極化；當(dāng)頻率增高時(shí)，最終會(huì)變成圓極化。在許多實(shí)用情況下，軸比小于等于2的典型值發(fā)生在全臂長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)。極化旋向與螺旋線繞向有關(guān)，例如，圖2所示平面等角螺旋天線沿紙面對(duì)外的方向輻射右旋圓極化波，沿相反方向輻射左旋圓極化波。

4. 工作帶寬

等角螺旋天線的工作帶寬受其幾何尺寸影響，由內(nèi)徑r0和最外緣的半徑R決定。實(shí)際的圓極化等角螺旋天線，外徑R≈λmax/4，內(nèi)徑r₀≈(1/4～1/8)λmin。根據(jù)臂長(zhǎng)為1.5圈～3圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)a=0.221對(duì)應(yīng)1.5圈螺旋時(shí)，其方向圖最佳。此時(shí)外半徑 R=r₀e0.221(3π)=8.03r₀=λmax/4，在饋電點(diǎn)r=r₀e₀=r₀=λmin/4，所以該天線可具有的相對(duì)帶寬為

即典型相對(duì)帶寬為8∶1。若要增加相對(duì)帶寬，必須增加螺旋線的圈數(shù)或改變其參數(shù)，相對(duì)帶寬有可能達(dá)到20∶1。

天線輻射的是無(wú)線電波，接收的也是無(wú)線電波，然而發(fā)射機(jī)通過饋線送入天線的并不是無(wú)線電波，接收天線也不能把無(wú)線電波直接經(jīng)饋線送入接收機(jī)，其中必須經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換過程。下面我們以無(wú)線電通信設(shè)備為例分析一下信號(hào)的傳輸過程，進(jìn)而說明天線的能量轉(zhuǎn)換作用。

圖1天線能量轉(zhuǎn)換原理示意圖

在發(fā)射端，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻振蕩電流（能量）經(jīng)饋電設(shè)備輸入發(fā)射天線（饋電設(shè)備可隨頻率和形式不同，直接傳輸電流波或電磁波），發(fā)射天線將高頻電流或?qū)Рǎ芰浚┺D(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波—自由電磁波（能量）向周圍空間輻射（見圖1）；在接收端，無(wú)線電波（能量）通過接收天線轉(zhuǎn)變成高頻電流或?qū)Рǎ芰浚┙?jīng)饋電設(shè)備傳送到接收機(jī)。從上述過程可以看出，天線不但是輻射和接收無(wú)線電波的裝置，同時(shí)也是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，是電路與空間的界面器件。