HFSS天线设计高级培训教程第六章行波天线

HFSS天线设计高级培训教程第六章行波天线 第六章 行波天线 什么是行波天线？用一句通俗的话说就是“波”在天线上以行波方式传播 的天线。行波天线分两类， 一类为电流行波在天线导线上传播的天线； 如长线行波天线、“V”形天线(P121 图 8-3)，菱形天线(图 8-4)等，以及为 近似电流行波传播的偶极子加载天线(P119 图 6-1)，等角螺旋天线(P142 图 8-23)， 平面阿基米德天线(图 6-24)等。 一类为电磁行波在天线上传播的天线。 如八木天线(P131 图 6-12)，轴向模圆柱螺旋天线(P136 图 6-19(b))，对数周 期振子天线(P146 图 6-30)等。 八木天线 轴向模螺旋天线 对数周期振子天线 6.1 偶极子加载天线 自学。 6.2 菱形天线 自学。 6.3 汉森—乌德亚德条件及强方向性端射阵 汉—乌条件是使行波天线方向性系数达到最大值的条件。满足汉—乌条件 《天线原理与设计》讲稿 王建 107 的端射阵为强方向性端射阵。 6.3.1 引言 在前面均匀直线阵一节中，我们讨论了三种最大辐射方向对应的阵列，即 侧射阵、端射阵和扫描阵(其中端射阵考虑适当的单元形式之后就是一种行波 阵)。它们都是基于“电流相位补偿波程差 cos 0 d m ψ β θ α = − = ”的概念得到最 大辐射方向的。按此概念设计的端射阵，其主瓣较宽，方向性系数虽大，但不是 最佳的。如下给出侧射阵与端射阵的比较 阵列形式 主瓣宽度2ϕ0.5 方向性系数 D 阵因子 f (θ ) 侧射阵 早在 1938 年，汉森(Hansen)和乌德亚德(Woodyard)就提出，在普通端射阵的 均匀递变相位的基础上再附加一个均匀递变的滞后相位δ ，可以提高端射阵的方 向性系数。这种阵列称为强方向性端射阵，或汉森－乌德亚德端射阵。 当α = βd +δ 时，得归一化端射阵阵因子 对间距d = λ / 4 的 N = 10单元的端射阵，在不同附加相位δ 时的归一化方向 图如图 6-1 所示。δ = 0时为普通端射阵， /15, /10, /8 δ π π π = 时端射阵方向图的 主瓣宽度越来越窄，但副瓣电平越来越高。主瓣宽度变窄将使方向性系数 D 变 大，而副瓣电平增高将使方向性系数降低。因此，总可找到一个合适的δ 值，使 得方向性系数最大。 《天线原理与设计》讲稿 王建 108 图 6-1 10 元端射阵不同附加相位δ 的方向图(N=10，d = λ / 4 ) 6.3.2 汉森—乌德亚德条件 当阵列单元数较大( N >> 1 )时，我们把式(6.1)改写作如下形式 查书上 P96 图 5-5 可得 Nu0.5 / 2 = ±2.01 应当指出，汉森—伍德亚德条件是在阵列很大 N>>1、单元间距较小d < λ / 2 的情况下导出的。第一个条件是显然的，第二个条件是端射阵不出现栅瓣的条件。 6.4 八木天线与返射天线 6.4.1 八木天线（YAGI—UDA Antenna） 这种天线是八木和宇田两人在 20 年代早期做出的，在 20 年代中期发表的。 但直到 1928 年八木访问美国，在无线电工程师协会(IRE)的会议上宣读论文才得 到公认。这种天线被誉为是天线领域的经典之作，是极少以发明人名命名的天线 之一。 (1) 结构 八木天线又称引向天线、波渠天线。它是由一根馈电振子和几根无源寄生振 子并排放置组成的，如图 6-3 所示。它是一种广泛用于米波、分米波段的通信、 雷达、电视和其它一些无线电设备中的端射式天线。 图 6-3 八木天线 八木天线由一根振子、一根反射器振子和若干根无源引向器振子组成，所有 振子并排排列在一个平面内。 ·馈电的有源振子 一般选为半波谐振长度l A =(0.46～0.49)λ ,可用折合振子。 ·引向器振子 一般来说，引向器数目愈多，引向能力愈强，但超过某一数目收益不大，这 是由于边缘各引向器上的感应电流逐渐减弱的缘故。大多数八木天线引向器一般 有 4～15 个。长度：lD =(0.80～0.90)l A，间距dd =(0.1～0.4)λ 。引向振子尺寸和 间距均相同的引向天线称为均匀天线，否则称为非均匀天线。 ■其优点是：结构与馈电简单，制作与维修方便，体积不大，重量轻，转动灵活； 天线效率高(η a ≈ 1)，增益可达 15dB，还可用它作阵元，组成八木天线阵列，以 获得更高增益。 ■其缺点是：各引向器尺寸间距调整困难，频带窄。 (2) 工作原理 由于每一引向器的长度短于谐振长度，则每一引向器的输入阻抗是容性的。 类似地，反射器的阻抗是感性的。引向器和反射器上电流的相位，不但由其长度 决定，也由它们相邻单元的间距决定。这样， ●长度稍短于谐振长度(< λ / 2 )而间距适当的单元就如引向元件。因为它们 所形成的阵列电流幅度近似等幅，而相位是近似均匀递减，这将加强馈电单元引 向器方向的场。 ●长度大于或等于λ / 2的适当间距的单元就如反射器。因此，八木天线可看 作是一个支持行波的结构。其特性由各单元上的电流分布和行波相速决定。 八木天线的有源振子附近是一些无源的寄生振子，且相互耦合很强，使得其 输入阻抗降低很多。如果单元多于 5 个，输入阻抗实部只有约二十几欧。因此可 采用折合振子作有源振子，或采用有阻抗变换作用的平衡器，同轴线馈电。 ■用行波天线理论设计八木天线 当八木天线单元数增多，可用行波天线的理论来分析。即在八木天线上，沿 引向器振子方向传播的波为行波。 ●确定行波传播常数 β′，由书上 P133 式(6-56)确定。该式是在引向器为无限 多，八木天线为无限长的条件下得到的。β′与振子间距d ，长度l ，振子半径 ρ 有关，且只适用于d >> ρ ，d >>l / 2 ，l >> ρ 的情况。 实际的八木天线是由一根金属棒将各振子固定起来，除有源振子外，其他振 子的中点与金属棒相连。因为这些中点的电位为零电位，且这个连接用的金属棒 与各振子垂直，它对天线的场结构不会产生显著的影响。 由近似设计方法设计的八木天线制作好以后，一般都要调试，要测输入阻抗 或馈线上驻波比，要测量方向图。如果驻波比大于给定指标( 2 ρ ≥ )或辐射方向 图后瓣太大，主瓣太胖等，此时应调整天线结构尺寸，如反射器、引响器长度， 各振子间距、有源振子的长度也要作适当调整。若用矩量法，采用计算机仿真设 计，则设计效果更好。 调试也有一定规律可循。如调整紧靠有源振子的反射器和引响器的间距，将 使输入阻抗或驻波比变化改变大。八木天线总长度增加,使主瓣变窄，否则变宽。 对前后辐射比，则调反射器l 和d 较明显等等。 地面对八木天线的输入阻抗(驻波比)也有较大影响。 如果一副八木天线的增益还不够大，可以用排阵的方式加大增益。 6.4.2 返射天线 又称背射天线，它是在八木天线的基础上发展起来的。由于其结构简单、馈 电方便、纵向长度短、副瓣和后瓣小等优点，而得到重视。其结构如图 6-4(a)所 示。 它是在引向器一端加一反射圆盘，当电磁波沿引向器方向传输到反射盘后即 发生返射，再一次沿慢波结构向相反方向传播，最后越过反射器向外辐射，电波 沿引向器方向传播遇到反射盘，再返回向相反方向辐射出去，因此称返射天线。 电波两次经过慢波结构，相当于将天线长度增加了一倍，故比相同长度的八木天 线的增益大 3dB。由于反射盘的镜像作用，增益还可增大约 3dB。反射盘直径大 致与同等增益的抛物面天线直径相等，反射盘与反射器之间的距离应为λ / 2的整 数倍。如果在反射盘的边缘加一边框，增益还可增大。