对数周期天线(LogPeriodicAntenna,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。对数周期天线年提出的对数周期振子阵天线(LogPeriodicDipoleAntenna,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最新整理收集
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
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。
在“传输区”,各对称振子的电长度很短,振子的输入阻抗(容抗)很大,因而激励电流很小,所以它们的辐射很弱,主要起传输线的作用。在“非激励区”,由于辐射区的对称振子处于谐振状态,振子的激励电流很大,已将传输线送来的大部分能量辐射出去,能够传送到非激励区的能量剩下很少,所以该区的对称振子激励电流也就变得很小,这种现象就是前面提到的“电流截断”现象。由于振子的激励电流很小,对外辐射自然也很弱。
对数周期振子阵天线的输入阻抗是指它在馈电点(集合线始端)所呈现的阻抗。当高频能从天线馈电点输入以后,电磁能将沿集合线向前传输,传输区的那些振子,电长度很小,输入端呈现较大的容抗,因而它们输入端的电流很小,它们的主要影响相当于在集合线的对应点并联上一个个附加电容,从而改变了集合线的分布参数,使集合线的特性阻抗降低(传输线的特性阻抗与分布电容的平方根成反比)。
辐射区是集合线的主要负载,由集合线送来的高频能量几乎被辐射区的振子全部吸收,并转向空间辐射。辐射区后面的非谐振区的振子比谐振长度大得多,由于它们能够得到的高频能量很小,能从集合线终端反射的能量也就非常小。如果再加上集合线终端所接的短路支节长度的适当调整,就可以使集合线上的反射波成分降到最低程度,于是可以近似地认为集合线上载行波。因而对数周期振子阵天线的输入阻抗就近似地等于考虑到传输区振子影响后的集合线特性阻抗,其基本上是电阻性的,电抗成分不大。
由前面的分析可知对数周期振子阵天线为端射式天线,最大辐射方向为沿着集合线从最长振子指向最短振子的方向。因为当工作频率变化时,天线的辐射区可以在天线上前后移动而保持相似的特性,其方向图随频率的变化也是较小的,如图4―4―4所示。图中给出了频率分别为200、400、600MHz时的E面和H面方向图,实线为E面方向图,虚线为H面方向图。
根据该图可以预计,当工作频率低于频带低端频率(本图中为200MHz)时,例如150MHz,由于天线的最长振子不能满足该频率辐射区对天线MHz时,要求辐射区中的最长振子L1/λ≥1/2,而该天线),故天线将有着较大的尾瓣,增益比设计值10dB要低得多;反之,当工作频率高于频带高端频率时,如果最短振子长度过长,不能满足辐射区的要求,方向图也会有较大变化。
对数周期振子阵天线在短波波段也得到了应用。图4―4―7为一种水平振子式短波对数周期天线(Horizontal Dipole Short Wave LPD),它的阵面对地面倾斜角,且短振子一端高度较低。这样架设的好处是,当频率改变时能保持天线的电高度(H/λ)近似不变,从而保持天线的最大辐射方向不变。其原理可通过图4―4―8说明:当工作频率发生变化时,
图4―4―12为三角形线齿结构(LogPeriodic ZigZag Wire Antenna);图4―4―13为振子型结构,其中图(a)为楔形,图(b)为共面的对数周期振子阵天线。对于楔形结构,天线的最大辐射方向为楔形尖所指的方向。振子型结构可以认为是由片齿结构演变而来:将图4―4―10的齿片宽度减小到接近于零,就得到了图4―4―13所示的振子型结构。再让2=0就得到了图4―4―13(b)所示的结构,即前面讨论过的对数周期振子阵天线 梯形片齿结构对数周期天线 梯形线齿结构对数周期天线 三角形线齿结构对数周期天线 振子形结构对数周期天线
所有对数周期天线都不是整个结构同时对辐射作出贡献,因而实际上是牺牲了部分天线增益来换取天线的宽带特性。正因为对数周期天线的方向图较宽,增益不很高,实际工作中除了单独作天线使用之外,有时也利用它的宽带特性作为反射面天线的馈源(参看反射面天线给出了梯形线齿结构对数周期天线的一些电特性,可供参考。