对数周期偶极天线.doc

LPDA综述与设计 摘要：本文主要对对数周期天线的国内外发展现状进行了简单总结，主要是从分析方法上进行了阐述。在这基础上设计了一个工作于470MHz~890MHz频带、增益为不小于9dB的对数周期振子天线（LPDA）。 1.对数周期天线国内外研究现状 对数周期天线是非频变天线的一种类型，是由V.H.Rusmey[1]在1957年提出的。它根据“相似”的概念构成，即当天线按照某一特定的比 例因子τ变换后，仍然为其原来的结构。天线的特性随频率的对数作周期变化，只要在一周期内天线性能指标变化很小，就有可能达到非频变天线的基本要求。而且，不同于等角螺线天线是一种结构连续的自相似结构，对数周期天线是一种离散的自相似结构。目前，对数周期天线已成功地应用于10:1或15:1的频程范围。 对数周期天线(LPA,Log-Periodic Antenna)由图1所示的蝴蝶结天线演变而成，蝴蝶结天线是由无限长双圆锥天线发展而成的，在垂直于天线平面方向上具有双向辐射的性能，辐射线极化波。但由于径向电流在天线末端突然中止，因此它具有有限的带宽。 图1蝴蝶结天线 图2平面齿对数周期天线 对蝴蝶结天线进行改进，按照自补偿原理和周期性结构的特点，就构成了如图2的平面齿对数周期天线，它具有宽频带特性。图中，除了齿以外它相似于蝴蝶结天线，齿的分布是按照等角螺旋线设计的。 对数周期天线的结构形式很多，臂可以由金属片或线制成，齿可以是三角形或梯形等。为获得单方向性，可以将两臂以一定角度对折成V形。从结构观点来看，希望齿形天线的齿做成直的。图3及图4是两种常见的形式，图3是将图2的弯齿拉直，称为对数周期梯形天线；而图4是将图3的板面改成导线（通常是为了减轻重量）。它们都是双向辐射的，即在垂直于板面的前后两方有最大辐射。 图3 对数周期梯形天线 图4导线对数周期天线 60年代对数周期天线有了新的发展，提出了对数周期振子天线(LOG-PERIODIC DIPOLE ARRAYS)，简称LPDA（如图5所示），这是一种结构简单、性能优良的极宽频带天线。注意到，该天线相邻振子交叉与馈线连接，对比图5的振子结构和图3的齿片结构，若将梯形齿的两边折合在一起，构成一内夹角为零的共面结构时，则两天线是类似的。 图5对数周期偶极子天线 自1960年Isbell[4]描述了LPDA的性能以后，就在短波、超短波、微波等波段的通信、测向、有哪些信誉好的足球投注网站、电子对抗等方面获得了广泛的应用。关于LPDA的理论研究，可归结为以下四个方面:设计方法、分析方法、减小天线尺寸和提高LPDA增益。而分析方法是检测其它三个方面技术可行与否的重要手段。因此，多年来，人们一直在想法改进LPDA的理论分析方法。 60年代初，Robert Carrel[5]基于传输线原理采用等效电路理论对LPDA进行理论分析。他把天线分为内部问题和外部问题。内部问题时，把各偶极元和馈线间的关系等效为两个N端对网络的并联，即一个网络由偶极元等效的阻抗矩阵组成，另一个网络由馈线等效的导纳矩阵组成，求解联立方程组，确定各偶极元的电流分布;外部问题时，根据各偶极元的电流，计算远区辐射场，求解方法是假设各偶极元中的电流均为一项式正弦分布，用感应电动势法求各偶极元的自阻抗和互阻抗，这就意味着每元的自阻抗与其它元不存在时的阻抗相同，任何一对偶极元间的互阻抗与其它元的存在无关。这种假设是十分近似的。特别是对于那些比半波长长很多的偶极元来说，误差就更大。但好在LPDA工作原理本身就是在那些比半波长短很多(传输区)和比半波长长很多(不激励区)的偶极元上存在的功率很小，对整个天线辐射特性的贡献极小。因此，该方法仍然得到了和实验结果较一致的结果。在给出分析方法的同时，R. Carrel还提出了一套LPDA的设计步骤，该设计方法被许多天线书籍所转载，成为设计LPDA的普遍方法。但是，设计LPDA时，采用R.LCarrel曲线计算的方向系数D值偏大。其原因是Carrel在计算E面方向图公式中错了一个因子，使计算的E面波瓣宽度偏窄，因而得出较高的D值。 1964年，R.Mittra和K.E.Jones[6]采用等效电路理论从另一个侧面对LPDA进行了理论分析。他们把LPDA看成是由等长的偶极元对传输线周期加载的结果（如图6所示），然后研究传输线的复传播常数。他们也假设偶极元电流是一项式正弦分布。用感应电动势法计算了所有偶极元的自阻抗和互阻抗。对LPDA各偶极元长度不相等这一事实，他们用微扰法，处理了对天线性能起主要作用的有源区中偶极子长