天线第十二讲-对数周期天线与平面超宽带天线
天线知识讲座讲解
天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图：方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。
定义：天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。
根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：E面方向图：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；H面方向图：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；水平面方向图（Horizontal）：是指与地面平行的平面内的方向图；垂直面方向图（Vertical）：是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、波瓣：零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度：在E面或H面的等距线上，主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平：在E面或H面的等距线上，副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用dB表示。
后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比：等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：第一上副瓣抑制（FirstUpper Side Lobe Suppression ）。
超宽带天线的研究报告
超宽带天线的研究报告一、引言在当今无线通信领域，超宽带技术因其具有高速率、低功耗、高精度定位等优势而备受关注。
而超宽带天线作为超宽带系统的关键组成部分，其性能的优劣直接影响着整个系统的通信质量和效率。
因此，对超宽带天线的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、超宽带天线的基本原理超宽带天线是指能够在很宽的频带上工作的天线，其相对带宽通常大于 20%。
超宽带天线的工作原理基于电磁波的辐射和接收，通过天线结构的设计和优化，实现对宽频带内电磁波的有效辐射和接收。
超宽带天线的主要性能指标包括带宽、增益、方向性、阻抗匹配等。
带宽是衡量超宽带天线性能的关键指标，它决定了天线能够工作的频率范围。
增益表示天线在特定方向上辐射或接收电磁波的能力，方向性则描述了天线辐射或接收电磁波的方向性特征，阻抗匹配则影响着天线与传输线之间的能量传输效率。
三、超宽带天线的类型（一）单极子天线单极子天线是一种常见的超宽带天线类型，其结构简单，通常由一个垂直的金属导体构成。
单极子天线具有较宽的带宽和良好的辐射特性，但方向性较差。
（二）偶极子天线偶极子天线由两个长度相等、方向相反的金属导体组成。
它在超宽带应用中具有较好的性能，但其尺寸相对较大。
（三）平面天线平面天线是一种结构紧凑、易于集成的超宽带天线类型，如平面单极子天线、平面偶极子天线等。
平面天线具有低剖面、易于制造等优点，在无线通信设备中得到了广泛应用。
（四）缝隙天线缝隙天线是在金属平面上开缝隙形成的天线，通过控制缝隙的形状和尺寸来实现超宽带特性。
缝隙天线具有低剖面、重量轻等优点，但带宽相对较窄。
四、超宽带天线的设计方法（一）数值计算方法数值计算方法是超宽带天线设计中常用的方法之一，如有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）等。
这些方法可以精确地模拟天线的电磁场分布和性能，但计算量较大，耗时较长。
（二）经验公式法经验公式法是基于大量实验数据和理论分析得出的一些经验公式，通过这些公式可以快速估算天线的性能参数，为天线设计提供初步的参考。
对数周期天线
对数周期天线为端射式天线，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。
感谢观看
对数周期天线辐射线极化电磁波，其极化方向与振子方向平行。对数周期天线的辐射区主要为一个振子，此 区域的振子长度约为λ/2，具有较强的激励，起主要辐射作用。当工作频率变化时，辐射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），保持其电性能不变。
根据对数周期天线各部分对称振子的工作情况，可以把整个天线分成三个工作区：除辐射区外，从电源到辐 射区之间的部分称为传输区；辐射区后的部分称为非激励区。下面简要介绍三个工作区的情况：（a）在传输区， 各对称振子的电长度很短，振子的输入阻抗（容抗）大，因而激励电流很小，所以振子的辐射很弱，主要起传输 线作用。（b）在非激励区，由于辐射区的对称振子处于谐振状态，振子的激励电流大，已将传输线传送的大部分 能量辐射出去，所以该区对称振子的激励电流变得很小，该现象即前面提到的电流截断现象。（c）在辐射区，通 常把它定义为激励电流值等于最大激励电流 1/3的两振子之间的区域。
所以
图2对数周期天线结构示意图
因此，在确定天线的设计参数时。只要知道了，，2α和σ任意两个，天线的几何结构和电特性也就确定了。 天线长度L=(l1/2)cotα，因此张角α增大天线长度大大减小。
为了保证天线在两端频率能满足要求，通常采用频带的高端和低端截止常数来设计高、低端偶极子的长度， 并由此确定所需的偶极子数。最长的偶极子长度为L1=K1λL。λL是最长的工作波长，K1是低端截止常数，K2是 高端的截止常数，两参量由经验公式可分别得出为
图1对数周期天线
结构
如图2所示，对数周期天线是由N个平行排列的对称振子按照结构周期率构成的，有如下关系式
对数周期天线
12
201221/2/21
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
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
L1 L2 L3 ,
1 2 3
11
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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
到了广泛应用。我们将以LPDA为例说明对数周期天线的
特性。
1
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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 。
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:
实线为E面方向图，虚线为H面方向图。
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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
天线第十二讲对数周期天线与平面超宽带天线
LPDA上的 电流分布可 以利用数值 方法算出。
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左图是用矩 量法计算的 18元LPDA 振子上的电 流分布。
相应的传输 线上的电压 分布、方向 图、增益和 阻抗见后。
不同频率下LPDA振子上的电流分布
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ln fn1 ln fn +ln(1 / ) 即，当工作频率的对数以 ln(1/ ) 作周期变化时， 天线电性能保持不变，故名对数周期天线。
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第12讲内容
对数周期天线 平面超宽带天线
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天线培训教材
天线的结构
天线一般由辐射单元、平衡馈电器、反射板、馈 电网络、接头等部分构成（全向天线一般没有反 射板）。 辐射单元的主要功能是将电流能量转化为电磁能 量并辐射出去，或接收电磁能量并转化为电流能 量。 天线通常由一个或多个辐射单元按一定的几何方 式排列而成，如 1×2，1×4， 1×8，2×8 等。 辐射单元的外形很多，我们常用的有两大类，即 线型振子和微带贴片。在天线中，线型振子通常 为半波振子，即振子全长相当于天线中心频率时 的约半个波长，两臂各四分之一波长。
手机天线设计首要规则
在设计任何种类的移动电话天线时，为了 得到尽可能最好的性能，和天线制造商在 最初阶段一起开始设计天线是很重要的， 这对于内置天线来说尤为重要
规则 2
使用尽可能多的空间： 对于天线的性能来讲， 尺寸越大越好。
规则 3
请密切注意天线的高度（发射片和接地片的距离） <=> 带宽）
为了适应各种不同用途的需要，人们研制出各种类型的天 线。对于这些天线，可以从不同的角度来分类。 *按用途分类通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、 导航天线等； *按外形分类线状天线、面状天线（如喇叭天线、抛物面 天线）等； *按极化方式分类线极化（线极化又可分为垂直极化、水 平极化和±45°极化等）、圆极化（圆极化又可分为左旋 圆极化和右旋圆极化）、椭圆极化等； *按方向性分类全向天线、定向天线等； *按工作性质分类发射天线、接收天线和收发共用天线等。 此外，还发展出一些新型天线，如微带天线、智能天线、 有源天线等。
描述天线的特性参数很多，不同用途的天线所需要考虑的特性参数也不尽相同。下面 我们着重讲述移动通信天线的特性参数。移动通信基站天线的电性能参数有：工作频 带、输入阻抗、驻波比、增益、方向图等；机械性能参数有：外形尺寸、包装尺寸、 重量、等。以下将对这些参数分别加以介绍。 *工作频带是指天线能正常工作的频率范围。也就是说，在这一频率范围内，天 线每个频点的驻波比、增益、方向图、隔离度、前后比等各项指标都要满足设计要求。 电磁波在真空（空气）中的传播速度为每秒三十万公里（或3×108 m/s），频率是指 电磁波每秒钟的振荡次数，波长是电磁波完成一次振荡的空间距离。三者存在以下关 系： c=fλ 其中c 是电磁波空中传播速度，单位是米/秒（m/s）,f 是频率，单位是赫兹 （Hz）每秒钟振荡1 次称为1 赫兹，1 兆赫（MHz）=106 赫兹，1 吉赫（GHz）=109 赫兹；λ是电磁波空中波长，单位是米（m）。这表明，电磁波频率越高，则波长越短。 在GSM 系统，上行（手机发，基 站收）为890-915MHz，下行（基 站发，手机收）为935-960MHz； 在CDMA 系统，上行（手机发，基 站收）为825-835MHz，下行（基 站发，手机收）为870-880MHz。
超宽带天线特性分析
超宽带天线特性分析关键词宽频带 非频变 CST 仿真 S 参数 超宽带天线 VSWR摘要超宽带天线设计是为了使它能够接收或发送电磁能的脉冲。
UWB 天线设计中一个很大的问题是天线要在一个较宽的频带内保持阻抗基本不变。
本文主要分析了几种理论上的UWB 电振子天线的设计，并且针对V 形天线、平面椭圆偶极子天线的特性特别是领结天线的理论模型和一种实际设计进行仿真，给出其S 参数特性，并比较分析产生变化的可能原因。
简介一、超宽带天线天线是一种将传输线中传导的电磁能转化为空间辐射的电磁能的转换器，也可以看作是一种匹配传输线阻抗和空间阻抗的阻抗变换器。
在实用中，AM 波天线就可以看作是一种超宽频天线。
常用的AM 波天线的频带覆盖了从535到1705kHz 的频率范围，其比例带宽超过了100%。
AM 波用于广播发送的选择性主要是依靠接收天线的窄带特性。
在UWB 天线设计中，最主要的要求就是要使天线能够要在所有的频率范围内同时接收到信号。
这就要求天线在整个频带上有着恒定的或者时可预测的阻抗特性。
UWB 天线首先是非对数周期天线是一种频变天线频变的，有固定的相位中心的。
从右图可以看出，WB 天线特点：传统通信系统相对数周期天线在低频是辐射的强度较大，辐射强度随频率的升高而衰减。
相对的就是非频变天线。
右图下侧的平面椭圆偶极子天线就是一种非频变天线，它辐射的波形接近于高斯脉冲。
这一时域波形在频域上具有极宽的带宽，而且在各频率点上的幅度相近。
U 与比，点就是其系统结构实现的简单化。
U 册通信系统省略了传统以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500 需要几十安全性能。
由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，个很收发信机的信号延时来测量收发信机之间的距在接收端的SNR(信噪比)。
还可以根据传输距离和数据速据宽频带特性的要求，宽带天线必须在其频带范围内是具有恒定的阻抗L 达到一个波长以上，则外向波的大部分能量被辐射而只有很少的能量被反射。
超宽带平面天线技术
超宽带平面天线技术随着科技的迅速发展，超宽带平面天线技术在许多领域展现出巨大的潜力和应用价值。
本文将详细介绍超宽带平面天线技术的基本原理、技术特点、发展趋势以及实际应用案例，旨在帮助读者更好地理解和把握这一前沿技术。
超宽带平面天线技术是指在宽阔的频率范围内，利用平面结构的天线来捕捉和辐射电磁波。
与传统天线相比，超宽带平面天线具有许多独特优势，如体积小、重量轻、制造成本低、易于集成等。
因此，超宽带平面天线技术在无线通信、探测成像、雷达等领域具有广泛的应用前景。
超宽带平面天线技术的技术特点主要包括以下几个方面：首先，它采用平面结构，易于加工和制作，可以实现批量生产和集成化；其次，它具有宽频带特性，可以在很宽的频率范围内保持稳定的性能；第三，它采用辐射状传输，可以提高信号的抗干扰能力和传输效率；最后，它具有小型化和多样化的特点，可以根据不同需求进行定制化设计。
未来，超宽带平面天线技术的发展趋势将更加明显。
随着5G、6G等无线通信技术的快速发展，超宽带平面天线技术的需求将不断增加。
同时，随着材料科学和制造技术的进步，超宽带平面天线的性能和可靠性也将得到进一步提升。
此外，超宽带平面天线技术的多样化应用也将推动其不断创新和发展。
实际应用案例是超宽带平面天线技术的重要体现。
在无线通信领域，利用超宽带平面天线技术可以实现高速、可靠的数据传输。
例如，在智能交通领域，通过使用超宽带平面天线技术，可以实现车辆与车辆之间、车辆与道路基础设施之间的实时通信，提高交通安全性和效率。
在医疗领域，超宽带平面天线技术可以应用于远程医疗和无创检测，提高医疗水平和治疗效果。
总之，超宽带平面天线技术是一种具有重大意义和应用价值的前沿技术。
在未来的科技发展中，超宽带平面天线技术将继续发挥重要作用，推动无线通信、探测成像、雷达等领域的技术进步。
随着应用领域的不断拓展和创新，超宽带平面天线技术的应用前景也将更加广阔。
因此，我们应该积极和探索这一新技术，为推动人类社会的技术进步做出贡献。
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第12讲内容
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对数周期天线 平面超宽带天线
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1 4 tan
2
LPNA的设计参数是顶角 、几何因子和间距因
子 。三个参数中任意指定两个，就可以确定第三 个。 ln l / l 振子数为 n 1 min max 1
ln
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例题：设计一对数周期偶极阵用作VHF电视与FM广 播接收天线，其工作频段为54-216MHz(4:1带宽）， 要求天线具有6.5dB的增益。 (1)根据上图查得，最佳设计对应的=0.822, =0.149， 计算得 1 1 o
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因此，可以看出，对数周期天线完全满足了非频
2 tan (
4 ) 33.26
(2)最低和最高工作频率对应的波长为：
max c / fmin 5.55m
min c / f max 1.388m
最长和最短的振子长度：
lmax max / 2 2.778m lmin min / 2 0.694m
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不同频率下LPDA传输线上的相对电压分布
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对数周期天线的宽带原理
我们知道，在很宽频段内，天线的电长度l/如果
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保持不变，则必然为非频变天线。 对数周期天线满足 ln1 / ln ，如果工作波长也满 足 n1 / n ，或工作频率满足 f n1 / f n 1/ ，则 ln1 / n +1 ln / n ，满足非频变特性，这时 ln f n1 ln f n +ln(1/ ) 即，当工作频率的对数以 ln(1 / ) 作周期变化时， 天线电性能保持不变，故名对数周期天线。
值线作为和的函数曲线如下图所示。对应某一 值，存在一个最佳的 。
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间 距 因 子
0.80
几何因子
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2 tan 1 (
1 ) 14.00 4
(2)最低和最高工作频率对应的波长为： max c / f min 1.5m min c / f max 0.5m 最长和最短的振子长度： lmax max / 2 0.75m lmin min / 2 0.25m (3) n 1 13.68 为了增加高频特性，在短振子端增加 了4个额外的单元,故总单元数为18。 (4)仿照上例可以求出所有振子的长度和间隔。
左图是用矩
量法计算的 18元LPDA 振子上的电 流分布。
相应的传输
线上的电压 分布、方向 图、增益和 阻抗见后。
不同频率下LPDA振子上的电流分布
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LPDA的设计取决几何因子和间距因子。增益等
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当电磁波从短振子端馈入时，由于短振子辐射很
小，电磁波主要是通过双导线传输到辐射区，所 以短振子所构成的区域也称为传输区。 电磁波到达辐射区时，长度接近半波长的振子上 的电流最大，辐射最强，称为主振子。在它后面 较长的振子犹如一个反射器，称为反射振子。如 果电磁波是直接通过双导线馈入到反射振子上， 其上的电流相位势必滞后于主振子。但通过交叉 馈电，使得反射振子上的电流相位超前主振子， 因而保证了天线阵的最大辐射方向朝向馈电端。 主振子前较短的振子相当于引向器，经过交叉馈 电后，电流相位超前于主振子。可见辐射区的振 子构成了引向天线，最大辐射方向指向馈电端。
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对称振子的长度沿线递增，且保持与顶点构成的
角度不变
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LPDA上的
电流分布可 以利用数值 方法算出。
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对数周期天线的结构 对数周期天线（log-periodic antenna）的形式很 多。最具代表性的是由对称振子组成的对数周期 天线阵（log-periodic dipole antenna，LPDA） 。 LPDA由N+1个并列的对称振子组成。
变天线的几个要点： 天线的几何结构只与角度有关：振子长度与顶 点构成的角度不变。 天线具有自相似性：随着频率从低到高，辐射 区从长振子区向短振子区移动，反之亦然。 弱终端效应：电磁波经过辐射区的辐射，到达 后面的长振子区域时，已经很弱，恰好满足了 弱终端效应。 需要说明的是，严格地说，对数周期天线只在一 些离散频率点（fi,i=1,2,…,n+1)上非频变，在这 些频率之间，天线性能会有一些变化，不过只要 满足指标要求，依然是宽频带的。
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（3）计算振子数
n 1
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取整数n+1=9. （4）计算其余振子长度：ln1 ln l1=2.78m, l2=2.28m, l3=1.88m, l4=1.54m, l5=1.27m, l6=1.04m, l7=0.856m, l8=0.704m, l9=0.578m, （5）计算个振子元的间距：d n 2 ln d1=0.828m, d2=0.679m, d3=0.557m, d4=0.458m, d5=0.378m, d6=0.301m, d7=0.255m, d8=0.210m （6）天线总长度：3.68m
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ln lmin / lmax 1 8.09 ln
例题：设计一工作频段为200-600MHz的LPDA，增益 要求9dBi。 (1)由图查得，=0.917, =0.169，因此
天线 Antennas
第12讲 对数周期天线 与平面超宽带天线
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 qxchu@
2014/4/10 Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering