摘要：

對數(shù)周期天線存在多種形式，主要包括齒片形、齒線型和偶極型等。其中，1960年提出的對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）是結(jié)構(gòu)最簡單、應(yīng)用最廣泛且性能優(yōu)良的一類對數(shù)周期天線，廣泛應(yīng)用于 UHF、VHF、HF 頻段的電視、通信等各個(gè)領(lǐng)域中。本文根據(jù)相關(guān)理論，設(shè)計(jì)一款工作在200MHz到600MHz的對數(shù)周期天線，并且將其垂直交叉仿真，在饋電上進(jìn)行等幅相位相差90度饋電，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶內(nèi)圓極化輻射特性。

關(guān)鍵詞：對數(shù)周期天線 交叉極化 圓極化 CST 寬頻帶

一．設(shè)計(jì)原理

對數(shù)周期天線具有高度的自相似特性，工作帶寬極寬，可以達(dá)到 10:1 甚至更高。由于天線的電特性如阻抗特性，方向特性等都是電尺寸的函數(shù)，所以電特性和電尺寸息息相關(guān)。假設(shè)天線的頻率按照某一個(gè)比例變化之后仍然能保持天線的電尺寸不變，那么就意味著天線的電特性在這些頻率上就保持不變。當(dāng)天線的振子尺寸 Ln+1/Ln=τ，即頻率 fn+1/fn=1/τ，滿足 τ無限接近于 1 的時(shí)候，理論上天線的寬帶可以趨近無窮大。因?yàn)榇藭r(shí)天線頻率趨近于連續(xù)變化，天線的尺寸無限精細(xì)，導(dǎo)致尺寸也會無限大，這在現(xiàn)實(shí)情況中是無法滿足的。
 慶幸的是，實(shí)際通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果證明不需要每個(gè)工作頻率都要有相對應(yīng)的振子工作。接上信號源后電磁能量沿著集合線傳輸，依次對不同的振子進(jìn)行交叉饋電，當(dāng)振子長度接近諧振長度時(shí)能激勵起較大電流，天線的輻射效果就會達(dá)到最佳；當(dāng)振子長度和諧振長度相差較大時(shí)激勵起的電流會很小，意味著輻射也就很小，對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。對數(shù)周期天線在不同輻射陣子上的電流分布近似于高斯分布。因此，某一特定工作頻率之下，根據(jù)不同尺寸對應(yīng)著不同的電尺寸，對數(shù)周期天線可以劃分為三個(gè)區(qū)域，分別是輻射區(qū)（或稱為有效區(qū)），傳輸區(qū)和截止區(qū)。

圖1 對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)圖

圖2對數(shù)周期天線增益等值曲線

二．天線設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)理論，計(jì)算出天線最長振子L1，最短Ln，確定比例因子與間隔因子，建立如下模型：

圖3 交叉放置天線模型

圖4 天線反射系數(shù)

圖5 天線交叉隔離度

圖3給出天線的模型，天線交叉垂直放置，在短振子處進(jìn)行交叉饋電，圖4是反射系數(shù)，在200MHz到520MHz范圍內(nèi)均小于-10dB，圖5是天線交叉極化隔離情況，可以看到在整個(gè)頻帶內(nèi)，隔離度大于40dB。

圖6 200MHz方向圖

圖7 400MHz 方向圖

圖8 600MHz方向圖

圖6-8給出天線的方向圖，可以看到在這三個(gè)頻點(diǎn)均有很好的方向性。

圖9 phi=90度方向圖

圖10 theta=90 度方向圖

圖11 phi=0度方向圖

圖9-11給出三個(gè)面的方向圖，選擇頻點(diǎn)為400MHz，可以看出方向性很好。

圖12 400MHz時(shí)電流

圖12給出400MHz頻點(diǎn)的電流，可以看到最大地方為靠近中心位置。

圖13 天線軸比

圖13給出交叉饋電情況下的軸比，根據(jù)圓極化波是由兩個(gè)正交90度，幅度相同而相位差90度的電場構(gòu)成，可以用寬帶線極化天線構(gòu)建寬帶圓極化，不過難點(diǎn)是設(shè)計(jì)寬帶功分器。

三．總結(jié)

本文根據(jù)相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了一款由對數(shù)周期天線交叉放置的圓極化天線，并且給出了天線的方向圖，增益，反射系數(shù)，軸比等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提供了一種實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的思路。

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