下载文档原格式
对数周期偶极子天线阵的互耦分析杨国英;赵福玲【摘要】结合1970年Robert H. Kyle提出的对数周期天线间互耦的分析方法和1973年Hyong K Choe、Charles E Smith提出的对数周期天线分析方法分析了对数周期偶极子天线组阵时单元间的互耦，给出了阵中单元考虑互耦与不考虑互耦影响的电流分布、阵中方向图以及驻波比，并用该方法和Feco仿真软件计算了天线阵方向图，二者较好的一致性表明了该算法的正确性，得到了互耦对天线性能影响的结论。
% In this paper,mutual coupling in arrays of log⁃periodic dipole antennas is analyzed based on the analysis method given by Robert H. Kyle in 1970 and analysis method of log⁃periodic antenna given by Hyong K. Choe and Charles E. Smith in 1973. Then the current distribution,in⁃place element pattern and SWR are presented when mutual coupling are considered but effects of mutual coupling are not considered. The directional diagram of the antenna array are calculated with the method and simulation software Feco. The correctness of the method was proved by the high consistency of them. Some conclusions about effects of mutual coupling on antenna characteristics were attained.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(000)011【总页数】4页(P85-88)【关键词】LPDA;互耦;分析方法;阻抗;驻波比【作者】杨国英;赵福玲【作者单位】中国电波传播研究所青岛研发中心，山东青岛 266071;中国电波传播研究所青岛研发中心，山东青岛 266071【正文语种】中文【中图分类】TN821⁃34对数周期偶极子天线[1]（LPD天线）是一种众所周知的结构简单、性能良好的宽频带天线。
一种旋转对数周期天线设计1. 引言1.1 引言概述旋转对数周期天线是一种用于通信系统和雷达系统的重要天线设计方案。
它具有较高的增益和较低的副瓣，能够有效地提高系统的性能。
在现有的天线设计中，传统的对数周期天线存在一些局限性，例如固定的辐射模式和辐射方向。
为了克服这些局限性，研究人员提出了一种新型的旋转对数周期天线设计。
通过引入旋转机制，这种天线可以实现辐射模式和辐射方向的灵活调整，从而满足不同应用场景的需求。
本文将从研究背景、设计原理、设计过程、性能分析和实验验证等方面对这种天线进行深入探讨。
通过对这种天线的研究，我们可以更好地了解其工作原理和性能特点，为未来的天线设计提供参考。
本文还将总结研究成果并展望未来的研究方向，以期为天线技术的发展做出贡献。
通过深入研究旋转对数周期天线设计，我们可以为通信系统和雷达系统的性能提升提供有效的解决方案。
2. 正文2.1 研究背景传统的周期天线设计通常采用普通对数螺旋天线结构，其工作频率由螺旋臂的长度和宽度决定。
这种设计存在着一些局限性，如频率范围较窄、辐射效率不高等问题。
为了克服这些问题，人们开始研究新型的周期天线设计。
在最近的研究中，一种新型的旋转对数周期天线设计引起了广泛关注。
这种天线结构采用了旋转对数螺旋臂，能够实现更宽的工作频率范围和更高的辐射效率。
具体来说，通过调整对数螺旋臂的旋转角度，可以实现对天线的频率响应进行调节，从而满足不同应用场景的需求。
随着无线通信技术的不断发展，对高性能天线的需求也越来越迫切。
研究旋转对数周期天线设计具有重要的理论意义和实际价值。
通过深入分析旋转对数周期天线的设计原理和性能特点，可以为未来的天线设计提供新的思路和方法，促进通信技术的进一步发展。
2.2 旋转对数周期天线设计原理旋转对数周期天线是一种具有特殊结构的天线，它能够实现较大的频率覆盖范围和较高的增益。
其设计原理主要是基于对数周期结构和旋转技术的结合。
对数周期结构是一种能够实现宽频工作的结构，其特点是周期性变化的结构单元可以实现对不同频率的辐射效果。
现代电子技术Modern Electronics Technique2024年2月1日第47卷第3期Feb. 2024Vol. 47 No. 30 引 言超短波是指频率为30~300 MHz 的电磁波，其广泛地应用于广播、移动通信、雷达和战术通信中[1⁃4]。
超短波的主要传播方式为视距传播，这种传播方式要求天线具有较高方向性和增益。
对数周期天线是一种经典的非频变天线，具有结构简单、工作频带宽、增益高以及定向性好等特点[5⁃6]，广泛地应用于各种通信领域。
传统的对数周期天线设计方法已经很成熟[7⁃9]，基本是根据增益与τ（比例因子）和σ（间距因子）的关系曲线找出最佳的τ和σ，再根据工作带宽通过公式计算出各个振子的长度与间距。
这样设计出的对数周期天线虽然能够在工作频带内获得可观的电性能，但是天线的集合线长度往往过长，不利于天线的实际使用[10]。
在设计时需要通过优化τ和σ使天线的集合线长度满足实际的需要[11]。
国内外学者在短波、超短波以及微波波段对对数周一种分段的超短波对数周期天线设计与实验唐金彪1， 李相强1， 崔玉国2， 乔小斌1（1.西南交通大学 物理科学与技术学院， 四川 成都 610031；2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室， 山东 青岛 266107）摘 要： 超短波的传播方式主要为视距传播，这种传播方式需要天线具有强方向性且有较高的增益。
而对数周期天线是一种超宽带、中等增益的天线，非常适用于超短波通信。
然而在超短波频段下，常规对数周期天线的长度较长，小型化程度不高。
为了实现超短波对数周期天线的小型化，提出一种分段的超短波对数周期天线的设计方案。
根据应用需求，在满足天线增益的情况下，采用分段设计缩减天线长度，同时调整集合线之间的夹角，以实现天线的阻抗匹配。
经过仿真设计，天线在30~70 MHz 频段内典型增益大于8 dBi ，天线的长度缩减至7 m 。
采用基于无人机飞行平台的外场测试系统对天线进行实验测试，测试结果表明，天线在工作频率范围内驻波比小于1.5，测试与仿真的辐射特性基本一致。
对数天线引言在现代通信领域中，天线是不可或缺的元件之一。
天线的作用是将传输信号从一个点转移到另一个点，以使无线通信成为可能。
其中一种被广泛应用的天线类型是对数天线。
对数天线是一种特殊设计的天线，具有广泛的应用领域。
本文将介绍对数天线的原理、结构和应用。
一、对数天线的原理对数天线的原理基于对数周期天线的概念。
对数周期天线是一种无限期周期结构，其特点是在多个方向上具有相同的响应。
这种特性使得对数天线在多个方向上的性能均衡并且稳定。
对数周期天线的设计基于一种高度复杂的几何形状，通过这种形状可以实现宽频带、宽角度的覆盖范围，以及减小信号波束的波前畸变。
通过采用对数天线作为传输介质，可以提高通信性能，并减小衰减、多径干扰等不利因素的影响。
二、对数天线的结构对数天线的结构包括两个主要部分：基座和天线体。
基座是对数天线的支撑结构，用于提供稳定的安装平台。
天线体是对数天线的主要部分，包括天线辐射器、天线驻波器、馈电缆等组件。
对数天线的辐射器采用特殊的几何形状，以实现宽带、宽角度的辐射特性。
同时，天线驻波器用于匹配辐射器和馈电缆之间的阻抗，以确保信号的传输效率。
馈电缆则用于将信号从天线传输到接收或发射设备。
三、对数天线的应用对数天线由于其独特的设计和性能特点，在多个领域中得到了广泛应用。
以下是对数天线在几个不同领域的应用案例：1. 通信领域：对数天线在无线通信领域中被广泛使用。
其宽带、宽角度的辐射特性使得其可以实现更远距离的信号传输，提高通信质量和可靠性。
2. 雷达系统：对数天线在雷达系统中的应用也非常重要。
其对多个方向的响应使其成为检测和跟踪目标的理想选择。
3. 无人机和航空领域：对数天线在无人机和航空领域中的应用也得到了广泛关注。
其稳定的性能和高度可见性使其成为无人机导航和通信的理想选择。
4. 卫星通信：对数天线在卫星通信中的应用也被广泛采用。
其宽角度和宽带特性使其可以实现更稳定、高效的卫星通信。
结论对数天线是一种特殊设计的天线，具有广泛的应用领域。
一种旋转对数周期天线设计1. 引言1.1 背景介绍为了解决这一问题，研究者们提出了旋转对数周期天线的设计概念。
旋转对数周期天线在沿天线轴方向旋转时，可以改变其天线特性，实现动态波束调整和指向性控制，从而提高信号接收和发送的性能。
旋转对数周期天线的设计仍然存在一定的挑战，如如何实现旋转机械结构、如何优化天线性能等问题，需要进一步研究和解决。
本文将针对旋转对数周期天线的设计原理、设计要点与优化方法、实际应用与性能评价、挑战与解决方案以及相关技术发展趋势进行探讨，以期为进一步提高旋转对数周期天线的设计和应用水平提供一定的参考和指导。
1.2 研究意义旋转对数周期天线是一种重要的天线设计形式，具有很高的研究意义和广泛的应用前景。
旋转对数周期天线具有较宽的工作频段和方向性较好的辐射特性，适用于各种通信系统和雷达系统。
旋转对数周期天线设计能够有效提高天线的接收和发送性能，增强信号的传输质量，从而提高通信系统的覆盖范围和数据传输速度。
旋转对数周期天线的设计原理和优化方法对于提高天线的频率选择性和辐射效率具有重要的指导意义，对于解决现有天线在实际应用中存在的问题具有积极的推动作用。
综合上述，研究旋转对数周期天线的设计方法及其在通信系统中的应用具有重要的理论意义和实际价值，对于提高通信系统的性能和服务质量具有重要意义。
对旋转对数周期天线的研究具有重要的意义和价值，值得深入探讨和研究。
1.3 研究方法研究方法是一项科学研究的重要环节，既关乎研究结果的准确性和可靠性，也影响研究效率和成果的质量。
在进行有关旋转对数周期天线设计的实验研究时，我们首先需要建立一个完善的实验方案。
实验方案的设计应包括实验的具体步骤、所需的材料和设备、实验的控制变量以及测量方法等。
在实验研究中，我们需要合理选择样本对象，确保实验数据的代表性和可靠性。
在旋转对数周期天线设计的研究中，样本对象可以是具有不同特性和规格的天线器件，以便比较和分析它们的性能差异。
对数周期天线
与频率无关天线设计原则：
1． 角形结构，与r 坐标无关，传播TEM 波 2． 自补结构，Babinet 原理4/2η=slot dipole Z Z
3． 自相似结构，频率变化时，有效辐射区域沿着天线移动 4． 天线辐射臂（金属）结构粗（直径）、大（面积）
与频率无关天线分类 螺旋天线（spiral ）
对数周期天线（log-periodic ） 其它天线(biconical 、V-conical)
螺旋天线（spiral ）
等角螺旋天线（Equiangular speral ） 阿基米德螺旋天线(Archimedean speral)
平面螺旋天线
背腔螺旋天线（cavity-backed ） 圆锥螺旋天线(conical )
双臂螺旋天线（two-arms ）
四臂螺旋天线(two-arm-pair)、收发分离，极化分离等
其他螺旋天线：sinous antenna 、others
追求的目标
结构简化，成本降低，易于生产等等
天线性能指标好：波束、阻抗、增益、带宽、等等 或者二者兼而有之，不但结构简化，而且天线性能指标好。
平面对数周期天线
原始的对数周期天线是在Bowtie 天线的边缘加上对数周期齿形成的。
齿的作用使中断的电流沿着齿继续流动。
从等角螺旋天线知道，导体边缘的径向坐标为
)2(0πϕn a n e r r += (1)
其中n 是圈数。
第n+1圈和第n 圈的径向坐标之比为一个常数
επ
πϕπϕ===++++a n a n a n n e e
r e r r r 2)2(0))1(2(01 (2) 这个可称之为平面螺旋天线的周期。
相应的，我们也令对数周期天线的导体边缘之比为常数，
11
<=
+n
n R R τ (3) 槽的宽度为（齿的内边缘的径向坐标）
1<=
n
n
R a σ (4) 下标是从最外面的齿计数，式(3)和式(4)对任意n 都成立，参数τ给出了结构的周期。
天线有这样的周期结构，可以预期，天线输入阻抗和方向图也有相同的周期特性。
换句话说，如果频率1+n f 和n f 是相邻的两个周期，在1+n f 和n f 天线有相同的性能，
11
<=+τn n f f (5)
两边取对数有
)1log(log log 1τ+=+n n f f (6)
也就是说，天线性能是以一个常数的对数为周期。
这是对数周期天线名称的来历。
如果平面对数周期天线的齿设计恰当，可以使天线具有自补结构。
α平面对数周期天线一个辐射臂的张角（从齿边缘计）
β平面对数周期天线中心导体的张角（bowtie 天线的长角）
δ平面对数周期天线一个齿的张角
γ平面对数周期天线两个辐射臂中心导体边缘之间的夹角
参见图3有如下关系
δβα2+= (7) ο180=+βγ (8)
对于自补结构，要求
γα=， δβ= (9)
可以得到
ο45=β ο1353==βα (10)
前节已经讨论了自补天线，其输入阻抗是常数，等于188.5Ω，与频率无关。
n
n n n a R
R a 1+==
σ, n n n n R R R a τ==+1 于是
τσ= （11） 图4
式（10）和式（11）式常用公式。
平面对数周期天线的性能取决于参数τ，实验研究表明，参数τ增加，天线的半功率波束宽度也增加，2.0=τ波束宽度约为ο30，9.0=τ波束宽度约为ο75。
在垂直于天线的法线方向有两个最大辐射波束。
线极化方向平行于齿的边缘。
这和V-锥天线（0=δ）的极化方向正交，这表明沿着齿的电流与径向电流相比，沿着齿的电流（横向电流）占主导地位。
大部分电流出现在长度约为四分之一波长金属齿（有效区域）上。
当频率变化时，有效区域沿着径向移动。
频带的上下限取决于最小和最大齿的长度。
平面对数周期天线的输入阻抗和辐射方向图随频率周期性变化，变化周期为τlog 。
自补型平面对数周期天线的性能尽管随频率有些变化，但是，在1+<<n n f f f 周期内变化是不大的。
实验研究表明，在10:1的带宽内，其性能差不多不变化。
劈形对数周期天线
平面对数周期天线的两个辐射臂之间的夹角ψ为ο
180，为了得到单向辐射，如图5所示，在顶点处弯曲，使两个辐射臂之间的夹角ψ
在ο
ο60
<ψ范围内，形成劈形对数周期天线。
如图所示的电流方向，30<
模式，，而金属齿上的电流同
向构成辐射模式，由于齿的尺
寸是向着馈电点逐步减小，因
此天线的主波束在+z方向，
而且方向图几乎不随频率变。
极化电场在y方向，x方向有
交叉极化电场。
典型的交叉极化分量为-18dB。
取决于两个方向的电
流之比。
天线的带宽和平面对数周期天线类似，但是，天线输入阻抗
变化很大。
ο
ψ，输入阻抗为188.5欧姆（自补天线为165欧姆）；
=
180
ψ，输入阻抗为70欧
30
=
姆。
参见Rumsey的著作
（Frequency independent
antennas, 1966）。
前面介绍的对数周期天
能不能采用直边缘呢？采用
直边缘的话，天线结构将得
到简化，另一方面，这种简化将影响天线性能。
这是对数周期天线的一步重要演变。
边缘弯曲变成直边缘得到梯形齿对数周期天线，如图6所示。
梯形齿对数周期天线的性能类似于图3所示的弯曲边缘对数周期天线。
也可以把梯形齿对数周期天线的两个辐射臂的夹角从ο180减小，形成劈形对数周期天线，其性能如方向图和弯曲臂的劈形对数周期天线类似，只是输入阻抗性能还要好一些（变化范围小一些）。
当频率较高波长较短，按上述方法设计天线没有困难，当频率比较低时，波长比较长，用实心的金属片则相当困难。
根据V-锥天线的研究，知道，电流主要分布在金属辐射面的边缘。
现在，用金属导线沿着对数周期天线金属辐射面的边缘布置，就得到线状梯形齿对数周期天线，如图7所示。
在天 线顶点把两个辐射臂弯一定的
其性能和面结构劈形对数周期 天线类似。
当ο45=ψ时，实验 结果如下：E-面和H-面半功率波束宽度为ο66，增益为9.2dB 前后比为12.3dB 。
在10:1带
宽内平均输入阻抗为110欧姆，VSWR 为1.45。
和其他对数周期天线类似，主波束在ο180=θ方向，线极化。
对数周期天线再进一步演变，令0=β，0=ψ，并用平行金属导线段代替连续的金属导线，得到应用最为广泛的对数周期偶极天线
（LPDA ）。
对数周期偶极天线是串馈的平行偶极子阵列天线。
从馈电点开始，偶极子的长度依次增大。
需要注意的是，相邻偶极子单元要交叉馈电，参见图8，对所有劈形对数周期天线都适用。
图9给出成功构造LPDA 的方法（馈电）。
用两根同轴线支撑LPDA 的阵元，一根是真同轴线，
图所示。
两个外导体上电流 反向，是传输线模式。
如图8所示，张角αLPDA 因子τ为
11
<=
+n
n R R τ (12) 于是
1
122)2(++==n n n n R L R L tg α
，)1(,2,1-=N n Λ (13) 即
n
n n n L L R R 1
1++==
τ (14)
相邻阵元位置之比等于相邻阵元长度之比。
LPDA 的间距因子定义为
n
n
L d 2=
σ (15) 因为n n n n n n R R R R R d )1(1ττ-=-=-=+，)2()2
(
αtg L R n
n =，得到 )
2(2)
1(ατtg L d n
n -= (16)
)
2(412ατ
σtg L d n n -==
(17) 反之
)41(
2σ
τ
α-=tg (18) 最后的到
n
n n n n n d d L L R R 1
11+++===
τ (19) 类似于其他对数周期天线和螺旋天线，在LPDA 上存在有效辐射区域。
有效区域的偶极子的长度接近半个波长，其电流比别的辐射单元要强很多。
把LPDA 看成是一个八目天线比较方便，在有效振子后面、比有效振子长的偶极子起的作用是反射器，在有效振子前面、比有效振子短的偶极子起的作用是引向器。
辐射方向是从顶点射出的方向。
约束天线的张角象一个箭头指向主波束最大辐射方向。
LPDA还可以进一步演化，把偶极子折合起来形成或者说是去掉一半振子得到，也可以做成印刷电路形式，放置在机壳表面。
思路（idea develop）
图1.研究天线的思路（idea develop）
图2.。
