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微波毫米波新技术研讨课

课程报告

超宽带天线

一、超宽带天线概述

传统超宽带天线主要形式为：阿基米德平面螺旋天线、平面等角螺旋天线、

圆锥等角螺旋天线、平面喇叭天线、高斯褶皱喇叭天线以及对称振子天线的各种

变形等等。但随着对超宽带技术的研究越来越深入细致，超宽带天线的研究也分

成了两个主要的不同方向：一种是针对瞬态时变，即窄脉冲宽频带信号的辐射，

如偶极子天线的各种变形、平面槽天线等；一种是针对宽频带连续波信号的辐射，

如螺旋天线、对数周期天线、双圆锥天线和喇叭天线等。

在许多应用领域中，如电视。调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等，都

要求设备具有宽带化、公用化等特点。天线作为辐射和接收电磁波的重要部件，

是无线电系统中的重要组成部分，无线电设备的发展趋势要求天线能在较宽的频

带范围内有效的工作。因此，宽频带天线的研究已成为天线领域的一个重要分支。

一般来说，天线的各项电特性指标都是随频率变化的，因而天线带宽也就取决于

各项电特性指标的频率特性，在确定天线带宽时，应以其中最严格的要求作为天

线带宽的确定依据。

二、天线带宽的限制因素

天线的带宽取决于各项电特性指标的频率特性。通常，天线的主要电特性指

标均有其各自定义的带宽。

1.方向图带宽

当频率偏离设计频率时，天线方向图可能发生主板偏移、主瓣分裂、副瓣电

平增大、前后辐射比下降等。一般来说，高品端方向图易迅速恶化，它往往是限

制上限工作频率的主要因素。

2.增益带宽

通常定义增益下降到最大增益值的50%时，相应的频带宽度为3dB增益带

宽。通常，随频率降低，天线增益明显下降，它往往限制天线工作频率的上限。

3.输入阻抗带宽

当天线输入端电压一定时，输入电流会随着频率变化而改变，输入阻抗随频

率变化。因而可通过计算天线输入端电流的变化来计算天线的阻抗带宽。此外，

也可用馈线上的电压驻波比来表示。

4.极化带宽

对于圆极化天线，工程上常以最大辐射方向上或主瓣半功率波瓣宽度内，轴

比小于某一规定值来确定极化宽度。

三、实现天线宽频带的方法

1.机电结合的方法

将天线长度利用机电结合的方法进行控制，使之在不同频率上始终保持在谐

振长度上，即电长度不变。如伸缩式短波超短波直立天线。

2.天线加载的方法

将电抗元件、阻抗元件、介质材料或有源器件至于天线的某一部分中，来缩

小天线尺寸，提高效率，增大带宽。这种方式称为天线加载。加载元件可以是有

源或无源的，既可以是分布参数元件，也可以是集总参数元件。

3.采用行波天线

一种是在天线末端接匹配电阻，以吸收可能由于天线末端失配引起的反射波

能量，这种天线称为行波家在天线。如行波导线天线、菱形天线、鱼骨形天线等。

另一种行波天线具有很强的辐射能力，具有慢波结构，如长波天线、波导上

的长缝隙天线、轴向模螺旋天线、离散的八木天线、周期加载天线等。

4.采用非频变天线

非频变天线的工作频带非常宽，又称为超宽带天线。如等角螺旋天线、对数

周期天线等，其方向图和阻抗特性基本不随频率而变化。

5.采用有源天线

天线与有源元件组合成的有原天线带宽不受天线尺寸限制，其带宽与有源网

络有关，当有源网络满足水准匹配、噪声匹配时，其带宽就可以达到几十或几百

倍的扩展。

6.利用天线多模式工作

利用基模和高次模，获得不同工作频率时最大辐射方向在不同仰角上的垂直

平面方向图，用以接收来自不同方向和距离上的无线电波。这种方法以成功的应

用在短波波段，如四元圆锥螺旋天线。

四、超宽带天线的发展现状

随着电子技术的飞跃发展，宽带天线的技术也在不断的发展。20世纪50年

代之前，天线带宽一般不超过2:1。1957年，拉姆西（y）提出频率无

关天线的概念，使得宽频带天线的发展出现新的突破。这类天线的典型包括戴森

（Dyson）研究的等角螺旋天线和圆锥螺旋天线，达哈梅尔（Duhamel）和伊思

贝尔（Isbel）所建议和发展的对数周期结构天线，以及在50年代提出的阿基米

德平面螺旋天线等。这些天线的研制把天线带宽扩展到40:1或更大。目前在短

波、超短波波段以及作为微波天线馈源等方面，对数周期天线都得到了广泛的应

用。

在二十世纪五十到八十年代，宽频带技术有过较大的发展，宽频带天线的原

理以及实现技术得到了深入的理论研究和实验研究。

目前，宽频带天线朝着小型化、智能化、超宽频带化发展。

小型化方面，主要用在车辆、船舶、舰艇和飞机等卫星移动通信业务中。微

带贴片天线在此类系统中得到了广泛的应用，可以利用微带贴片形状微扰、切槽

加载、多馈点组合技术实现天线的圆极化、宽频带特性。近年来还出现了“光电

子带隙”PGB（PhotonicBand-Gap）技术，不仅可以有效抑制表面波，还可以提

高天线增益，减小阵元间的互耦，增加带宽。

超宽频带方面，美国麻省大学与墨西哥合建的世界上最静谧的大型毫米波射

电望远镜采用了卡塞格伦式反射面天线，工作频段的上限达300GHz。美国研制

的超宽带（70:1）同轴波导馈源按四层套装，将0.60-42.0GHz分为了四个子频段。

智能化方面，自适应和数字多波束形成技术各自在雷达和某些军事通信系统

中已经得到了成功的应用。