天線的原理

一.長線傳輸線
在高頻情況下,電磁波沿傳輸線傳播時,由于電磁波的波長很短,在傳輸線上會發(fā)生與傳輸音頻信號時不同的現(xiàn)象.必須運用,另外一套適合高頻情況的分析方法.
當(dāng)沿傳輸線上傳播的電磁波的波長可以與傳輸線的幾何長度相比擬時,此時的傳輸線通常稱為長線.
1.長線上具有電流電壓不均分布:將一傳輸線取長度為10米,當(dāng)線上通以高頻電流時(長線情況),如F=150MHZ.人(波長)=2米由于波長較短,在這段傳輸線中電流有幾個周期的變化,如圖A所示.因而在同一時刻線上各點電流的大少與方向都有所不同;而在低頻情況下(即短線情況下)如F=50HZ的交流電,其工作波長為6000公里,相差3000000備,同是在10米長的傳輸線上電流大少變化很少可認為不變.
2.長線是一個分布參數(shù)系統(tǒng):對于長線來說,隨著傳輸線長度的不同或是沿線傳播電磁波的波長不同,在傳輸線上本身就具有分布電容和分布電感參數(shù).并且這些分布參數(shù)的影響很大,在長線的情況下,由于隨線長的不同或工作波長的不同,傳輸線本身會呈現(xiàn)出不同性質(zhì)的阻抗(容抗,感抗或純電阻).而短線上只有電容器中才具有電場,線圈中才產(chǎn)生磁場,與線長沒有關(guān)系.

二.終端開路的傳輸線
當(dāng)傳輸線接到信號時,電信號將以光速按余弦分布規(guī)律向終端傳播.由于終端開路,信號不能繼續(xù)向前傳播,則會向始端方向形成全反射,此時相當(dāng)于在傳輸線的終端接入一個信號源使電信號又由終端向始端以光速傳播.一般的說把由始端向終端傳播的電波稱入射波;把由終端反射回來的電波稱反射波.入射波和反射波都是行波.這里所謂的行波即是電壓與電流同相的電波.
討論傳輸線還引入一個駐波的概念,所謂駐波就是電壓與電流相位不同且相差四分之一波長,電壓電流的振幅有不均分布.在終端開路的傳輸線中,同時存在著反射波和入射波,反射波電流與入射波電流的相位互為反相,所以說傳輸線上存在著駐波,通常傳輸線上同時存在著行波和駐波,行波,駐波是由入射波和反射波的電流形成的.終端開路的傳輸線由于形成全反射,所以其駐波成份很大,故沒有能量傳輸(只有在行波狀態(tài)下線上才有能量傳輸)假設(shè)這條傳輸線無損耗.那這時只是在某一個時期內(nèi)存儲能量,在另一時期內(nèi)放出能量.所以對信號源來說它是一個純電抗性的負載,在終端開路的傳輸線有以下特點,傳輸線少于四分之一波長時其電抗為容性;等于四分之一波長時為電抗為零;大于四分之一波長時電抗為電感性;等于二分之一波長時為純電阻性.

三.終端短路的傳輸線
終端短路的傳輸線和終端開路的傳輸線相反,它的駐波特性是入射電流與反射波電流同相,入射波電壓與反射波電壓相位相反.其阻抗特性是小于四分之一波長時傳輸線呈感性;等于四分之一波長時呈純電阻性;大于四分之一波長時呈容性;等于二分之一波長時電抗為零.
在一般情況下傳輸線的終端都接有負載,其負載通常既有電阻成份也有電抗成份,因而由信號源輸出的能量一部分貝負載吸收,另一部分將倍反射回來,所以傳輸線上行波與駐波同時并存,為了進一步描述線上行波和駐波的分布關(guān)系,我們引入幾個具體的指標(biāo):
1.反射系數(shù):P=反射波振幅/入射波振幅=傳輸線特性阻抗-負載阻抗/傳輸線特性阻抗+負載阻抗
2.行波系數(shù):K=電壓最小值/電壓最大值=反射波振幅-入射波振幅/反射波振幅+入射波振幅
在傳輸線中因為同時存在入射波和反射波,所以在傳輸線上任何一點的電壓都是兩波振幅之和.
3.駐波比:S=電壓最大值/電壓最小值
綜上所述,在傳輸線終端有負載時,傳輸線輸入阻抗有以下性質(zhì):
1.傳輸線上距離終端四分之一波長的奇數(shù)倍處的等效阻抗等于特性阻抗的平方除以終端負載.
2.傳輸線上距離終端二分之一波長整數(shù)處的等效阻抗等于負載阻抗.

四.天線的原理
當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時,在其周圍 空間會產(chǎn)生電場 與磁場.按電磁場在空間的分布特性,可分為近區(qū),中間區(qū), 遠區(qū).設(shè)R為空間一點距導(dǎo)體的距離,在R《 λ/2π 時的區(qū)域稱近區(qū),在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導(dǎo)體中電流,電壓有緊密的聯(lián)系.
在R》λ/2π的區(qū)域稱為遠區(qū),在 該區(qū)域內(nèi)電磁場能離開導(dǎo)體向空間傳播,它的變化相對于導(dǎo) 體上的電流電壓就要滯后一段時間,此時傳播出去的電磁波已不與導(dǎo)線上的電流,電壓有直接的聯(lián)系 了,這區(qū)域的電磁場稱為輻射場.
發(fā)射天線正是利用輻射場的這種性質(zhì),使傳送的信號經(jīng)過發(fā)射天線后能夠充分地向空間輻射,如何使導(dǎo)體成為一個有效輻射體導(dǎo)系統(tǒng)呢?這里我們先分析一下傳輸線上的情況,在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射,必須保證兩線結(jié)構(gòu)對稱,線上對應(yīng)點電流大小和方向相反.且兩線間的距離《π.要使電磁場能有效地輻射出去,就必須破壞傳輸線的這種對稱性,如采用把二導(dǎo)體成一定的角度分開,或是將其中一邊去掉等 方法,都能使導(dǎo)體對稱性破壞而產(chǎn)生輻射.
如圖TX,圖中將開路傳輸或距離終端π/4處的導(dǎo)體成直狀分開,此時終端導(dǎo)體上的電流已不是反相而是同相了,從而使該段導(dǎo)體在空間點的輻射場同相迭加.構(gòu)成一個有效的輻射系統(tǒng).這就是最簡單,最基本的單元天線,稱為半波對稱振子天線,其特性阻抗為75Ω.電磁波從發(fā)射天線輻射出來以后,向四面?zhèn)鞑コ鋈?若電磁波傳 播的方向上 放一對稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.如此時天線與接收設(shè)備相連,則在接收設(shè)備輸入端 就會產(chǎn)生高頻電流,這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流,也就是說此時天線起著接收天線的作用,接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決于天線的方向性和半邊對稱振子與接收設(shè)備的匹配.