天線的原理

一.長(zhǎng)線傳輸線
在高頻情況下,電磁波沿傳輸線傳播時(shí),由于電磁波的波長(zhǎng)很短,在傳輸線上會(huì)發(fā)生與傳輸音頻信號(hào)時(shí)不同的現(xiàn)象.必須運(yùn)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(zhǎng)可以與傳輸線的幾何長(zhǎng)度相比擬時(shí),此時(shí)的傳輸線通常稱為長(zhǎng)線.
1.長(zhǎng)線上具有電流電壓不均分布:將一傳輸線取長(zhǎng)度為10米,當(dāng)線上通以高頻電流時(shí)(長(zhǎng)線情況),如F=150MHZ.人(波長(zhǎng))=2米由于波長(zhǎng)較短,在這段傳輸線中電流有幾個(gè)周期的變化,如圖A所示.因而在同一時(shí)刻線上各點(diǎn)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(zhǎng)為6000公里,相差3000000備,同是在10米長(zhǎng)的傳輸線上電流大少變化很少可認(rèn)為不變.
2.長(zhǎng)線是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng):對(duì)于長(zhǎng)線來(lái)說(shuō),隨著傳輸線長(zhǎng)度的不同或是沿線傳播電磁波的波長(zhǎng)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(zhǎng)線的情況下,由于隨線長(zhǎng)的不同或工作波長(zhǎng)的不同,傳輸線本身會(huì)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(chǎng),線圈中才產(chǎn)生磁場(chǎng),與線長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系.

二.終端開(kāi)路的傳輸線
當(dāng)傳輸線接到信號(hào)時(shí),電信號(hào)將以光速按余弦分布規(guī)律向終端傳播.由于終端開(kāi)路,信號(hào)不能繼續(xù)向前傳播,則會(huì)向始端方向形成全反射,此時(shí)相當(dāng)于在傳輸線的終端接入一個(gè)信號(hào)源使電信號(hào)又由終端向始端以光速傳播.一般的說(shuō)把由始端向終端傳播的電波稱入射波;把由終端反射回來(lái)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(gè)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(zhǎng),電壓電流的振幅有不均分布.在終端開(kāi)路的傳輸線中,同時(shí)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(shuō)傳輸線上存在著駐波,通常傳輸線上同時(shí)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(kāi)路的傳輸線由于形成全反射,所以其駐波成份很大,故沒(méi)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(wú)損耗.那這時(shí)只是在某一個(gè)時(shí)期內(nèi)存儲(chǔ)能量,在另一時(shí)期內(nèi)放出能量.所以對(duì)信號(hào)源來(lái)說(shuō)它是一個(gè)純電抗性的負(fù)載,在終端開(kāi)路的傳輸線有以下特點(diǎn),傳輸線少于四分之一波長(zhǎng)時(shí)其電抗為容性;等于四分之一波長(zhǎng)時(shí)為電抗為零;大于四分之一波長(zhǎng)時(shí)電抗為電感性;等于二分之一波長(zhǎng)時(shí)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(kāi)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(zhǎng)時(shí)傳輸線呈感性;等于四分之一波長(zhǎng)時(shí)呈純電阻性;大于四分之一波長(zhǎng)時(shí)呈容性;等于二分之一波長(zhǎng)時(shí)電抗為零.
在一般情況下傳輸線的終端都接有負(fù)載,其負(fù)載通常既有電阻成份也有電抗成份,因而由信號(hào)源輸出的能量一部分貝負(fù)載吸收,另一部分將倍反射回來(lái),所以傳輸線上行波與駐波同時(shí)并存,為了進(jìn)一步描述線上行波和駐波的分布關(guān)系,我們引入幾個(gè)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(fù)載阻抗/傳輸線特性阻抗+負(fù)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?yàn)橥瑫r(shí)存在入射波和反射波,所以在傳輸線上任何一點(diǎn)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(fù)載時(shí),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(zhǎng)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(fù)載.
2.傳輸線上距離終端二分之一波長(zhǎng)整數(shù)處的等效阻抗等于負(fù)載阻抗.

四.天線的原理
當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時(shí),在其周?chē)?空間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng) 與磁場(chǎng).按電磁場(chǎng)在空間的分布特性,可分為近區(qū),中間區(qū), 遠(yuǎn)區(qū).設(shè)R為空間一點(diǎn)距導(dǎo)體的距離,在R《 λ/2π 時(shí)的區(qū)域稱近區(qū),在該區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)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(yuǎn)區(qū),在 該區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)能離開(kāi)導(dǎo)體向空間傳播,它的變化相對(duì)于導(dǎo) 體上的電流電壓就要滯后一段時(shí)間,此時(shí)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(chǎng)稱為輻射場(chǎng).
發(fā)射天線正是利用輻射場(chǎng)的這種性質(zhì),使傳送的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(gè)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(méi)有輻射,必須保證兩線結(jié)構(gòu)對(duì)稱,線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流大小和方向相反.且兩線間的距離《π.要使電磁場(chǎng)能有效地輻射出去,就必須破壞傳輸線的這種對(duì)稱性,如采用把二導(dǎo)體成一定的角度分開(kāi),或是將其中一邊去掉等 方法,都能使導(dǎo)體對(duì)稱性破壞而產(chǎn)生輻射.
如圖TX,圖中將開(kāi)路傳輸或距離終端π/4處的導(dǎo)體成直狀分開(kāi),此時(shí)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(diǎn)的輻射場(chǎng)同相迭加.構(gòu)成一個(gè)有效的輻射系統(tǒng).這就是最簡(jiǎn)單,最基本的單元天線,稱為半波對(duì)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(lái)以后,向四面?zhèn)鞑コ鋈?若電磁波傳 播的方向上 放一對(duì)稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).如此時(shí)天線與接收設(shè)備相連,則在接收設(shè)備輸入端 就會(huì)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(shuō)此時(shí)天線起著接收天線的作用,接收效果的好壞除了電波的強(qiáng)弱外還取決于天線的方向性和半邊對(duì)稱振子與接收設(shè)備的匹配.