天線與傳播(下)

1、WORD格式天線與傳播( 上 )也是無(wú)線電愛(ài)好者最常自制的器材之一。天線的好壞直接影響無(wú)線電通訊系統(tǒng)的收發(fā)效果和通訊距離。業(yè)余無(wú)線電臺(tái)具有發(fā)射功率小、收發(fā)共用同一天線和天線架設(shè)條件簡(jiǎn)陋等特點(diǎn)，更加要求合理地選用適當(dāng)?shù)奶炀€以達(dá)到更好的通訊效果。天線，是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。它的工作有點(diǎn)像音響里的揚(yáng)聲器和話筒，它把在電路里流動(dòng)的高頻電流通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過(guò)任何導(dǎo)體時(shí)， 導(dǎo)體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動(dòng)，在導(dǎo)體外面空間會(huì)感應(yīng)激發(fā)電磁波。天線也把在空間的電磁波通過(guò)感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電流，因此， 可以說(shuō)天線是收發(fā)互逆的。任何天線在接收時(shí)的所有特性及參數(shù)都可以由該天線

2、在發(fā)射狀態(tài)時(shí)的已知特性及參數(shù)決定，反之亦然。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，若一條天線的接收效果好，則該天線的發(fā)射效果也好。電子和磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)或磁場(chǎng)，交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)互相轉(zhuǎn)換，形成電磁波以光速向外輻射。理論上使電子和磁子作高頻振動(dòng)均能產(chǎn)生同樣的電磁波，但由于電路里本身就是流動(dòng)著高頻電流，因此我們常用的是電天線即使電子作高頻振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電磁波。為了使天線的輻射提高，必須使流過(guò)天線導(dǎo)體的高頻電流盡量的強(qiáng)，我們知道當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電路上的電流最大，因此， 若使天線處于諧振狀態(tài)，則天線的輻射最強(qiáng)。由傳輸線理論可知，當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，該導(dǎo)體在該波長(zhǎng)的頻率上呈諧振特性，導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)為串聯(lián)諧

3、振特性，導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/2 波長(zhǎng)為并聯(lián)諧振特性。由于1/2波長(zhǎng)的振子比1/4 波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)，所以1/2 波長(zhǎng)振子的輻射比1/4 波長(zhǎng)振子強(qiáng)，但振子超過(guò)1/2波長(zhǎng)雖然輻射繼續(xù)加強(qiáng)，但由于超過(guò)1/2 波長(zhǎng)的部分的輻射是反相位而對(duì)輻射有抵消的作用，因此總的輻射效果反而被打折扣，所以，通常的天線都采用1/4 波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)度單位，這種由兩根長(zhǎng)度相同的導(dǎo)體構(gòu)成的天線就叫偶極天線（見(jiàn)圖1）。這是最簡(jiǎn)單、最基本的天線，其他的天線都可以等效成偶極天線的變形和疊加。電波在真空中傳播的速度是約每秒30 萬(wàn)公里的光速，但在不同的介質(zhì)中有不同的傳播速度，波長(zhǎng)也不同，因而，在不同的介質(zhì)中，天線的振子長(zhǎng)度可以縮小

4、，例如在空氣中的縮短系數(shù)是 0.98 。有的介質(zhì)的縮短系數(shù)很大，可以使天線大大縮小，但通常介質(zhì)的電波損耗比真空和空氣大， 天線的效率并不高。同樣的天線，工作頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則天線的振子也越長(zhǎng)，天線也顯得越龐大。電磁波在傳播時(shí)其電場(chǎng)或磁場(chǎng)的方向是有固定的規(guī)律的，我們叫電波的極化，是以電場(chǎng)分量的方向命名。電波的電場(chǎng)和地面垂直，稱為垂直極化波；電波的電場(chǎng)與地面平行，稱為水平極化波。 電波的極化是由發(fā)射天線決定的，因此天線按其輻射電波的極化分為水平極化和垂直極化天線，根據(jù)天線收發(fā)互逆，接收時(shí)天線也必須采用與發(fā)射同種極化的天線才能有最好的接收效果。天線的重要指標(biāo)1.輻射效率輸入到天線系統(tǒng)的功率，在天

5、線系統(tǒng)中會(huì)由于熱損耗、介質(zhì)損耗等消耗掉一部分，而不能全部變?yōu)殡姶挪ㄝ椛洹Ｌ炀€的輻射效率就是輻射功率與輸入功率之比，它與天線的損耗電阻、輻射電阻、工作波長(zhǎng)等有關(guān)。為了提高天線的輻射效率，就要盡量增大輻射電阻和減小損耗電阻。同時(shí)，發(fā)射頻率越低，天線的輻射效率也越低，換句話說(shuō)就是信號(hào)的頻率越低，越難以輻射。這也就是為什么高頻電路特別需要注意屏蔽和隔離的原因。2特性阻抗把一定頻率的高頻功率信號(hào)饋入到天線的輸入端，天線就會(huì)呈現(xiàn)出一定的電阻和電抗，稱為天線的特性阻抗。天線的特性阻抗與天線的形狀、尺寸、工作波長(zhǎng)、信號(hào)的饋入點(diǎn)、周圍環(huán)專業(yè)資料分享WORD格式境的影響等多種因素有關(guān)。大多數(shù)情況下，特性阻抗可以通

6、過(guò)理論計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)確定，但用普通的萬(wàn)用表是不能測(cè)量出來(lái)的。若天線系統(tǒng)的特性阻抗與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗相同，就稱為阻抗匹配， 這時(shí)天線系統(tǒng)的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了傳輸系統(tǒng)饋送的全部功率。而如果天線系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗有差異，系統(tǒng)就不匹配，造成電波從天線系統(tǒng)反射回傳輸系統(tǒng)， 這部分反射的電波信號(hào)由于來(lái)回反射被損耗掉，沒(méi)有被天線系統(tǒng)輻射出去，無(wú)形中使實(shí)際饋送到天線系統(tǒng)的高頻功率信號(hào)減少，造成傳輸效率下降，如圖 2所示。 由于一般收發(fā)信機(jī)和高頻同軸電纜的特性阻抗均為50，所以，通常應(yīng)努力使天線的特性阻抗也為50 ，只有這樣，才能使整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的傳輸效率最高。3天線增益把天線的輻射向某個(gè)方向集中

7、，在這個(gè)方向上天線所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)增大，也就是說(shuō)天線具有增益。通常表示天線的增益采用對(duì)數(shù)比值dB表示，所用的比較基準(zhǔn)不同，得出的天線增益值也有很大的不同，一般是以無(wú)方向天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)為基準(zhǔn)。理論上可以把天線的全部輻射都集中到遠(yuǎn)處的一點(diǎn)上，但實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)它需要極其龐大復(fù)雜的天線系統(tǒng)，而這時(shí)天線內(nèi)部的相互影響和產(chǎn)生的損耗會(huì)抵消掉天線產(chǎn)生的增益，天線的增益增加到一定的程度就很難提高，最多只能有幾十分貝（dB）。有一個(gè)比較形象地表現(xiàn)天線輻射情況的是天線輻射方向圖（見(jiàn)圖3），天線方向圖可以反映天線分別在水平方向和垂直方向上達(dá)到相同場(chǎng)強(qiáng)的距離?？偟膩?lái)說(shuō)，一個(gè)好的天線系統(tǒng)，首先是天線系統(tǒng)本身的輻射效率要高，

8、損耗要小，其次是要能與傳輸系統(tǒng)匹配，使整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到最高，再次就是能盡量地使所輻射的能量集中到所需要的地方，抑制不必要的輻射。業(yè)余無(wú)線電常用的天線形式業(yè)余無(wú)線電中較常用的天線形式有水平半波偶極天線（Dipole）、垂直接地天線（Vertical ）、八木天線（ Yagi ）等。水平半波天線采用兩條1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)線作振子，水平于地面架設(shè)起來(lái)，在中間饋入高頻信號(hào)，天線發(fā)射和接收的是水平極化波，其輻射是水平8 字型方向圖形（見(jiàn)圖4）。水平半波偶極天線有兩種架設(shè)方法，一種是用支架拉起天線振子的兩端的“水平架設(shè)”法，另一種是用支架在中間把饋電端撐起，天線振子以?shī)A角120° 往下拉開(kāi)

9、的“倒V 型架設(shè)”法。這種架設(shè)方法的優(yōu)點(diǎn)是只用一根支撐架，而且天線容易與50 電纜匹配。垂直極化天線是天線被架設(shè)在地面上，由于地面具有一定的導(dǎo)電性，會(huì)對(duì)天線的輻射產(chǎn)生影響，其作用的結(jié)果相當(dāng)于在地面的下面對(duì)稱位置安放一個(gè)“鏡像” 天線一樣。 對(duì)于垂直接地天線（ Vertical ），其輻射角和天線的長(zhǎng)度、天線架設(shè)離地面的高度和地面導(dǎo)電率等因素有關(guān)，一般 HF 的垂直天線都是在非常接近地面的地方架設(shè)，因此可重點(diǎn)考慮輻射角和天線的長(zhǎng)度的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算可知，由于“鏡像天線”的作用（見(jiàn)圖5），垂直天線輻射沿著地面方向輻射最大，輻射角度越貼近水平面，通過(guò)電離層反射所能到達(dá)的距離就越遠(yuǎn)。在天線長(zhǎng)度為1/2

10、波長(zhǎng)時(shí)沿著地面方向輻射最大，當(dāng)天線長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，雖然水平方向輻射角繼續(xù)減少，但同時(shí)在垂直方向（天空方向）有副瓣輻射出現(xiàn)。有的垂直天線為了減少副瓣輻射，采取改變天線振子電流分布的方法。單根垂直接地天線在水平方向的輻射是無(wú)方向性的，也就是對(duì)于四面八方的信號(hào)有著相同的收發(fā)效果。垂直接地天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、架設(shè)容易、 占地方小、輻射角低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)垂直接地天線也有增益低、無(wú)方向性和接收噪音大等固有的缺點(diǎn)。通常在工作頻率低，要求全向通訊，架設(shè)條件比較苛刻時(shí)使用。比較著名的方向性天線是八木天線，一般的單頻段的八木天線（見(jiàn)圖6），經(jīng)典設(shè)計(jì)是以 1/4波長(zhǎng)振子為有源輻射單元（實(shí)際振子長(zhǎng)度還應(yīng)乘上相應(yīng)的縮短系

11、數(shù)），在距有源輻射單元后面 1/4 波長(zhǎng)的地方放置一根振子稱為反射器，在距有源輻射單元前面1/4波長(zhǎng)的地方放置一根振子稱為引向器，通過(guò)調(diào)整反射器和引向器振子的長(zhǎng)度，使反射器振子感應(yīng)的電流比有源輻射振子的電流相位超前 /2 ，引向器振子的電流比有源輻射振子的電流相位落后 /2 。這專業(yè)資料分享WORD格式樣從遠(yuǎn)區(qū)得到的電波情況是：在反射器方向，因反射器和有源振子輻射的電波相位差為180° 而相互抵消，因而沒(méi)有信號(hào)。在引向器方向，則相位相同而得到加強(qiáng)（理想情況下是加倍）。根據(jù)傳輸線理論，只要反射器和引向器的長(zhǎng)度分別取得較有源振子長(zhǎng)一點(diǎn)和短一點(diǎn)（或加入可調(diào)節(jié)的電抗器），則它們的阻抗分別呈電

12、感性和電容性，便能獲得所需的相位關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步增加引向器方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，使天線的方向性更好，常采用加入多個(gè)引向器的方法。由于加入了多個(gè)無(wú)源振子，各振子間互相影響，使設(shè)計(jì)和調(diào)整的難度加大。因各振子間互相影響，要使各振子的相位保持如前面的差 /2 ，則反射器和引向器與有源振子間的距離就不一定等于1/4波長(zhǎng)，反射器與有源振子間的距離可取0.l 0.25波長(zhǎng)，引向器與有源振子間的距離可取0.l 0.34波長(zhǎng)，實(shí)際距離根據(jù)實(shí)驗(yàn)而定。當(dāng)然也可以用改變各振子長(zhǎng)度的方法，使各振子的相位符合要求。當(dāng)天線的振子數(shù)目增大后，會(huì)引起有源振子特性阻抗的減少，因此在V/UHF頻段的天線里是用折合振子作有源

13、振子的方法提高阻抗，但在HF 中這樣做，天線振子的體積和重量都會(huì)很大，因而多采用阻抗變換的方法實(shí)現(xiàn)。從前面的分析可知，只要使反射器和有源振子輻射的電波相位差為180° ，就能使天線有方向性，因此，就有一種把反射器也做成有源的并使反射器和輻射器的相位差180 ° 的天線，它是由呼號(hào)是HB9CV 的 HAM在 1965年發(fā)明的，所以叫HB9CV天線（見(jiàn)圖6），這種天線反射器和輻射器的距離僅1/8波長(zhǎng)，前輻射振子長(zhǎng)約為0.47波長(zhǎng)，后輻射振子為約0.48波長(zhǎng)。這樣兩單元的增益就相當(dāng)于五單元的八木天線，而且這種天線的顯著特點(diǎn)是體積小，前后比大，增益高。 為了更進(jìn)一步提高這種天線的增

14、益，在前輻射器前仿照八木天線再加上若干的引向振子，但同樣就使天線的設(shè)計(jì)和計(jì)算顯得非常復(fù)雜，以前多由實(shí)驗(yàn)取得數(shù)據(jù)，近年來(lái)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了天線的仿真設(shè)計(jì)軟件，極大地方便自己設(shè)計(jì)和制作各種天線。在業(yè)余無(wú)線電通信中，業(yè)余頻段被分割成整數(shù)倍的若干頻段，為業(yè)余制作多頻段的天線創(chuàng)造了有利的條件。多波段天線的原理是基于天線在不同的操作頻率中，有不同的諧振長(zhǎng)度，操作頻率高時(shí)天線振子的諧振長(zhǎng)度短，而在操作頻率低時(shí)天線振子的諧振長(zhǎng)度長(zhǎng)。當(dāng)操作頻率低時(shí)共用頻率高的那部分振子，在操作頻率高時(shí)切斷加長(zhǎng)部分的振子，使之只有短的振子工作，這樣，同一條天線就可工作在兩個(gè)操作頻率。因此把對(duì)應(yīng)不同操作頻率的不同長(zhǎng)度的振子用開(kāi)關(guān)接起來(lái)，使在不同的操作頻率時(shí)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的振子接入工作，就可以使一條天線工作在多個(gè)頻段。實(shí)際使用上，我們大多采用所謂的“陷波器”來(lái)代替開(kāi)關(guān)自動(dòng)地根據(jù)不同的操作頻率調(diào)整振子長(zhǎng)度?！跋莶ㄆ鳌睂?shí)質(zhì)是一個(gè)諧振于操作頻率的并聯(lián)諧振