天线技术 Antenna Technology

一.长线传输线
在高频情况下,电磁波沿传输线传播时,由于电磁波的波长很短,在传输线上会发生与传输音频信号时不同的现象.必须运用,另外一套适合高频情况的分析方法.
当沿传输线上传播的电磁波的波长可以与传输线的几何长度相比拟时,此时的传输线通常称为长线.
1.长线上具有电流电压不均分布:将一传输线取长度为10米,当线上通以高频电流时(长线情况),如F=150MHZ.人(波长)=2米由于波长较短,在这段传输线中电流有几个周期的变化,如图A所示.因而在同一时刻线上各点电流的大少与方向都有所不同;而在低频情况下(即短线情况下)如F=50HZ的交流电,其工作波长为6000公里,相差3000000备,同是在10米长的传输线上电流大少变化很少可认为不变.

2.长线是一个分布参数系统:对于长线来说,随着传输线长度的不同或是沿线传播电磁波的波长不同,在传输线上本身就具有分布电容和分布电感参数.并且这些分布参数的影响很大,在长线的情况下,由于随线长的不同或工作波长的不同,传输线本身会呈现出不同性质的阻抗(容抗,感抗或纯电阻).而短线上只有电容器中才具有电场,线圈中才产生磁场,与线长没有关系.
二.终端开路的传输线
当传输线接到信号时,电信号将以光速按余弦分布规律向终端传播.由于终端开路,信号不能继续向前传播,则会向始端方向形成全反射,此时相当于在传输线的终端接入一个信号源使电信号又由终端向始端以光速传播.一般的说把由始端向终端传播的电波称入射波;把由终端反射回来的电波称反射波.入射波和反射波都是行波.这里所谓的行波即是电压与电流同相的电波.
讨论传输线还引入一个驻波的概念,所谓驻波就是电压与电流相位不同且相差四分之一波长,电压电流的振幅有不均分布.在终端开路的传输线中,同时存在着反射波和入射波,反射波电流与入射波电流的相位互为反相,所以说传输线上存在着驻波,通常传输线上同时存在着行波和驻波,行波,驻波是由入射波和反射波的电流形成的.终端开路的传输线由于形成全反射,所以其驻波成份很大,故没有能量传输(只有在行波状态下线上才有能量传输)假设这条传输线无损耗.那这时只是在某一个时期内存储能量,在另一时期内放出能量.所以对信号源来说它是一个纯电抗性的负载,在终端开路的传输线有以下特点,传输线少于四分之一波长时其电抗为容性;等于四分之一波长时为电抗为零;大于四分之一波长时电抗为电感性;等于二分之一波长时为纯电阻性.
三.终端短路的传输线
终端短路的传输线和终端开路的传输线相反,它的驻波特性是入射电流与反射波电流同相,入射波电压与反射波电压相位相反.其阻抗特性是小于四分之一波长时传输线呈感性;等于四分之一波长时呈纯电阻性;大于四分之一波长时呈容性;等于二分之一波长时电抗为零.
在一般情况下传输线的终端都接有负载,其负载通常既有电阻成份也有电抗成份,因而由信号源输出的能量一部分贝负载吸收,另一部分将倍反射回来,所以传输线上行波与驻波同时并存,为了进一步描述线上行波和驻波的分布关系,我们引入几个具体的指标:
1.反射系数:P=反射波振幅/入射波振幅=传输线特性阻抗-负载阻抗/传输线特性阻抗+负载阻抗
2.行波系数:K=电压最小值/电压最大值=反射波振幅-入射波振幅/反射波振幅+入射波振幅
在传输线中因为同时存在入射波和反射波,所以在传输线上任何一点的电压都是两波振幅之和.
3.驻波比:S=电压最大值/电压最小值
综上所述,在传输线终端有负载时,传输线输入阻抗有以下性质:
1.传输线上距离终端四分之一波长的奇数倍处的等效阻抗等于特性阻抗的平方除以终端负载.
2.传输线上距离终端二分之一波长整数处的等效阻抗等于负载阻抗.
四.天线的一般原理
当导体上通以高频电流时,在其周围 空间会产生电场 与磁场.按电磁场在空间的分布特性,可分为近区,中间区, 远区.设R为空间一点距导体的距离,在R《 λ/2π 时的区域称近区,在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系.
在R》λ/2π的区域称为远区,在 该区域内电磁场能离开导体向空间传播,它的变化相对于导 体上的电流电压就要滞后一段时间,此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流,电压有直接的联系 了,这区域的电磁场称为辐射场.
发射天线正是利用辐射场的这种性质,使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射,如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢?这里我们先分析一下传输线上的情况,在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射,必须保证两线结构对称,线上对应点电流大小和方向相反.且两线间的距离《π.要使电磁场能有效地辐射出去,就必须破坏传输线的这种对称性,如采用把二导体成一定的角度分开,或是将其中一边去掉等 方法,都能使导体对称性破坏而产生辐射.
如图TX,图中将开路传输或距离终端π/4处的导体成直状分开,此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了,从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加.构成一个有效的辐射系统.这就是最简单,最基本的单元天线,称为半波对称振子天线,其特性阻抗为75Ω.电磁波从发射天线辐射出来以后,向四面传播出去,若电磁波传 播的方向上 放一对称振子,则在电磁波的作用下,天线振子上就会产生感应电动势.如此时天线与接收设备相连,则在接收设备输入端 就会产生高频电流,这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流,也就是说此时天线起着接收天线的作用,接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配.