旋转长天线,蝙蝠翼天线、直立天线、螺旋鞭天线
為實現水平平面全向天線,即水平平面的方向圖金絲一個圓,從而保證各個方向都接收良好,為得到近似圓的方向圖可采用旋轉場天線。
定義:空間和時間上都正交的電流源在其所在平面內產生隋時間以角頻率旋轉的電磁場,這種天線叫旋轉場天線。
由電強度表達式可見,在某一瞬間,振子所在平面內方向圖一個“8”字形,而在任一點處,E又是隨時間而變化的,變化周期W,所以在任意瞬間,天現在該平面的方向圖是“8”字形,且這個"8“”字隨時間的增加繞著與兩振子相垂直的中心軸W,旋轉
蝙蝠翼天線
蝙蝠翼天線常用作電視發射天線,
優點:頻帶寬
不用絕緣子可以很牢固的固定在支柱上
功率容量大
直立天線
在長波和中波波段,由于波長較長,天線架設高度受到H/波長的限制,若采用水平懸掛的天線,受地的負鏡像作用,天線的輻射能力很弱,而且此波段主要采用地面傳播,由于地面傳播時,水平極化衰減遠大于垂直極化波,因此在長波和中波波段內主要使用垂直接地的直立天線。垂直于地面或導電平面架設的天線稱為直立振子天線(單極天線),它廣泛地用于長中短波即超短波波段
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直立天線應用:在長波和中波波段:天線的幾何高度很高,可直接用鐵塔做輻射體,稱為鐵塔天線。
短駁貨超短波波段:天線并不長,外形像鞭狀稱為鞭狀天線。
直立天線由于結構所限不能做的太高,直立天線的高度小產生下列問題
(1)輻射電阻小,相比損耗電阻較大,無線效率低
(2)輸入電阻小,輸入電抗大,即天線的Q值很高,所以工作頻帶很窄
(3)容易產生過壓
2.2.1、鞭狀天線
鞭狀天線是一種水平平面全向天線最常見的鞭狀天線就是一根金屬棒,在棒的底部饋電,如圖所示,為攜帶方便,可將棒分成數節,如圖所示
地面可視為理想導體,則地面的影響可用天線的鏡像來代替,如圖(a),?鞭狀天線可等效為一對稱陣子(如圖b),對稱陣子可等效為一二元陣(圖d)但應指出的是此等效只是在地面或導體的上半空間成立
鞭狀天線的電性能:
1、極化:鞭狀天線為垂直極化天線,理想導電面上,其輻射場垂直于地面。
2、方向圖:地面對鞭狀天線的影響可用天線的正鏡像代替,方向圖與對稱陣子的一樣,但只取上班空間。在理想導電地上,鞭狀天線的輻射電阻是相同臂長自由空間對稱陣子的一半,而方向系數則2倍。當天線很短h/波長<0.1時,方向系數近似等于3.
3、有效長度:在第一章中介紹了有效長度,對于直立天線而言就是有效高度,它是一個衡量直立天線輻射強弱的重要的電指標。
根據等效高度的定義,可求得歸于輸入點電流的有效高度為
代入上式即得。
4、輸入阻抗:對理想導電地來說,或在有良好的接地系統的情況下,鞭狀天線的輸入阻抗等于相應對稱陣子輸入阻抗的一半。但在實際計算輸入阻抗的電阻部分時,若采用自由空間對稱陣子的方法,則誤差很大,因為此時輸入到天線的功率,除一部分輻射外,大部分將被消耗掉。除天線導線,附近導體及介質等引起損耗外,還有相當大的功率損耗在電流流經大地的回路中,所以輸入電阻包括兩部分,即
5、效率:由于損耗電阻大,同時郵由于受到田縣高度h的限制,輻射電阻通常很小,故短波鞭狀天線的效率很低,一般情況下僅為百分之幾甚至不到1%,因此,有必要研究怎樣提高短波鞭狀天線的效率。
從前面的分析可知,提高天線效率的有二:1、提高輻射電阻;
2、降低損耗電阻
(1)提高天線的輻射電阻
提高輻射電阻可采用在頂端加容性負載和在天線中部或底部加感性負載的方法,這些方法都提高了天線上電流波腹點的位置,因此等效為增加了天線的有效高度。
1、加頂負載:
鞭狀天線頂端的線,板等統稱為頂負載。它們的作用是使天線頂端對地的分布電容增大,使頂端 不是開路點,天線的頂端電流不為0,電流的增加使天線的輻射場也增大。
在短單級天線中某點加入一定數值的感抗,就可以部分抵消該點以上線段在該點所呈現的容抗,從而使該點以下線段的電流分布趨于均勻,如圖,它對加感點以上線段的電流分布并無改善作用。
加感點的位置一般選擇在距天線頂端(1/3~1/2)處,h為天線的實際高度。
無論是加頂負載還是加感線圈,統稱為對鞭狀天線的加載,前者為榮幸加載,后者為感性加載。
(2)降低損耗電阻
鞭狀天線的損耗包括天線導體的銅耗,支架的介質損耗,鄰近物體的吸收,加載線圈的損耗及地面損耗,其中地面損耗最大,主要損耗來自于接地系統。通常認為接地系統的損耗主要是由兩個因素引起的:**其一是天線電流經地面流入接地系統時所產生的損耗–電場損耗,另一是天線上的電流產生磁場。根據邊界條件,磁場作用在地表面上,地表面將產生徑向電流,電流流過有耗地層時將產生損耗-磁場損耗。**而對于電高度較小的直立天線而言,磁場損耗將是主要的,一般采用在天線底部加輻射狀地網的方式減小這一損耗。
T形天線
T形天線結構簡單,架設也不困難,其高度h可以比普通的鞭狀天線高。為了提高T形天線的效率,其水平部分可用多根平行導線構成如下圖,也可以附設地網來減小地的損耗
2、斜天線
(1)當水平臂長L很短時,其輻射能力很低,與鞭狀天線加頂負載的作用相同,對倒L形天線方向性影響不大。
(2)當水平臂長L較長而h較高時,水平臂相當于對稱振子的一個臂,對高空有一定的輻射能力,此時對地面波,天波均有較強輻射
(3)水平臂長L較長而h較低,水平臂受其地面負鏡像的影響對高空輻射弱,天線仍然沿地面方向輻射最強,但與鞭狀天線不同之處在于這種倒L天線在水平平面有明顯的方向性。
2.2.3、螺旋鞭天線
提高天線的有效高度的方法之一是對天線加載。前面已討論了集中加載方法,與之對應的另一方法是分布式加載,其典型天線之一即為螺旋鞭天線。螺旋鞭天線如下圖,螺旋線是空心的或者繞在低耗的介質棒上,圈的直徑可以是相同的,也可以隨高度逐漸變小,圈間的距離是等價的或者變距的。有圖可知,它相當于將加載的電感分布在鞭狀天線的整個線段中。最大的優點是天線的長度可以縮短2/3或更多。
螺旋鞭天線多用作垂直極化方式,以取代車載或船載鞭狀天線。由于電磁波沿螺旋軸線傳播的相速比垂直偶極天線小,故其諧振長度可以縮短,從而可使天線的垂直高度大大降低。螺旋鞭天線由于繞制螺旋的導線細而長,導線損耗較大,使天線效率比同高鞭度天線要低一些,但如果與調諧匹配電路一起考慮,其效率并不比一般鞭狀天線差,因為螺旋天線可以工作在諧振點附近,輸入阻抗為純電阻或帶不大的電抗,這樣調諧回路可采用低功耗的電容元件,而短鞭狀的調諧回路的損耗很大,所以從總效果來看,螺旋鞭天線的增益比等高度的普通天線高,但其帶寬比較窄。
2…2.4、中饋鞭狀天線
常用的鞭狀天線是在底部饋電的直立單極天線,又稱底饋天線,在VHF頻段其高度一般選在1/4波長附近,故底部電流很大,當這種天線安裝在車輛上時,天線與車體之間存在較強的電磁耦合,隨著車型或在車上的安裝位置的改變,天線的輸入阻抗也隨之變化,原來設計好的匹配裝置將失去原有效能。中饋鞭狀天線就是為了克服底部天線的之一缺陷而研究設計的。
寬頻帶直立天線
在許多應用中,都要求天線能在較寬的頻率范圍內有效的工作。通常,當天線的相對帶寬達百分之十幾以上時,則稱之為寬頻帶天線。對于天線上的電流分布為駐波分布的線天線,限制其工作頻帶的主要因素通常是它的阻抗特性,即在寬頻帶天線的輸入阻抗隨頻率變化很大,理論分析與實驗均說明這種天線的線徑及形狀對天線的帶寬有明顯的影響。可以將偶極天線的臂改成椎體而變成雙錐天線如圖所示,雙錐天線具有很寬的工作帶寬。
總結
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