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天线教程(图)

发布时间:2022/12/10 18:03:01
天线教程(图)
早到马科尼最早的实验装置,晚到最新的无线电技术;大到以喀斯特洼地为反射器支架的直径数以百米计的巨型射电天文望远镜,小到区区数十毫米大小的移动电话和手持GPS天线;无论通信、广播、定位、遥控遥测遥讯……没有一种无线电应用能够离开天线。对于每一位业余无线电爱好者来说,自然天线是自己最重要的家当之一,因而关于天线的常识也就为每一名业余无线电爱好者所应该掌握。本文仅试图在深入浅出的感性层面上介绍有关天线的基本常识,希望在读完本文后再阅读其他关于业余无线电天线的技术资料时,能更容易理解其中的奥妙。
      
电磁场和天线
      物理实验发现,带电物体周围存在着能使自由电荷发生运动的电场。如果我们向一对电极施加电压,那么周围平行于电极相对方向的导线中的电子会受到电场力的作用而发生移动,使导线两端显现一定的电压差。这种现象叫做静电感应。无论静电场还是交变电场,都存在静电感应现象。
物理实验还发现,导线处于变化的磁场中时,两端也会感应出电压。这种现象叫做磁电感应。如果一根导线中流过交流电流,那么它在周围所激起的交变磁场也会在其他平行导线中感应出交变电压。
      上述静电感应和电磁感应可以使一个电路中的电信号穿过空间传送到另一个电路中,这种感应往往给电子电路造成讨厌的干扰,成为无线电电子工程师们经常要考虑的因素。但是,一般情况下静电感应和电磁感应的作用距离很近,不能实用于远距离通信。
      1864年英国科学家麦克斯韦发表了名为“电与磁”的论文。他用数学方法推导了交变电场和磁场在空间的分布,他推导出的这组等式被叫做“麦克斯韦方程”。

      这个方程组显示,当距离远小于波长时,忽略次要项后方程组可简化为下列形式。这部分电场和磁场分量随着距离的增加而很快衰减,而且电场和磁场的相位不完全一致,不能将能量传送到远方,称为“近场”或“感应场”,对远距离通信没有实际作用。

      而当距离远大于波长时,忽略次要项后方程组可简化为下列形式。可以看出这一对电磁场分量的强度幅度值永远符合一定的比例,它们的方向互相垂直,而时间相位一致,可以把能量携带到很远的地方,称为“远场”或“辐射场”(图1)。

      麦克斯韦方程组预言了可以被利用于远距离通信的电磁场,在当时引起代科学家们的强烈反响。1886年德国科学家赫芝用实验证实了麦克斯韦预言的电磁场确实存在,而意大利人马科尼和俄罗斯人波波夫先后于1896年实现了利用电磁波进行无线电通信。
      虽然业余无线电爱好者没有必要去具体解算麦克斯韦方程,但是可以从方程组得到一些很有用的感性结论:
      第一,无论采用什么样的发射天线,例如着重建立电极间的射频电压还是着重建立导体中的射频电流,它们可能造成近场中电场或磁场分量显现优势,但是真正能辐射到远处的总是电磁场并存、而且幅度数值成恒比。因此在讨论天线时我们通常只需讨论天线中的电流就可以了,分析起来比较方便。
      第二,离开发射天线近处(通常以波长的10倍划分近场和远场)的电场和磁场强度与传到远处的电磁场的强度并不遵循同样的比例规律,因此在比较不同天线时,不能用测量近处的电场或磁场强度来推算远处的效果差别。
      第三,在自由空间中,电磁波的电场方向和磁场方向总是垂直于传播方向(图1)。
      
天线各段辐射的相位叠加对天线总效果的影响
      在计算天线发射的电磁场能量如何向四周空间扩散时,人们有时把发射天线设想成一个点,电磁场从这个理想天线的“点源”出发,以球面波形式无方向性地向各方向均匀扩散。
然而,实际的天线要依靠射频电流产生电磁场,而电流是有方向的,所形成的电磁场也有相应的方向,因而各向同性的理想天线在实践中并不存在,任何天线都会有方向性。
      对于处于自由空间的长度很短的天线讲来,情况比较简单。它所产生的电场方向与天线平行,它所产生的磁场是垂直于天线的同心圆,它的最大辐射方向是垂直于天线的平面内的所有方向(或者说天线的“法向”平面),而沿着天线轴向没有辐射。
      但是,根据简单的物理知识我们知道通电导线周围的磁场强度正比于电流强度和导线的长度。太短的天线辐射效果太差,所以天线必须有一定长度。然而频率越高波长越短,射频范围内天线的长度与波长相比已经不可忽略,情况就变得复杂得多。前面时刻的电流还没有在天线上走出多远,后面的电流已经变化,因此同一时刻天线上各点的电流大小、方向都不相同,从驱动源发出的电流,其幅度就象波一样向前移动(图2)。
      
天线辐射到远处的电磁场的瞬时强度和方向就是整个天线每一小段中的瞬时电流的辐射效果的总矢量和(图3)。当然,计算时还要考虑到电磁场从天线到远处一点的空间传输带来的相位延迟。虽然这样的积分计算比较麻烦,但可以借助于电脑,很多天线设计软件就是靠进行这样的计算来预测天线效果的。
      
现在让我们试着运用上述知识来观察一副处于自由空间的中点馈电的臂长为无限长的偶极天线。射频电流波从天线的一端流向另一端,在任何时刻,整根天线上有无穷多段处于电流的正半周,它们彼此之间相隔一个波长;同时它们在半个波长之外还有处于电流负半周的相邻段。无穷多个正电流段和无穷多个负电流段一道起作用。它们离开垂直于天线方向的无穷远点的距离相等,因此这些电流段在远处激起的电磁场在任何时刻都互相抵消,也就是说整个天线在垂直于轴线的法向平面内没有发射。
      电流沿天线流动时,每一小段电流所产生的电磁场也有一部分会沿着接近于天线轴的方向传播。由于电磁场在空间的传播速度和电流在导体内的流动速度相近,每一小段天线在沿接近天线轴向的无穷远点激起的电磁场正好和一个波长之外的相邻小段激起的电磁场相位相差360度(相位相同),所有小段激起的电磁场正好互相叠加(图4)。也就是说,整个天线在接近天线轴向的方向会有很大的辐射。在这样的长线天线中,射频电流以波的形式向一个方向流动,因此也称为行波天线。

      
当然实际上我们不可能做出无线长的行波天线,但是我们可以做出长度为若干波长的相当长的行波天线,终端设置适当的电阻吸收掉流到端点的电流。这样的天线在近轴方向还是可以有很好的发射或接收效果的。越长,增益越高,辐射波瓣越靠近轴向。这样的长线天线(long wire antenna)还有一个好处,就是天线长度对频率不敏感,可以作为宽频带天线。为了便于匹配等其它原因,实际的长线天线结构还可以有一些变化,成为菱形天线(rhombic antenna)(图5)等。在场地条件许可时,这类长线天线可以在宽频段内具有高达数十分贝的高增益。美国著名的老业余家W6AM就曾经在第二次世界大战后用低价收购了一块战时征用的地皮作为天线场,建造了拥有20多副指向不同方向的菱形天线,通信效果极好,成为不少爱好者参加联络竞赛的天堂。

      
作为长线行波天线在业余无线电通信中的一种经典应用例子是贝伐列奇天线(Beverage antenna)(图6)。英文“Beverage”是饮料的意思,不过这里和饮料并无瓜葛,只是在1920年代由一位姓Beverage的美国人发明而已。这种天线常用于低频段(160m和80m波段)的接收,天线架设得比较高,以避免近处的电磁干扰,依靠沿着近轴方向的高增益取得较好的信噪比。天线的主要辐射方向也就是最佳接收方向。

半波长振子
      受空间的制约,我们常常不能采用长线天线,只能选择适当长度的较短的天线。较短的天线当然就不会在接近轴向的远方积累辐射很多能量而得到近轴向高增益辐射,而只能靠天线电流向垂直于天线的方向的直接辐射。
      设想我们以适当方法向一段处于自由空间的有限长度的天线馈电。因为天线的两端是悬空的断点,不可能有电流流过,所以两端电流总是被强迫为零(称为波节null)。如果天线的总长度正好等于半波长,那么无论从哪一端看,天线中点正好总是处于电流振幅最大处(称为波腹peak),整个天线的电流处于一种协调状态,也就是谐振状态。这时天线电流的正弦波状分布不会象长线行波天线那样沿天线移动,因此这样的天线称为“驻波天线(standing wave antenna)”。
      如果天线的总长度等于半波长的整数倍,天线也会处于谐振状态,只是整个天线上会有多个波腹点和波节点。
      然而,如果天线的长度不是半波长的整数倍,天线两端电流是零,但是却不能从两端根据电流传输速度计算出统一的电流最大点,也就是整个天线的电流分部处于不协调的状态,这会严重影响天线电流的大小和辐射效果。因此从谐振的角度讲,天线振子的总长度应该是半波长的整数倍。
      我们还需要进一步从另一个角度分析。我们已经知道,远处的场强是天线每一小段辐射的电磁场的总和。如果天线总长度是一个波长,那么任何时刻天线上都会有总共半个波长的长度中流着正电流,另外半个波长的长度中流着负电流,他们在天线法向平面的远方产生的作用互相抵消,相当于没有辐射(图7)。而如果天线总长度是半个波长,那么每一时刻只有正半周或者负半周的电流辐射能量,没有因为相位抵消而浪费的现象,发射效果很好(图8)。因此,从天线的法向辐射效果讲,我们要筛选掉总长度为一个波长的天线。也就是说,效果最好的天线的总长度应该是半波长。所以从HF频段、VHF频段到UHF频段,业余无线电爱好者最常用的基本天线就是半波振子。很多其它类型的天线只是半波振子的变形而已。

      数学计算或者实测显示,半波长振子在轴向平面中的辐射方向特性形状和阿拉伯数字“8”的形状相似(8-figuer pattern)(图9)。

      当天线总长度是3、5、7……奇数倍于半波长时,部分天线的辐射在法向互相抵消,但总有半波长的辐射没有抵消,因此在法向有较大的辐射。不过各部分的辐射还会在偏向轴向的方向叠加,使轴向平面内的辐射方向图产生一些旁瓣(side lobe),不再是简单的“8”字图。
      当天线总长度是2、3、4……整数倍于波长(4、6、8……偶数倍于半波长)时,法向辐射同样正好抵消,但是每一波长段辐射的一部分能量在偏向轴向的方向叠加,产生一些波瓣。(图10)

      当天线长度比较长、结构比较复杂、受环境影响比较大时,天线的辐射方向性可能是复杂的空间图形(图11)。因此我们用平面图形表达天线的方向性时,应该说明是空间方向图形在哪个平面上的投影。
      在定点无线电通信时,有时可以利用多波瓣来兼顾指向多个联络目标。但是多波瓣的控制比较困难,在业余无线电通信中不易利用。
      半波振子的匹配馈电

 

  在弦乐器中,琴弦就是一个半波振子,只不过是机械的,而非电磁的。琴弦的两端被固定,不能振动,成为波节。琴弦的中点振幅总是最大,是波腹。为了要使琴弦得到有效的驱动,我们要选择适当的驱动点。当搓动琴弦的压力较大而随琴弦振动的位移幅度较小时(阻抗较大),例如提琴和胡琴的拉弓,我们就要选择琴弦张力较大而振幅较小的端部来驱动。当搓动琴弦的力量较小而随琴弦移动的幅度较大时(阻抗较小),例如洋琴和筝,我们就要选择琴弦张力较小而振幅较大的中间部位来驱动。这样效果才好,否则琴的发音就不会响亮。
      半波天线振子也是一样。靠近端点处电流小、电压高,适合于高阻抗驱动。靠近中点电流大、电压低,适合于低阻抗驱动。总之,只有当天线阻抗和馈线的阻抗匹配时,才会有最佳的驱动效率。
      如果我们断开自由空间半波振子的中点,得到的两个馈电点之间的阻抗为50-82欧,正好可以直接用50欧同轴电缆和通常的输出阻抗为50欧的收发信机匹配连接。这样的天线也可以看作是从馈电点向两侧对称伸出两臂,所以也常叫做偶极天线或双极天线(图12上)。

      当然,为了保持振子的机械强度或者为了机械结构的方便,我们也可以不从中点切开半波振子,而是用两个触点在半波振子上移动(图12下),也可以找到一对阻抗为50欧的馈电点,这样的馈电结构看起来象倒过来的希腊字母Π(帕爱),所以叫做Π匹配(pie match)(图13)。如果收发信机的输出阻抗和馈线不是50欧,例如一些老式电子管收发信机和平行馈线采用600欧阻抗,那么只要将两个馈电点向两端移动,也可以找到阻抗为600欧的馈电点。
      用上述方法得到的馈电点从电气上讲是对称(平衡)的,而馈电的同轴电缆的两极则有内芯和外屏蔽套之分,电气上是不平衡的,为了不至破坏天线的某些性能,常常需要在天线与馈线之间接进一个平衡-不平衡转换器(BALUN, balance-unbalance converter)。其实也可以用选择适当馈电点的办法来省略这个BALUN。因为半波振子的中点是对称点,我们可以把馈电电缆的外屏蔽套接在振子中点,这样接地的外屏蔽套不会破坏天线的对称。我们用一个触点在振子的一边移动,一定可以找到一个与中点之间呈现50阻抗的点,作为电缆芯线的连接点。电缆芯线从振子中点到这个连接点具有一定长度,比电缆外屏蔽套长了一段,破坏了馈电线本身的对称,为了补偿这一线段的额外电感,需要在电缆芯线中串连一个电容器,可以采用微调电容以便准确调整。这样的馈电结构看起来象希腊字母Γ(伽马),所以叫做“Γ匹配(gamma match)”(图14)。

      有时从半波振子中间馈电有困难。例如只能从机房向外拉一根HF频段的半波天线,或者从地面树一根半波垂直天线。这时我们可以根据上面的原理,从天线靠近一端的地方断开,得到一对高阻抗馈电点,再用一个高频变压器把高阻抗馈电点的阻抗变换到50欧姆,通过50欧馈线连接到50欧收发信机上。太高的阻抗会带来过高的电压/电流比,造成绝缘问题,所以一般将馈电点的阻抗选择在数百欧左右,也就是说馈电点与端点之间还是要留一定的长度(图15)。端馈水平振子曾经被使用在1940年代的齐柏林飞艇上,所以也曾叫齐柏林天线。美国Churshcraft公司的R-7000天线就是属于这样的垂直半波长振子。它的馈电点一端在振子下端,另一端接在由四根不锈钢丝做成的对极体(counterpoise)上,它们相当于馈电点与端点之间的那一段。注意,“对极体”只相当于振子下端很少一部分,与有些1/4波长垂直接地天线中外形相似但要起1/4振子作用的“人工地网(ground plane)”不是一回事。
      在一些特殊情况下,从中间和一端馈电都有困难,或者馈线的输出阻抗是一个特定值,那么也可以采用从半波振子的其它适当位置馈电的办法。例如40年代流行过的Winton天线就是一例。
如果振子本身是谐振的,但利用改变馈电点位置的办法取得匹配的办法实在无法施行,那么也可以用插入适当阻抗比的高频变压器来达到阻抗匹配,例如图15中的阻抗变换器。

      上述的馈电原理无论对于HF还是VHF、UHF频段都是适用的。当半波振子演变成其它类型的天线时,也还是适用的。

 
 

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