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科普:最全面的天线知识


科普:最全面的天线知识
天线是一种变换器, 它把传输线上传播的导行波, 变换成在无界媒介 (通常是自由空间) 中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。 天线总输入功率的比值, 称该天线的最大增益系数。 它是比天线方向性系数更全面的反 映天线对总的射频功率的有效利用程度。并用分贝数表示。可以用数学推证,天线最大增益 系数等于天线方向性系数和天线效率的乘积。 天线的发明 天线是由俄国科学家波波夫发明的。 1888 年,29 岁的波波夫得知德国著名物理学家赫兹发现电磁波的消息后,这位曾经 立志推广电灯的年轻科学家对朋友们说:“我用毕生的精力去安装电灯,对于广阔的俄罗斯 来说,只不过照亮了很小的一角:假如我能指挥磁波,那就可以飞越整个世界!” 于是,他埋头研究,向新的目标发起了冲击。 1894 年,波波夫制成了一台无线电接收机。这台接收机的核心部分用的是改进了的金 属屑检波器,波波夫采用电铃作终端显示,电铃的小锤可以把检波器里的金属屑震松。电铃 用一个电磁继电器带动, 当金属屑检波器检测到电磁波时, 继电器接通电源, 电铃就响起来。 有一次,波波夫在实验中发现,接收机检测电波的距离突然比往常增大了许多。 “这是怎么回事呢?”波波夫查来查去,一直找不出原因。 一天,波波夫无意之中发现一根导线搭在金属屑检波器上。他把导线拿开,电铃便不响 了;他把实验距离缩小到原来那么近,电铃又响了起来。 波波夫喜出望外,连忙把导线接到金属屑检波器的一头,并把检波器的另一头接上。经 过再次试验,结果表明使用天线后,信号传递距离剧增。 无线电天线由此而问世。 1、按工作性质可分为 发射天线和接收天线; 2、按用途可分为 通信天线、 广播天线、电视天线、 雷达天线等; 3、按方向性可分为 全向天线和 定向天线等; 4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、 短波天线、 超短波天线、 微波天线等; 5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有 方向图、 方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽; 6、按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线。

一维天线:由许多电线组成,这些电线或者像手机上用到的直线,或者是一些灵巧的形 状, 就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。 单极和双极天线是两种最基本的一维 天线。 二维天线:变化多样,有片状(一块正方形金属)、阵列状(组织好的二维模式的一束 片)、喇叭状、碟状。 7、天线根据 使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。 手持台天线: 就是个人使用 手持对讲机的天线, 常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。 车载天线:是指原设计安装在车辆上通讯天线,最常见应用最普遍的是吸 盘天线。车 载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等 形式的天线。 基地台天线: 在整个通讯系统中具有非常关键的作用, 尤其是作为通讯枢纽的通信台站。 常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线(八环阵天线)、定向天线。 一些指标: 天线效率 它是指天线辐射出去的功率 (即有效地转换电磁波部分的功率) 和输入到天线的有功功 率之比。是恒小于 1 的数值。 天线极化波 电磁波在空间传播时, 若电场矢量的方向保持固定或按一定规律旋转, 这种电磁波便叫 极化波,又称天线极化波,或偏振波。通常可分为平面极化(包括水平极化和垂直极化)、 圆极化和椭圆极化。 极化方向 极化电磁波的电场方向称为极化方向。 极化面 极化电磁波的极化方向与传播方向所构成的平面称为极化面。 垂直极化 无线电波的极化,常以大地作为标准面。凡是极化面与大地法线面(垂直面)平行的极 化波称为垂直极化波。其电场方向与大地垂直。 水平极化 凡是极化面与大地法线面垂直的极化波称为水平极化波。其电场方向与大地相平行。 平面极化 如果电磁波的极化方向保持在固定的方向上,称为平面极化,也称线极化。在电场平行 于大地的分量(水平分量)和垂直于大地表面的分量,其空间振幅具有任意的相对大小,可 以得到平面极化。垂直极化和水平极化都是平面极化的特例。

圆极化 当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从 0~360°周期的变化,即电场大小不 变,方向随时间变化,电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时,称 为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等,相位相差 90°或 270°时,可以得到圆 极化。 圆极化, 若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系, 称右圆极化; 反之, 若成左螺旋关系,称左圆极化。 椭圆极化 若无线电波极化面与大地法线面之间的夹角从 0~2π 周期地改变,且电场矢量末端的 轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个椭圆时, 称为椭圆极化。 当电场垂直分量和水平 分量的振幅和相位具有任意值时(两分量相等时例外),均可得到椭圆极化。 天线介绍: 长波天线、中波天线 是工作于长波及中波波段的发射天线或接收天线的统称。 长、 中波是以地波和天波传播 的,而天波则连续反射于电离层和大地之间。根据此传播特性,长、中波天线应能产生垂直 极化的电波。在长、中波天线中,应用较广的的有垂直型、倒 L 型、T 型、伞型垂直接地天 线。长、 中波天线应有良好的地网。长、 中波天线存在着许多技术上的问题,如有效高度小、 辐射电阻小、效率低、通频带窄、方向性系数小等。为了解决这些问题,天线结构往往非常 复杂,非常庞大。 短波天线 工作于短波波段的发射或接收天线, 统称为短波天线。 短波主要是借助于电离层反射的 天波传播的,是现代远距离无线电通信的重要手段之一。短波天线形式很多,其中应用最多 的有对称天线、同相水平天线、倍波天线、角型天线、V 型天线、菱形天线、鱼骨形天线等。 和长波天线比较,短波天线的有效高度大,辐射电阻大,效率高,方向性良好,增益高,通 频带宽。 超短波天线 工作于超短波波段的发射和接收天线称为超短波天线。 超短波主要靠空间波传播。 这种 天线的形式很多,其中应用最多的有八木天线、盘锥形天线、双锥形天线、“蝙蝠翼”电视 发射天线等 。 微波天线 工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线,统称为微波天线。微 波主要靠空间波传播,为增大通信距离,天线架设较高。在微波天线中,应用较广的有抛物 面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线、透镜天线、开槽天线、介质天线、潜望镜天线等。 定向天线

定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强, 而在其它的方向 上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。 采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的 有效利用率,增加保密性;采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。 不定向天线 在各个方向上均匀辐射或接收电磁波的天线, 称为不定向天线, 如小型通信机用的鞭状 天线等。 宽频带天线 方向性、阻抗和极化特性在一个很宽的波段内几乎保持不变的天线,称为宽频带天线。 早期的宽频带天线有菱形天线、V 形天线、倍波天线、盘锥形天线等,新的宽频带天线有对 数周期天线等。 调谐天线 仅在一个很窄的频带内才具有预定方向性的天线,称为调谐天线或称调谐的定向天线。 通常,调谐天线仅在它的调谐频率附近 5%的波段内,其方向性才保持不变,而在其它频率 上,方向性变化非常厉害,以致使通信遭到破坏。调谐天线不适于频率多变的短波通信。同 相水平天线、折合天线、曲折天线等均属于调谐天线。 垂直天线 垂直天线是指与地面垂直放置的天线。它有对称与不对称两种形式,而后者应用较广。 对称垂直天线常常是中心馈电的。 不对称垂直天线则在天线底端与地面之间馈电, 其最大辐 射方向在高度小于 1/2 波长的情况下,集中在地面方向,故适应于广播。不对称垂直天线 又称垂直接地天线。 倒 L 天线 在单根水平导线的一端连接一根垂直引下线而构成的天线。因其形状象英文字母 L 倒 过来,故称倒 L 形天线。俄文字母的 Γ 字正好是英文字母 L 的倒写。故称 Γ 型天线更方便。 它是垂直接地天线的一种形式。 为了提高天线的效率, 它的水平部分可用几根导线排在同一 水平面上组成,这部分产生的辐射可忽略,产生辐射的是垂直部分。 倒 L 天线一般用于长 波通信。它的优点是结构简单、架设方便;缺点是占地面积大、耐久性差。 T 形天线 在水平导线的中央,接上一根垂直引下线,形状象英文字母 T,故称 T 形天线。它是最 常见的一种垂直接地的天线。它的水平部分辐射可忽略,产生辐射的是垂直部分。为了提高 效率,水平部分也可用多根导线组成。T 形天线的特点与倒 L 形天线相同。它一般用于长波 和中波通信。 伞形天线 在单根垂直导线的顶部, 向各个方向引下几根倾斜的导体, 这样构成的天线形状象张开 的雨伞,故称伞形天线。它也是垂直接地天线的一种形式。其特点和用途与倒 L 形、T 形天 线相同。

鞭状天线 鞭状天线是一种可弯曲的垂直杆状天线,其长度一般为 1/4 或 1/2 波长。大多数鞭状 天线都不用地线而用地网。 小型鞭状天线常利用小型电台的金属外壳作地网。 有时为了增大 鞭状天线的有效高度, 可在鞭状天线的顶端加一些不大的辐状叶片或在鞭状天线的中端加电 感等。鞭状天线可用于小型通信机、步谈机、汽车收音机等。 对称天线 两部分长度相等而中心断开并接以馈电的导线, 可用作发射和接收天线, 这样构成的天 线叫做对称天线。因为天线有时也称为振子,所以对称天线又叫对称振子,或偶极天线。总 长度为半个波长的对称振子, 叫做半波振子, 也叫做半波偶极天线。 它是最基本的单元天线, 用得也最广泛,很多复杂天线是由它组成的。半波振子结构简单,馈电方便,在近距离通信 中应用较多。 笼形天线 是一种宽波段弱定向天线。 它是把几根导线围成的空心圆柱体代替对称天线中的单导线 辐射体而成的,因其辐射体呈笼形,故称笼形天线。笼形天线的工作波段宽,易于调谐。它 适应于近距离的干线通信。 角形天线 属于对称天线的一类,但它的两臂不排列在一条直线上,而成 90°或 120°角,故称角 形天线。这种天线一般是水平装置的,它的方向性是不显著的。为了得到宽波段特性,角形 天线的双臂也可采用笼形结构,称角笼形天线。 折合天线 将振子弯折成相互平行的对称天线称为折合天线。 有双线折合天线、 三线折合天线及多 线折合天线几种形式,弯折时,应使各线上各对应点的电流同相,从远处看,整个天线如同 一对称天线。但折合天线与对称天线比较,辐射增强。输入阻抗增大,便于与馈线耦合。折 合天线是一种调谐天线,工作频率较窄。它在短波和超短波波段获得广泛应用。 V 形天线 是由彼此成一角度的两条导线组成,形状象英文字母 V 的一种天线。它的终端可以开 路,也可以接有电阻,其电阻的大小等于天线的特性阻抗。V 形天线具有单向性,最大发射 方向在分角线方向的垂直平面内。它的缺点是效率低、占地面积大。 菱形天线 是一种宽频带天线。 它由一个水平的菱形悬挂在四根支柱上构成, 菱形的一只锐角接在 馈线上, 另一只锐角接一与菱形天线特性阻抗相等的终端电阻。 在指向终端电阻方向的垂直 平面内,具有单向性。 菱形天线的优点是增益高、方向性强、使用波段宽、易于架设和维护;缺点是占地面积 大。菱形天线经过变形之后,又有双菱形天线、回授式菱形天线及折式菱形天线三种形式。 菱形天线一般用于大中型短波收信电台。

盘锥形天线 是一种超短波天线。 顶部为一圆盘(即辐射体), 由同轴线的心线馈电, 下面为一圆锥, 接同轴线的外导体。圆锥的作用与无限大的地面相似,改变圆锥的倾斜角度,就能改变天线 的最大辐射方向。它有极宽的频带。 鱼骨形天线 鱼骨形天线又叫边射天线, 是一种专用短波接收天线。 由在两根集合线上每隔一定距离 连接一个对称振子组成, 这些对称振子都是经过一很小的电容器接到集合线上的。 在集合线 的末端,即对着通信方向的一端,接上一个与集合线特性阻抗相等的电阻,另一端则通过馈 线接到接收机上。与菱形天线相比较,鱼骨形天线的优点是副瓣小(也就是主瓣方向接收能 力强,在其它方向接收较弱),各天线之间相互影响小,占地较小;缺点是效率低,安装和 使用均较复杂。 八木天线 又叫引向天线。它有几根金属棒组成,其中一根是辐射器,辐射器后面一根较长的为反 射器,前面数根较短的是引向器。辐射器通常用折迭式半波振子。天线最大辐射方向与引向 器的指向相同。八木天线的优点是结构简单、轻便坚固、馈电方便;缺点频带窄、抗干扰性 差。在超短波通信和雷达中应用。 扇形天线 它有金属板式和金属导线式两种形式。其中,是扇形金属板式,是扇形金属导线式。这 种天线由于加大了天线断面积,所以加宽了天线频带。线式扇形天线可以用三根、四根或五 根金属导线。扇形天线用于超短波接收。 双锥形天线 双锥形天线由两个锥顶相对的圆锥体组成,在锥顶馈电。圆锥可以用金属面、金属线或 金属网构成。正象笼形天线一样,由于天线的断面积增大,天线频带也随之加宽。双锥形天 线主要用于超短波接收。 抛物面天线 抛物面天线是一种定向微波天线, 由抛物面反射器和辐射器组成, 辐射器装在抛物面反 射器的焦点或焦轴上。辐射器发出的电磁波经过抛物面的反射,形成方向性很强的波束。 抛物面反射器由导电性很好的金属做成,主要有以下四种方式:旋转抛物面、柱形抛物 面、割截旋转抛物面及椭圆形边缘抛物面,最常用的是旋转抛物面和柱形抛物面。辐射器一 般采用半波振子、开口波导、开槽波导等。 抛物面天线具有结构简单、方向性强、工作频带较宽等优点。缺点是:由于辐射器位于 抛物面反射器的电场中,因而反射器对辐射器的反作用大,天线与馈线很难得到良好匹配; 背面辐射较大;防护度较差;制作精度高。在微波中继通信、对流层散射通信、雷达及电视 中广泛应用这种天线。 喇叭抛物面天线

喇叭抛物面天线由喇叭和抛物面两部分组成。 抛物面盖在喇叭上, 而喇叭的顶点位于抛 物面的焦点上。喇叭是辐射器,它向抛物面辐射电磁波,电磁波经过抛物面反射,聚焦成窄 波束发射出去。 喇叭抛物面天线的优点是:反射器对辐射器没有反作用,辐射器对反射电 波没有遮挡作用,天线与馈电装置匹配较好;背面辐射小;防护度较高;工作频带非常宽; 结构简单。喇叭抛物面天线在干线中继通信中用的很广泛。 喇叭天线 又称号角天线。 它是由一段均匀波导和一段截面慢慢增大的喇叭状波导组成。 喇叭天线 有三种形式:扇形喇叭天线、角锥形喇叭天线及圆锥形喇叭天线。喇叭天线是最常用的微波 天线之一, 一般用作辐射器。 其优点是工作频带宽; 缺点是体积较大, 而且就同一口径来说, 它的方向性不及抛物面天线尖锐。 喇叭透镜天线 由喇叭及装在喇叭口径上的透镜组成, 故称为喇叭透镜天线。 透镜的原理参见透镜天线, 这种天线具有相当宽的工作频带, 而且比抛物面天线具有更高的防护度, 它在波道数较多的 微波干线通信中用得很广泛。 透镜天线 在厘米波段,许多光学原理可以用于天线方面。在光学中,利用透镜能使放在透镜焦点 上的点光源辐射出的球面波, 经过透镜折射后变为平面波。 透镜天线就是利用这一原理制作 而成的。 它由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成。 透镜天线有介质减速透镜天线和金属加 速透镜天线两种。透镜是用低损耗高频介质制成,中间厚,四周薄。从辐射源发出的球面波 经过介质透镜时受到减速。 所以球面波在透镜中间部分受到减速的路径长, 在四周部分受到 减速的路径短。因此,球面波经过透镜后就变成平面波,也就是说,辐射变成定向的。 透 镜由许多块长度不同的金属板平行放置而成。 金属板垂直于地面, 愈靠近中间的金属板愈短。 电波在平行金属板 中传播时受到加速。从辐射源发出的球面波经过金属透镜时,愈靠近透镜边缘,受到加 速的路径愈长,而在中间则受到加速的路径就短。因此,经过金属透镜后的球面波就变成平 面波。 透镜天线具有下列优点: 1、旁瓣和后瓣小,因而方向图较好; 2、制造透镜的精度不高,因而制造比较方便。其缺点是效率低,结构复杂,价格昂贵。 透镜天线用于微波中继通信中。 开槽天线 在一块大的金属板上开一个或几个狭窄的槽, 用同轴线或波导馈电, 这样构成的天线叫 做开槽天线,也称裂缝天线。为了得到单向辐射,金属板的后面制成空腔,开槽直接由波导 馈电。开槽天线结构简单,没有凸出部分,因此特别适合在高速飞机上使用。它的缺点是调 谐困难。

介质天线 介质天线是一根用低损耗高频介质材料(一般用聚苯乙烯)作成的圆棒,它的一端用同 轴线或波导馈电。2 是同轴线的内导体的延伸部分,形成一个振子,用以激发电磁波;3 是 同轴线;4 是金属套筒。套筒的作用除夹住介质棒外,更主要的是反射电磁波,从而保证由 同轴线的内导体激励电磁波,并向介质棒的自由端传播。介质天线的优点是体积小,方向性 尖锐;缺点是介质有损耗,因而效率不高。 潜望镜天线 在微波中继通信中,天线往往安置在很高的支架上,因此,给天线馈电就得用很长的馈 线。馈线过长会产生许多困难,如结构复杂,能量损耗大,由于在馈线接头处的能量反射而 引起失真等。为了克服这些困难,可采用一种潜望镜天线,潜望镜天线由安置在地面上的下 镜辐射器和安装在支架上的上镜反射器组成。 下镜辐射器一般是抛物面天线, 上镜反射器为 金属平板。下镜辐射器向上发射电磁波,经过金属平板反射出去。潜望镜天线的优点是能量 损耗小、失真小、效率高。主要用于容量不大的微波中继通信中。 螺旋天线 是一种具有螺旋形状的天线。 它由导电性能良好的金属螺旋线组成, 通常用同轴线馈电, 同轴线的心线和螺旋线的一端相连接,同轴线的外导体则和接地的金属网(或板)相连接。 螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。 当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时, 辐射最 强的方向垂直于螺旋轴; 当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时, 最强辐射出现在螺旋旋轴 方向上。 天线调谐器 连接发射机与天线的一种阻抗匹配网络, 叫做天线调谐器。 天线输入阻抗随频率而发生 很大的变化, 而发射机输出阻抗是一定的, 若发射机与天线直接连接, 当发射机频率改变时, 发射机与天线之间阻抗不匹配,就会降低辐射功率。使用天线调谐器,就能使发射机与天线 之间阻抗匹配,从而使天线在任何频率上有最大的辐射功率。天线调谐器广泛用于地面、车 载、舰载及航空短波电台中。 对数周期天线 是一种宽频带天线,或者说是一种与频率无关的天线。其中,是一种简单的对数周期天 线,它的偶极子长度和间隔符合下列关系:τ 偶极子由一均匀双线传输线来馈电,传输线在 相邻偶极子之间要调换位置。这种天线有一个特点:凡在 f 频率上具有的特性,在由 τ?f 给出的一切频率上将重复出现,其中 n 为整数。这些频率画在对数尺上都是等间隔的,而 周期等于 τ 的对数。对数周期天线之称即由此而来。对数周期天线只是周期地重复辐射图 和阻抗特性。但是这样结构的天线,若 τ 不是远小于 1,则它的特性在一个周期内的变化是 十分小的,因而基本上是与频率无关的。 对数周期天线种类很多,有对数周期偶极天线和 单极天线、对数周期谐振 V 形天线、对数周期螺旋天线等形式,其中最普遍的是对数周期 偶极天线。这些天线广泛地用于短波及短波以上的波段。


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