简述运用传输线理论分析电视天线辐射原理

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 有在极简单的夭线结构情况下才能容易得到相对较为准确的 解答。 因此在一般的情况下可以运用已知的电磁传输平行线 的电气特性知识来分析理解天线工作原理及特性 。 实际上在 研究天线时也离不开传输线的理论知识 。 下面先熟悉几点有 关传输线的基本特性 。 ⋯⋯夔蘸赢糟撇馨馨 随着电子技术的发展 , 各种 结构形式的新型天线不断出现 从最早的蝙蝠翼夫线到后来的双 环天线 、 双偶极子板天线 、 四偶极 子板天线以及缝隙天线等都得到 了广泛的应用 。 进一步学习研究 新型天线 , 掌握其原理特性 对于 天馈线工程的 ‘ 选型 、 维护 提高天线工作效率是非常有必要 的 。 我们知道天线电磁辐射理论 是复杂的 一般的学习条件会遇 到许多困难 。 但是我们可运用已 知的高频传输线知识 从简入手 去分析理解天线工作原理 掌握 其特性是可以做得到的 。 以下就天线辐射理论做几点 肤浅的论述和分析 。 《 狄拔 乙 二串卜 软 沐江仪比 天 对 入 对 议议议 入 货货货 , 矛尸尸 七七一 声尹尹 火火 一一 价之之一 侧侧 侧每祺 守侧 图 , 丈育矛吃胆并大于持性胆扰时 无藉线上时夏分波和 , 输人胆扰 周 贡戴矛绝胆并小于持性胆扰时 无花线上 时夏普及和输入厦扰 现代电视技市 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 冲遨卜 护么代。 。 不︸亡 一 平行传输线的基本工作特性 如图 所示 当平行传输线末端 载大于或远远大于该 平行传输线特性阻抗 。时 , 传输线产生驻波 处于复合波工 作状态 。 其图 卜 示了平行传输线 , 图 一 表示传输线上 产生的驻波电流电压的幅度相位关系和分布规律 图 一 表 示传输线内每一点分布的阻抗大小和分布规律 图 一 表示 了传输线在每一点的等效电路分布规律 。 从图 中看出 在 长度为入 的奇数倍处 , 阻抗最小 相当于串联谐振 , 电抗 抵消 呈纯阻 ’生 并且阻抗曲线变化比较平坦 。 在长度为 入 的偶数倍处 阻抗最大 相当于并联谐振 , 也呈纯阻性 但阻抗曲线变化尖锐不平坦 。 图 是传输线的另一种情况 当 载小于或远远小于传输线特性阻抗 的情况下 驻波电流 、 电压 、 阻抗和等效电路的分布规律 。 可以看出和图 呈现的 状态性质完全相反 不再单独说明 。 图 和图 在传输线长 度为入了礴处的奇数倍和偶数倍时都具有以上分析的 个显著的 特性 。 它们这四个 其中 特点非常重要 , 在复杂的天线结 构几何尺寸中 , 如 偶极子长度 、 间距 、 固定支掌以及馈电 点的阻抗匹配 平衡与不平衡变换等结构中 , 应用传输线的 这四个特性原理体现的非常清晰直观 , 所以掌握了平行线的 电气特性知识可直接应用到天线设计中去 。 我们为了分析问 题的需要 , 是把有耗传输线当做无耗传输线来分析会更清晰 一些 。 虽然传输线上会存在电阻 、 介质和辐射损耗 , 但我们 只分析长度有限的短传输线 这种损耗很小 , 不影响我们对 主要问题的研究分析 。 二 天线辐射原理 高频信号电流通过传输馈电到达天线 经天线这种换能 器件转换成电磁波离开传输导体向空间传播叫辐射 电磁能 是怎样离开天线振子向空中传播的 要搞清这个问题首先要 认清电磁波的实质特性 。 当导体中通过高频交变电流时 导 体四周即产生高频交变电磁场 。 电磁波是交变电场和交变磁 场互相联系依存转化的统一体 有交变磁场必然伴随着有交 变电场 有交变电场必然伴随着有交变磁场 两者不能独立 存在 , 创门的对立都是自己存在的前提 。 这种交变电场和交 变磁场互相转化向外辐射的电场和磁场 就称为辐射 。 那么 高频电流在馈电传输中得不到有效辐射 而在天线上传输时 为什么就能很好地辐射转化成电磁波呢 我们需从天线的基 本结构去理解其获得显著辐射的条件 , 最基本的天线可以看 成是一段平行传输导体末端开路并张开 度而形成的 , 如 图 所示 。 当平行线没有张开时如图 一 , 由于两导线间的 距离很近 而每一瞬间两导线中的电流大小相等 , 方向相反 所以它们在导线外部 空 间各点 产 生 的磁 场 , 将彼此抵消而减 弱 仅在两导线间才 彼此相加磁场最强 同样道理 , 两导线上 大小相等 极性相反 的电荷 也仅在两导 线之间产生最强的电 场 。 也就是说 , 传输线 形成的电磁场主要集 中于 两 导 线 间范 围 内 而其它空间则很 弱 因此不容易向外 辐射 可用右手螺旋 定则来证明 。 而传输 线 两 导 体 末端 张 开 度后 如图 一 , 这时两导线上电 尸招林令 。 图 传输线张开形成天线 流方向变为同方向 , 在周围所激起的磁场将相互加强 这样 为导体的辐射电磁场创造了条件 。 就是说 传输线末端张开 后 , 传输线即成为辐射体 。 该辐射体接上高频电源 , 其上出 现交变的电流 在辐射体周围就出现了交变电磁场 , 因为交 变电场的周围会产生交变磁场 , 交变磁场的周围会产生交变 电场 这样交变电场和交变磁场的互相转化 使电磁能不断 续 龟重 奄之幸一 , 卜次 斗 朴 一 , 一凡厂 ‘ 了 入 《 八门日日牵日日日 了‘ 入 二入 匕少 二入佗 图 浮 天线振子电流分布 现代电视技市 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 运行与维护 向外扩散 这就是电磁能的辐射 。 该辐射体称为天线的振子 要想获得显著辐射 从图 看出 与天线振子张开角度有关 另外还与天线振子上的分布电流大小有关 也和信号源频率 有关 如图 所示 。 如天线上分布电流越大 天线周围的辐 射场越强 , 天线辐射电磁能越强 如天线上分布电流幅度一 定 那么 信号源的波长越短 辐射越强 。 当天线振子长度 大于一个波长后 由于振子出现反向电流 , 而改变辐射方向 所以只有在特殊要求时才应用到 。 这时从平行传输线末端开 路并张开角度去分析导制电磁波显著辐射的条件 。 另一种情 况 , 当平行传输线末端短路 , 但只要两导线拉开足够的距离 类似环形天线 , 因为两导线不再是近距离平行 成为环状 , 环 上的分布电流在空间产生的磁场不会被抵消削弱 所以同样 会获得显著电磁辐射 。 、剑、 、· 剑 习习 三 电视发射天线的类型和特点 男 对称振子输人胆扰时变化规律 从天线基本原理已知 , 振子末端开路形式的天线有蝙蝠 冀天线 背腔天线 、 单偶极子天线 、 双偶极子和四偶极子等 天线 。 振子末端短路形式的天线 有环形天线 、 双环天线和 拆合振子天线等 另外还有缝隙天线 。 从振子长度也可分为 半波对称 或不对称 天线 全波对称 或不对称 天线 。 从 电磁波极化方向可分为园极化天线 如背腔天线 了 这种天线 抗干扰强 但由于天线增益极高 , 一般应用在要求方向性极 强的场合 电视发射很少应用 。 水平极化天线 , 如前面例举 的几种天线 。 垂直极化天线一般不用于电视发射 。 电波极化 是表明 电波在空中传播时 , 其电场矢量按照一定规律变化 , 电场方向就称为极化方向 。 极化方向与天线和配置有关 垂 直于地面的振子形成垂直极化波 , 电场方向垂直于地面 。 与 地面平行的水平振子形成水平极化波 电场方向平行地面 。 园极化波是利用天线两个互相垂直的两对振子 在馈电时馈 电电流幅度相同 而相邻两振子间电流的相位差 度而获得 的旋转极化场 电场方向可以是右旋转 , 也可以做成左旋转 方向 ,称为园极化波 。 目前常用的几种形式天线各有特点 四偶极子板天线或 双偶极子板天线 都是半波对称振子天线 一对振子总长度 为半个波长 馈电点在中间处在刀 位置上 。 如图 一 所示 。 这种天线突出的特点是 天线尺寸小 使用方便安全 馈电点处在 入 位置上 等效于串联谐振 呈纯阻性 辐射 效率高 阻抗小 , 便于阻抗匹配损耗小 更重要的是 , 阻抗 曲线变化平坦 工作波长略有变化时 天线输入阻抗变化量 很小 有利于保 持振子 与传输 线良好匹配 还 可 以做成宽带 天线 因而得到 了广泛的应用 。 缝 隙天 线体积 小 可以安装在 塔顶 , 以便增加 天线高度 造价 低 , 它的结构形 式 是 在 圆柱体 同轴线 上 纵 向 开糟 长条缝隙 作为辐射体 馈 电点 在糟缝 中 州叫浏门叫 山玛哪 盔 丫去下雌洲勺 间 , 从馈电点向条缝面端看去 , 相当于入 波长末端短路线 口 从图 看 在入 处馈电的特点是 等效于并联谐振 输入阻 抗高 阻抗曲线变化尖锐 , 但是阻抗高 适应于电容祸合直 接馈电 所以传输匹配容易 , 效率高 增益也可以做得很高 但工作频带窄 一般工作在单频道是一种性能良好的天线 。 双环天线可以近似等效为四偶极子天线 所以具有增益高 、 馈电点少 、 结构简单 、 频带宽等特点 , 是一种高品质的天线 。 虽然天线形式多种多样 不论结构多么复杂 , 都是在最基本 的天线基础上 根据不同要求和工艺而进行的变形应用 所 以在分析某天线时 重点从天线单元馈电处 辐射振子几何 尺寸 、 各振子间距以及各点阻抗匹配 、 变换和支撑固定等入 手 应用平行传输线电气特性去分析 就容易掌握其天线的 基本特征 。 以上就电视发射天线工作原理 , 结合电视机务维 护工作 在不赘述更多内容的前提下 做了简要叙述 。 虽然 这种分析方法用于研究天线辐射时显得极不完善 天线辐射 体和高频传输线有许多不同点 但它们之间许多特性变化规 律和结论是近似一致的 所以说在实际工作中用传输线知识 学习天线工作原理是一种既简便又直观的学习方法 。 参考文献 了天线及溃电没备 北京科学教育编辑室出版 犯 口 祥无线电原理讲戈 中国人民解放军空军航空工程 部翻印 夕 现代电视技市