天線

賣貓的小狗 2011-05-04

展開全文

§1.1 無線電波
無線電波是一種電磁波．在真空中，電波以每秒299，792,077米（30萬公里）的速度向前傳播。在傳播過程中的每一瞬間，電磁波中的電場(E)方向與磁場(H)方向相互垂直，一般來說，它們又都與電波傳播的方向垂直。電波在自由空間中的結構如圖1.1(a)所示。
若發(fā)射天線是一副向空間均勻地輻射電波的全向天線，如圖1．4所示。那么，電波從這一天線輻射出來之后，便會很快地向四面八方均勻地散布開來。對于一副距發(fā)射機很遠的接收天線，它所接收到的電波波陣面可以近似地看成一個平面。如果這副天線可以“看見”電場和和磁場的話，在這個平面波陣面上，電場和磁場的相互關系就是圖1.1(b)所示的樣子。圖中實線表示電場E，虛線表示磁場H。E和H的幅度都會按照電波的頻率周期性的變化。

如果順著電場E的方向放置一根導體，那么，由于電場E的作用，導體
6 | Page 中的自由電子就會在導體中按照電波的頻率周期性地運動。這樣，在導體中就產生了周期性的感應電流．把這個電流設法引入接收機，加以放大，經過檢波，解調等一系列措施，人們便可得到發(fā)射臺發(fā)出的聲音或圖像信號，這就是接收無線電波的基本原理。能夠接收周圍空間電波能量的裝置就叫做天線。剛才所講的這根導體就是一副天線。如果這根導體的長度選得適當，使電荷從導體一端跑到另一端的過程能夠與電場E的周期性變化過程協(xié)調起來，我們就說天線與接收頻率調到了諧振狀態(tài)。這時，便會有最佳接收效果。
電場E的方向稱為電波的極化方向。如果E與地平面平行，便稱之為水平極化；如果E垂直于地平面，則稱之為垂直極化。廣播臺和電視臺常用線天線發(fā)射無線電波，對這種線天線來說，大體上可以認為電波的極化和線天線的擺設方向相同。例如，若將一個半波偶極天線水平架設，那么，它就發(fā)射或接收水平極化波。若將它垂直架設，它就發(fā)射或接收垂直極化波。
無線電波的兩個重要參數(shù)是它的頻率和波長。它們之間有如下的關系：
電波速度v(米) = 頻率f (赫茲)×波長λ(米)
電波一旦發(fā)射出來，除了特殊情況之外，其頻率一般是不變化的，其波長與傳播介質有關。若傳播介質的介電常數(shù)為ε，那么，在這種傳播介質中，電波的波長和速度分別為
λ介= λ0／√ε
v介= c／√ε
式中，λ0，c分別為電波在真空中的波長和速度。
7 | Page 當我們考慮電波在電纜中傳播時，必須考慮介電常數(shù)的影響。
真空中的介電常數(shù)為1.0。表1.1中紿出了幾種主要介質的介電常數(shù)ε0

我國中波收音機的工作頻率大約是在535千赫到1.65兆赫。短波收音機的工作頻率大約是1.6兆赫到30兆赫。從l頻道到12頻道的電視播送頻率大約是從50兆赫到220兆赫的甚高頻(VHF)波段。從13頻道到68頻道的電視播送頻率大約是從470兆赫到950兆赫的超高頻(UHF)波段，我國電視頻道見附錄。VHF和UHF波段也常用于移動通信。
§1.2 電波傳播
不同頻率的電波，傳播的方式不一樣。從垂直發(fā)射天線發(fā)出的低頻垂直極化波，它緊挨著地面?zhèn)鞑ィQ之為地波傳播。因為它不斷地受到地面的吸收，所以，傳播距離很短。在白天，中波收音機主要是接收地波信號。以一定仰角發(fā)射的高頻無線電波，可以經地球上空電離層的反射，而回到距發(fā)射機很遠的地面，這種傳播方式稱為天波傳播，如圖1.2所示。短波收音機主要是接收天波信號。
8 | Page

VHP波段以及更高頻段的電波會穿透電離層，而不能反射回地面，所以接收天線必需能“看”到發(fā)射天線，才能收到足夠強的信號。這種傳播方式稱為視線傳播，如圖1.3所示。

在圖1.3中，在C點架設高hl米的發(fā)射天線，在B點收看，弧CB即為視線距離。R為地球半徑，約為6.37xl06米。發(fā)射天線處于A點，OBA構成直角三角形
AB =√(R+h1)2-R2 ≈ √2Rh1 = 3.57√h1 （公里）。
因為A1 ＞＞ AB，可近似認為視線距離CB = AB = 3.57√h1 公里。可見，發(fā)射天線架得越高，便可以“看”得越遠。
9 | Page 如果接收天線也架高，設其高度為h2米，架在地面上的D點，如圖1.3所示。同樣可以求得地面距離BD = 3.57√h2 公里。所以，發(fā)射天線到接收天線的地面距離CD = 3.57×（√h1 +√h2）公里。
實際上，由于大氣的折射作用，電波可以按圖1.3中的虛線傳播，到達地面E處的接收天線。傳播距離約比上面的計算值大15%左右。所以，實際上，視線傳播的地面距離為
CE = 4.11×（√h1 +√h2）公里
這也是電視廣播的視線傳播距離。根據上面的分析可以看出，在視線傳播情況下，接收天線架得越高越好。
由于還存在著散射、折射等其它傳播方式，所以，有時視線傳播的距離可以大大超過上面算出的距離。
§1.3 幾種基本天線
天線是一種向周圍空間輻射電磁波能量，或者從周圍空間接收電磁波能量的裝置。各向同性天線、赫茲振子，接地垂直單極天線以及半波偶極天線是幾種最基本的天線。下面簡略介紹這幾種線。
一、各向同性天線
各向同性天線是一種均勻地向各個方向輻射能量的天線，又稱全向天線。自由空間中的點源，就可看作這樣的天線，如圖1.4所示。在過源點的任何一個平面內，它的方向圖都是一個圓。這種天線實際上并不存在，研究這種天線的意義在于，一般都以它作為參考，來研究其他天線的增益。例如，相對于各向同性天線來說，半波偶極天線的功率增益系數(shù)為1.64增益G = 2.15分貝。
10 | Page