行波天線和駐波天線

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

行波天線

電流在導線中流動的速度很快。在直流電路和低頻交流電路中,流過導線某一截面的電流總是會在電路參數發生變化之前流過其它各截面,因此任何時刻一條導線上各截面電流的方向和大小是一樣的。
不過,電流從一點流到另一點畢竟還是需要時間的。在高頻電路中,在高頻率交流電源的驅動下,電流、電壓的大小和方向都變化得極快,前一時刻流過某點的電流剛剛來得及流到相鄰段,該點電流的大小或方向已經隨電源而發生改變,這樣就造成同一時刻電路各點的電流和電壓不再彼此相同。
如果我們用一個等幅高頻率交流電源聯接到一對無窮長的均勻平行長線上,那么靠近電源端的導線之中就會有同步于電源的高頻交變電壓和電流。就導線的每一截面而言,流過的電流都是幅度相同的高頻交流電流,只是流過各截面的電流的時間相位不同。就整個導線而言,同一時刻各點的電流隨離電源端的距離而呈正弦分布?？雌饋砭拖褚粋€正弦電流波源源不斷地從無窮遠端沿一根導線留向電源,再從電源沿另一根導線流向無窮遠端,我們把電流波的這種流動方式稱為“行波”。如果兩根平行導線的距離很近,由于其對稱結構,同一時刻流過兩根導線相對段的電流總是大小相等方向相對的,因此它們中間的電流在周圍空間形成的電磁場互相抵消,不會傳播到遠處。所以這種均勻平行長線可以用來作為傳輸高頻能量的“傳輸線”,或者叫“饋線”。
如果我們把上述無窮長均勻長線的兩臂向兩邊水平張開,就形成了一副無窮長的偶極天線,導線中的電流從無窮遠處沿一臂流向電源,再從電源沿另一臂流向無窮遠,方向連續一致。每一小段導線中的電流在周圍空間產生電磁場,向四周傳播,構成一副“行波天線”。從遠處看,其中沿導線軸向傳播的那部分能量由于相位關系正好互相疊加,因此這種行波天線的最大輻射方向是接近于軸向的,方向性很尖銳。
當然,實際生活中無窮長的天線是不存在的。但是我們可以把上述天線架設得盡量長,例如每臂數倍于波長,同時在每一臂的端點對地聯接一個吸收電阻,把傳到端點的電流全部吸收掉,使到達端點的電流波永不回頭,繼續維持無窮長行波天線的工作方式,只是總長度短了很多。這樣的行波天線的方向性和發射效率雖然比不上理想的無窮長行波天線,但是還是可以在一定程度上保持寬頻帶、高增益的特點。它的變種,例如菱形天線,曾經成為很多遠程短波通信電臺廣泛采用。美國著名的業余電臺W6AM也曾經擁有令人稱羨的巨大的菱形天線場。
但是,行波天線只有做得很長才能取得較好效果,而業余無線電愛好者往往不具備足夠的空間來架設行波天線,因而更多地采用駐波天線。

駐波天線

前面我們說到用等幅高頻率交流電源驅動一對無窮長的均勻平行長線上的情況,由于導線無窮長,電源所激起的電流波(實際上還有電壓波)會順著導線向遠處流動,永不回頭。但是如果平行線的長度是有限的,那么末端邊界就會破壞電流波和電壓波的原來狀態,例如如果開路末端的導線中電流永遠是零,短路末端導線間的電壓永遠是零。這種邊界狀態會順著長線反向影響到其他部分,擾亂原來的行波狀態。這種擾亂也可以看作是從電源傳輸過來的能量因為不能繼續傳輸下去、又沒有可以剛好消耗完的地方,只能被反射回去。

如果我們把有限長度平行長線的兩條導線向兩邊張開,就成為偶極天線。當偶極天線兩臂的總長度等于半波長的整倍數時,天線達到諧振,這時電流電壓在天線上正反向傳播的分量在各處的疊加剛好形成一種特殊狀態,即天線各點電壓和電流的時間相位正好和電源電壓及其供出的電流相同,只是各點的電壓電流幅度不同,兩端的電壓最高、電流總是為零,中間的電流最大、電壓總是為零。

饋線或天線中各點電壓電流同相位、每一點都有各自固定幅度的這種狀態看起來好像是電壓波、電流波不再沿導線移動,因此稱為“駐波”狀態。這樣的天線就是“駐波天線”。駐波天線中,各段電流所產生的電磁場相位一致,在垂直于天線的遠方互相疊加,在較短長度下取得較好的輻射效果。

駐波天線的任何一點都是純電阻性質的饋電點,只是不同位置的純電阻阻抗值不同。如果饋電點選擇合適,送到天線的能量將全部被輻射出去,從饋電點流進去的只有行波。

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