1. 当天线与高频电路连接时,看似没有电流回路,其实是天线与广阔的大地之间形成的形成了递远递减的电容回路,此时,天线只是相当于LC谐振回路的电感,而天线与地之间形成的电容与之谐振,形成递远递减的电场强度,完成电磁波的传播。
2.接收时天线的工作原理同发射时,不过是逆过程,感应电场变化。
3.根据天线形式不同、馈线种类不同,天线与馈线的连接方式也也不同。常见的对称振子天线(特性阻抗75欧)与75欧同轴馈线连接,虽都是75欧,但对称振子天线是平衡输入,而同轴馈线是不平衡输入,直接连接天线两臂会使天线两臂电流不平衡,影响天线谐振及阻抗匹配,必须在天线与馈线间加装1:1阻抗平衡/不平衡转换器(通常是1/2λ。馈线)。这只是最简单的天线基础,欲知更多,可参考人民邮电出版社的《电波与天线》一书,里面有详尽的天线与馈线的知识,会对你有很大的帮助。
对电视天线馈线(室外天线到电视机之间的连线)一般的要求是:能有效地传送天线接收的
电视信号、畸变小、损耗小、抗干扰能力强,馈线与天线之间、与电视机信号输入端之间应
有良好的阻抗匹配。这些要求普通导线不具备。普通导线对电视信号的高频衰减严重,抗干
扰能力差,容易受到各种外来高频信号的干扰。同时,普通导线的特性阻抗不定,很难满足
阻抗匹配要求,如果用普通导线作为电视机天线馈线,当天线上感应到的信号经普通导线传
向电视机时,在电视机输入端因阻抗不匹配将产生反射,被反射回去的信号在普通导线与天
线之间又由于阻抗不匹配而发生反射,多次反射的结果会使屏幕上图像严重重影,无法正常
收看,并对电视接收天线的性能造成一定损害。常用的电视天线锅线主要有两种,一种是特
性阻抗为75 欧的同轴电缆馈线,另一种是特性阻抗为300 欧的平地扁馈线。有的电视机没有
300/75 欧阻抗变换器,使用这两种馈线,一般都能满足天线、馈线、电视机信号输入端阻抗
匹配的要求,获得最佳接收效果。在选拔天线馈线时,一方面要注意观察电视机天线插孔处
的阻抗标记,另一方面要考虑天线本身的阻抗特性,使天线具备的特点与实际需要吻合。75
欧圆馈线与300 欧扁平馈线两者比较,前者因有金属屏蔽层,抗干扰能力好,传输损耗小,
在需要馈线较长的情况下比较适用,但价线较贵,不易配接;后者价值虽便宜,但由于无屏
蔽作用,抗干扰能力不如前者,容易拾取杂波干扰,影响接收质量,且传输损耗大些,在不
需要很长馈线的情况下,可考虑选用。
天线与馈线的连接,是安装天线时十分重要的问题。
若连接不正确,将直接影响接收效果。其连接方式,取决于天线中有源振子的形状和馈线的种类。
一般常用的有下列情况。1、天线的有源振子为半波折合振子(阻抗300Ω) 连接馈线采用300Ω扁平馈线时,其连接方式最简单,即将馈线的两根导线分别接在有源振子中间开口处即可,如图1所示。
如果采用75Ω同轴电缆作连接馈线,其连接方式需要把半波折合振子333Ω阻抗变换与同轴电缆75Ω匹配。方法是载取1/2波长的同轴电缆制作成U型变换器,如图2所示。
先将1/2λ的同轴电缆中间芯线的两端,接在半波折合振子天线的开口处,其外层屏蔽网相连;主馈线的芯线接天线开口处的任一端,其屏蔽网连接U形变换器的屏蔽网。 2、天线的有源振子为半波振子(阻抗75Ω) 当馈线采用300Ω扁平馈线时,需进行阻抗变换,方法是用1/4波长的扁平馈线两根制成阻抗变换器,接法如图3所示。
当馈线采用75Ω同轴电缆时,就只需要进行平衡-不平衡转换,可采用75Ω同轴线作U形变换器,接法如图4所示。 取一根1/2λ的同轴电缆,将两端接于天线开口处并将外层相连好;再在U形变换器1/4λ处截断,其主馈线的芯线接在1/4λ处的同轴线芯线,其外层屏蔽线接在3/4λ处的同轴线芯线。
此外,还可用双孔磁心制作。其制作方法见图5(a)、(b)所示。
双孔磁心阻抗变换器的突出优点是体积小频带宽,缺点是抗干扰能力与选择性差。天线与馈线匹配中的平衡与不平衡变换 很多天线如半波振子天线、折合振子天线、环行天线等都是平衡馈电的,它们都有两个馈电点,它们都有个特点:两个馈电点的信号电压(或电流)的相位是互为反相的。
而主馈电缆常常都是用同轴电缆,同轴电缆属于不平衡(不对称)馈线,其内导体是馈电点,而外导体是地线点,不参与馈电。所以就算天线的特性租抗与同轴电缆相同也不能直接连接,否则,会破坏天线的对称性,使天线两臂上的电流大小不等,这种不平衡性会改变天线的方向图,使之成为不对称的方向图,从而使馈线可能接收到各种干扰波和使馈线与天线失配。
因此,在天线与同轴线连接时,不仅要考虑阻抗匹配而且还要进行平衡--不平衡变换。 1、λ/4平衡变换器(λ是信号频率的波长) λ/4平衡变换如图6所示,半波振子的输入阻抗是75欧的平衡负载,用75欧的同轴电缆与之配接虽然阻抗是匹配了,但平衡却不匹配,必须加入一个平衡变换器。
半波振子的一臂与主馈线外导体相连(图6中的A点),另一臂与λ/4导体上端和同轴电缆的内导体相连接(图6中的B点),λ/4导体的下端则通过短接金属环与主馈线的外导体相接(图6中的C点)。那么A--》B点之间的距离为λ/2,所以,B点的信号送到A点时刚好反相,这样一来就把同轴线的不对称变为对称了。
从A、B两点向短接金属环看进去是一段λ/4的短路线,其阻抗为无穷大,所以对阻抗匹配不会造成影响。 2、不对称U型环平衡变换 如图7所示,它由两段特性阻抗均为75欧的同轴线构成,其中一段为λ/4,另一段为3λ/4,两段同轴线的内导体分别与半波振子的两臂A、B相连,另一端与主馈电缆相连于C点,可见主馈线到振子两馈电点路径的波程相差为3λ/4-λ/4=λ/2,即两馈电点的信号电压大小相等,方向相反。
因而保证了平衡馈电。 阻抗匹配:由于半波振子是平衡式的,每个馈电点对地阻抗为75/2=37。
5欧,馈电点A通过λ/4的75欧电缆到C点的阻抗为:752/37。5= 150欧,馈电点B通过3λ/4(λ/4的奇数倍)75欧电缆到C点的阻抗为:752/37。
5=150欧,那么C点的合成阻抗为:150/2=75 欧。显然和主馈电缆的阻抗是匹配的。
3、λ/2平衡变换器 λ/2平衡变换器又叫U型平衡变换器,如图8所示,折合半波振子天线(输入阻抗为300欧)与会75欧的同轴线连接时,二者阻抗不匹配,因此必须在它们之间加装U型平衡变换器。 从图8可看出,馈电点A和B的对地阻抗为300/2=150欧,信号从主馈电缆传至A点分成两路,分别供给振子左右两边的负载。
由于A、B两馈电点的波程差为λ/2。因此,A、B两馈电点的电源大小相等,方向相反,从而达到了平衡变换的目的。
再看阻抗方面,由于A、B两点的对地阻抗均为150欧,那么合成在一起后,A点的阻抗应为两馈电点的并联值即150/2=75欧,所以阻抗也是匹配的。
天线馈线是接收天线到接收器之间的连线。天线馈线能有效地传送天线接收的信号,畸变小、损耗小、抗干扰能力强,馈线与天线之间、与接收机信号输入端之间应有良好的阻抗匹配。
馈线是早期电视机与室外天线连接的信号线,外形扁平一般为双线,线体为绝缘塑料,外部没有屏蔽层,抗干扰能力极差,室外使用其性能还会受阴雨天气的影响。
现在由于有线电视的普及电视信号线完全由同轴电缆取代。 馈线包括天线的下引线和系统的干线、支干线、支线、用户线等。
有线电视系统中采用的馈线主要有扁馈线、同轴电境和光缆三种。应用最多的是同轴电缆。
它的主要任务是有效地传输信号能量,将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端,或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,同时本身不产生杂散干扰信号,这样,就要求传输线必须屏蔽。当馈线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时,传输线又叫做长线。
对电视天线馈线(室外天线到电视机之间的连线)一般的要求是:能有效地传送天线接收的电视信号、畸变小、损耗小、抗干扰能力强,馈线与天线之间、与电视机信号输入端之间应有良好的阻抗匹配。
这些要求普通导线不具备。普通导线对电视信号的高频衰减严重,抗干扰能力差,容易受到各种外来高频信号的干扰。
同时,普通导线的特性阻抗不定,很难满足阻抗匹配要求,如果用普通导线作为电视机天线馈线,当天线上感应到的信号经普通导线传向电视机时,在电视机输入端因阻抗不匹配将产生反射,被反射回去的信号在普通导线与天线之间又由于阻抗不匹配而发生反射,多次反射的结果会使屏幕上图像严重重影,无法正常收看,并对电视接收天线的性能造成一定损害。常用的电视天线锅线主要有两种,一种是特性阻抗为75 欧的同轴电缆馈线,另一种是特性阻抗为300 欧的平地扁馈线。
有的电视机没有300/75 欧阻抗变换器,使用这两种馈线,一般都能满足天线、馈线、电视机信号输入端阻抗匹配的要求,获得最佳接收效果。在选拔天线馈线时,一方面要注意观察电视机天线插孔处的阻抗标记,另一方面要考虑天线本身的阻抗特性,使天线具备的特点与实际需要吻合。
75欧圆馈线与300 欧扁平馈线两者比较,前者因有金属屏蔽层,抗干扰能力好,传输损耗小,在需要馈线较长的情况下比较适用,但价线较贵,不易配接;后者价值虽便宜,但由于无屏蔽作用,抗干扰能力不如前者,容易拾取杂波干扰,影响接收质量,且传输损耗大些,在不需要很长馈线的情况下,可考虑选用。
【天线原理】一、天线工作原理与主要参数天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。
合理慎重地选用天线,可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。(一)天线的作用各类无线电设备所要执行的任务虽然不同,但天线在设备中的作用却是基本相同的。
任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息,因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。所以,天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。
当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路,只要不是完全屏蔽起来的,都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波,或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。
但是,任意一个高频电路并不一定能作天线,因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。
天线的另一个作用是”能量转换”。大家知道,发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波,收信天线也不能直接把无线电波送入收信机,这里有一个能量的转换过程,即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端,天线要把高频电流转换为空间高频电磁波,以波的形式向周围空间辐射。
反之在接收时,也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后,再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。
天线增益越高,则转换效率就越高。(二)天线的分类天线的形式繁多,按其用途可以分为发信天线和收信天线;按使用波段可以分为长、中、短、超短波天线和微波天线、微带天线等。
此外,我们还可按其工作原理和结构来进行分类。为便于分析和研究天线的性能,一般把天线按其结构形式分为两大类:一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线,另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。
线状天线主要用于长、中、短波频段,面状天线主要用于厘米或毫米波频段;甚高频段一般以线状天线为主,而特高频段则线、面状天线兼用。 线状天线和面状天线的基本工作原理是相同的。
(三)天线的工作原理天线本身就是一个振荡器,但又与普通的LC振荡回路不同,它是普通振荡回路的变形。图1-9示出了它的演变过程。
图中LC是发信机的振荡回路。 如图1-9(a)所示,电场集中在电容器的两个极板之中,而磁场则分布在电感线圈的有限空间里,电磁波显然不能向广阔空间辐射。
如果将振荡电路展开,使电磁场分布于空间很大的范围,如图1-9(b)、(c)所示,这就创造了有利于辐射的条件;于是,来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上,并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量,向空间辐射,如图1-9(d)所示。 电磁波的能量从发信天线辐射出去以后,将沿地表面所有方向向前传播。
若在交变电磁场中放置一导线,由于磁力线切割导线,就在导线两端激励一定的交变电压——电动势,其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连,在收信机中就可以获得已调波信号的电流。
因此,这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用,所以称此导线为收信天线。无论是发信天线还是收信天线,它们都属于能量变换器,“可逆性”是一般能量变换器的特性。
同样一副天线,它既可作为发信天线使用,也可作为收信天线使用,通信设备一般都是收、发共同用一根天线。 因此,同一根天线既关系到发信系统的有效能量输出,又直接影响着收信系统的性能。
天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线,收信天线可以用作发信天线,并且表现在天线用作发信天线时的参数,与用作收信天线时的参数保持不变,这就是天线的互易原理。 为便于讨论,常将天线作为发信天线来分析,所得结论同样适用于该天线用作收信天线的情况。
(四)天线的主要参数1。天线效率天线效率为天线辐射功率Pr与天线输入功率Pin(辐射功率与天线内所消耗的功率Ps之和)之比。
即 上式还可用天线输入端的辐射电阻Ro和损耗电阻Rs表示,即 可见,要提高辐射效率,应设法增大辐射电阻和减小损耗电阻。2。
方向性系数为了定量表示天线辐射功率在空间的集中程度,我们采用方向性系数D,并定义如下:在相同的辐射功率下,天线产生于某点的电场强度的平方E2与点源天线(无方向性辐射源)在该点产生的电场强度平方Eo2之比,叫做该天线在该点方向的方向性系数,即 Prz和PDZ分别表示该天线与点源天线的辐射功率。 由定义可知,由于天线在各个方向辐射强度不同,方向性系数D也不同,一般所讲的某天线的方向性系数,都是指最大辐射的方向性系数(除注明方向),并且实际天线的方向性系数都是大于1的。
3。增益系数天线增益系数等于天线效率η与其方向性系数D的乘积,即G=ηD。
天线增益比天线方向性系数更全面地反映了天线的性质。天线增益不仅考虑了方向性引起的场强变化,还考虑了天线效率对场强的影响。
天线增益系数一般可用分贝(dB)表示,即G(dB)=10logG。 在工程上,人们常把上述定义的增益称为“绝对增益”,而把相对于某一特定的作为参考标准的天线增益称为“相对增益”。
4。方向图一个发信天线向空间各。
天线与馈线的连接 天线与馈线的连接,是安装天线时十分重要的问题。
若连接不正确,将直接影响接收效果。其连接方式,取决于天线中有源振子的形状和馈线的种类。
一般常用的有下列情况。1、天线的有源振子为半波折合振子(阻抗300Ω) 连接馈线采用300Ω扁平馈线时,其连接方式最简单,即将馈线的两根导线分别接在有源振子中间开口处即可,如图1所示。
如果采用75Ω同轴电缆作连接馈线,其连接方式需要把半波折合振子333Ω阻抗变换与同轴电缆75Ω匹配。方法是载取1/2波长的同轴电缆制作成U型变换器,如图2所示。
先将1/2λ的同轴电缆中间芯线的两端,接在半波折合振子天线的开口处,其外层屏蔽网相连;主馈线的芯线接天线开口处的任一端,其屏蔽网连接U形变换器的屏蔽网。2、天线的有源振子为半波振子(阻抗75Ω) 当馈线采用300Ω扁平馈线时,需进行阻抗变换,方法是用1/4波长的扁平馈线两根制成阻抗变换器,接法如图3所示。
当馈线采用75Ω同轴电缆时,就只需要进行平衡-不平衡转换,可采用75Ω同轴线作U形变换器,接法如图4所示。取一根1/2λ的同轴电缆,将两端接于天线开口处并将外层相连好;再在U形变换器1/4λ处截断,其主馈线的芯线接在1/4λ处的同轴线芯线,其外层屏蔽线接在3/4λ处的同轴线芯线。
此外,还可用双孔磁心制作。其制作方法见图5(a)、(b)所示。
双孔磁心阻抗变换器的突出优点是体积小频带宽,缺点是抗干扰能力与选择性差。天线与馈线匹配中的平衡与不平衡变换 很多天线如半波振子天线、折合振子天线、环行天线等都是平衡馈电的,它们都有两个馈电点,它们都有个特点:两个馈电点的信号电压(或电流)的相位是互为反相的。
而主馈电缆常常都是用同轴电缆,同轴电缆属于不平衡(不对称)馈线,其内导体是馈电点,而外导体是地线点,不参与馈电。所以就算天线的特性租抗与同轴电缆相同也不能直接连接,否则,会破坏天线的对称性,使天线两臂上的电流大小不等,这种不平衡性会改变天线的方向图,使之成为不对称的方向图,从而使馈线可能接收到各种干扰波和使馈线与天线失配。
因此,在天线与同轴线连接时,不仅要考虑阻抗匹配而且还要进行平衡--不平衡变换。 1、λ/4平衡变换器(λ是信号频率的波长) λ/4平衡变换如图6所示,半波振子的输入阻抗是75欧的平衡负载,用75欧的同轴电缆与之配接虽然阻抗是匹配了,但平衡却不匹配,必须加入一个平衡变换器。
半波振子的一臂与主馈线外导体相连(图6中的A点),另一臂与λ/4导体上端和同轴电缆的内导体相连接(图6中的B点),λ/4导体的下端则通过短接金属环与主馈线的外导体相接(图6中的C点)。那么A--》B点之间的距离为λ/2,所以,B点的信号送到A点时刚好反相,这样一来就把同轴线的不对称变为对称了。
从A、B两点向短接金属环看进去是一段λ/4的短路线,其阻抗为无穷大,所以对阻抗匹配不会造成影响。 2、不对称U型环平衡变换 如图7所示,它由两段特性阻抗均为75欧的同轴线构成,其中一段为λ/4,另一段为3λ/4,两段同轴线的内导体分别与半波振子的两臂A、B相连,另一端与主馈电缆相连于C点,可见主馈线到振子两馈电点路径的波程相差为3λ/4-λ/4=λ/2,即两馈电点的信号电压大小相等,方向相反。
因而保证了平衡馈电。 阻抗匹配:由于半波振子是平衡式的,每个馈电点对地阻抗为75/2=37.5欧,馈电点A通过λ/4的75欧电缆到C点的阻抗为:752/37.5= 150欧,馈电点B通过3λ/4(λ/4的奇数倍)75欧电缆到C点的阻抗为:752/37.5=150欧,那么C点的合成阻抗为:150/2=75 欧。
显然和主馈电缆的阻抗是匹配的。 3、λ/2平衡变换器 λ/2平衡变换器又叫U型平衡变换器,如图8所示,折合半波振子天线(输入阻抗为300欧)与会75欧的同轴线连接时,二者阻抗不匹配,因此必须在它们之间加装U型平衡变换器。
从图8可看出,馈电点A和B的对地阻抗为300/2=150欧,信号从主馈电缆传至A点分成两路,分别供给振子左右两边的负载。由于A、B两馈电点的波程差为λ/2。
因此,A、B两馈电点的电源大小相等,方向相反,从而达到了平衡变换的目的。 再看阻抗方面,由于A、B两点的对地阻抗均为150欧,那么合成在一起后,A点的阻抗应为两馈电点的并联值即150/2=75欧,所以阻抗也是匹配的。
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