行波天线和驻波天线

2017-03-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

行波天线

电流在导线中流动的速度很快。在直流电路和低频交流电路中,流过导线某一截面的电流总是会在电路参数发生变化之前流过其它各截面,因此任何时刻一条导线上各截面电流的方向和大小是一样的。
不过,电流从一点流到另一点毕竟还是需要时间的。在高频电路中,在高频率交流电源的驱动下,电流、电压的大小和方向都变化得极快,前一时刻流过某点的电流刚刚来得及流到相邻段,该点电流的大小或方向已经随电源而发生改变,这样就造成同一时刻电路各点的电流和电压不再彼此相同。
如果我们用一个等幅高频率交流电源联接到一对无穷长的均匀平行长线上,那么靠近电源端的导线之中就会有同步于电源的高频交变电压和电流。就导线的每一截面而言,流过的电流都是幅度相同的高频交流电流,只是流过各截面的电流的时间相位不同。就整个导线而言,同一时刻各点的电流随离电源端的距离而呈正弦分布。看起来就像一个正弦电流波源源不断地从无穷远端沿一根导线留向电源,再从电源沿另一根导线流向无穷远端,我们把电流波的这种流动方式称为“行波”。如果两根平行导线的距离很近,由于其对称结构,同一时刻流过两根导线相对段的电流总是大小相等方向相对的,因此它们中间的电流在周围空间形成的电磁场互相抵消,不会传播到远处。所以这种均匀平行长线可以用来作为传输高频能量的“传输线”,或者叫“馈线”。
如果我们把上述无穷长均匀长线的两臂向两边水平张开,就形成了一副无穷长的偶极天线,导线中的电流从无穷远处沿一臂流向电源,再从电源沿另一臂流向无穷远,方向连续一致。每一小段导线中的电流在周围空间产生电磁场,向四周传播,构成一副“行波天线”。从远处看,其中沿导线轴向传播的那部分能量由于相位关系正好互相叠加,因此这种行波天线的最大辐射方向是接近于轴向的,方向性很尖锐。
当然,实际生活中无穷长的天线是不存在的。但是我们可以把上述天线架设得尽量长,例如每臂数倍于波长,同时在每一臂的端点对地联接一个吸收电阻,把传到端点的电流全部吸收掉,使到达端点的电流波永不回头,继续维持无穷长行波天线的工作方式,只是总长度短了很多。这样的行波天线的方向性和发射效率虽然比不上理想的无穷长行波天线,但是还是可以在一定程度上保持宽频带、高增益的特点。它的变种,例如菱形天线,曾经成为很多远程短波通信电台广泛采用。美国著名的业余电台W6AM也曾经拥有令人称羡的巨大的菱形天线场。
但是,行波天线只有做得很长才能取得较好效果,而业余无线电爱好者往往不具备足够的空间来架设行波天线,因而更多地采用驻波天线。

驻波天线

前面我们说到用等幅高频率交流电源驱动一对无穷长的均匀平行长线上的情况,由于导线无穷长,电源所激起的电流波(实际上还有电压波)会顺着导线向远处流动,永不回头。但是如果平行线的长度是有限的,那么末端边界就会破坏电流波和电压波的原来状态,例如如果开路末端的导线中电流永远是零,短路末端导线间的电压永远是零。这种边界状态会顺着长线反向影响到其他部分,扰乱原来的行波状态。这种扰乱也可以看作是从电源传输过来的能量因为不能继续传输下去、又没有可以刚好消耗完的地方,只能被反射回去。

如果我们把有限长度平行长线的两条导线向两边张开,就成为偶极天线。当偶极天线两臂的总长度等于半波长的整倍数时,天线达到谐振,这时电流电压在天线上正反向传播的分量在各处的叠加刚好形成一种特殊状态,即天线各点电压和电流的时间相位正好和电源电压及其供出的电流相同,只是各点的电压电流幅度不同,两端的电压最高、电流总是为零,中间的电流最大、电压总是为零。

馈线或天线中各点电压电流同相位、每一点都有各自固定幅度的这种状态看起来好像是电压波、电流波不再沿导线移动,因此称为“驻波”状态。这样的天线就是“驻波天线”。驻波天线中,各段电流所产生的电磁场相位一致,在垂直于天线的远方互相叠加,在较短长度下取得较好的辐射效果。

驻波天线的任何一点都是纯电阻性质的馈电点,只是不同位置的纯电阻阻抗值不同。如果馈电点选择合适,送到天线的能量将全部被辐射出去,从馈电点流进去的只有行波。

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