半波对称振子与馈线的匹配

1、图半波对称振子与馈线的匹配.一般的接收设备（如电视机）其输入特性阻抗二 为75 Q （不平衡式）或300 Q平衡式，半波对称振子 的输岀是：阻抗为75 Q平衡式，如与300 Q平衡电 缆连接则只需考虑阻抗匹配就可以了，我们可利用传输线上距终端入/4奇数倍处的等效阻抗等于传输线特性阻抗的平方除以终端负载这一特殊性质来进行阻抗匹配，这一特性的数 乙n=Z0*Z0/ZL,式中 Z0 是 的特性阻抗,Zin为天线 负载（接收设备的输入阻 称振子与300 Q平行电缆 先按上式计算出所需电缆学表达式传输线（匹配电缆 的输岀阻抗，ZL 抗）阻抗,半波对的配接计算如下：图jk的特性阻抗： -，_也即要实现半波

2、对称振子与300 Q平行电缆的配接它们之间必须要插入一条入/4长,特性阻抗为150 Q的平行电缆，为此，我们利用两条入/4长的300 Q平行电缆并联即可，接法如图x。思维稿半波折合振子折合振子天线在实际使用中，馈电振子一般都是采用折合振子的形式，其主要目的是增加天线的带宽，折合振子的结构形成如图jk所示,这种天线的频带特性可以这样来证明 ：折合振子作为一偶极天线来说，可看作是两个入/4的短路线相串联，对于谐振频率波长 L=入/4，偶极天线与短路线都没有电抗成分，当加到折合振子上高频电流的频率在一定范围变化时，出现以下2种情况：当频率高于谐振频率时，相当于L入/4,偶极天线近似长于入/4的短路线

3、，其电抗是感性，而此时短路线的电抗是容性，当频率低于谐振频率时，相当于L入/4,偶极天线近似于 入/4的开路线，其 电抗是容性，而此时短线上的电抗又是感性；故当工作频率了生偏移时，在一定频率范围内，折合振子上呈现的感抗与容抗可以互相补偿，使天线在较宽的频率范围内其阻抗特性的变化不大，这就是折合振子具有较宽频带的原理。由于折合振子两平行导体具有相位相同，大小相等的电流（即11=12）所以其辐射电流为1=11+12=211,其辐射功率为P=l*l*Rr=（2l1）*（211 ） *Rr（Rr为半波振子的输入阻抗）在折合振子的馈电端的输入功率P =4*I1*I1*Rr= （Rin是折合振子的输入阻抗

4、）由于在馈电端输入的电流实际上为I,所1=11,所以Rin=4Rr=4X 73.1=300 Q这里我们得到了折合振子输入阻抗是300 Q .是对称半波振子输入阻抗的4倍。为了解决与75 Q同轴电缆与天线振子的联接 ，采用长度为 入/2的同轴线做成的相位，阻抗变换装置，即常叫的U形环，可以解决以上两个问题.U形环的结构图 jk2如下所示.从图可知，馈电时B点电流经过U形环后，与A点的电流相位差为 n （180度）,U形环的外导 体组成了入/4的短路线，使得在A,B点上的阻抗为无穷大，因而外导体上的电流就不会由内表壁 流向外表壁到地了 ，并且U形环还起到了阻抗变换的作用，如果在同轴线芯线上的输入电

5、流为I1,输入电压为V1,则天线两振子上的输入电流分别为I1,而同轴线外导体是接地的，所以A,B两点各自对地的电压都是 V1,且A,B两点电压为反相，故此A,B两点间的电压为 VA+VB=2V1,在馈电点呈 现的阻抗为:R=4V1/I1即采用U形环后，使馈线与天线接触点的阻抗提高了四倍，若采用特性阻抗为75 Q的同轴线馈电，则在馈电点的阻抗为 75 Q X 4=300 Q ,与折合折子能达到较好的匹配.思维稿多元高增益定 在有源振子 元振子天线， 是天线的单元多元振子理如下：右图中的gll-2D过小的宿呪Ell-3u过大的悟况多元折合振子天线半波振子天线和折合振子天线的增益低，波瓣宽，前方和后

6、方具有相同的接收能力，所以它号强,干扰小的地方，当接收点离电视台较远，信 较强但干扰较大反射波影响较严重时，就要采用向天线了，这就是多元振子天线，又叫八木天线， 的后面加上反射器，前面加上引向器，就构成多 引向振子，反射振子与有源振子加起来的数目就 数.天线的后方波瓣消失，前方灵敏度大大提高，原 1.反射器对前方P点和后方Q点来的信号的作用 有源振子工作在谐振状态，其阻抗为纯电阻，反射器则用长度比有振子长5%-15%,而呈现感性.设反射器与有源振子相距入/4,从天线前方的P点来的电磁波先到达有源振子，并使之产生感应电势e1,感应电流11.电磁波再经过 入/4的途经才到达反射器，并使之产生感应电

7、势e2和感应电流12.由于反射器与有源振子在空上相差入/4的路程，所以e2比el落后90 ,而I2又由于反射器呈现感性而比e2落后90 ,故I2比el落后180。，反射器电流I2产生的辐射场到达有源振子形成的磁场H2又比I2落后90 ,即H2比el落后270 .根据电磁感应定律,H2在有源振子里产生的感应电势e1-2比H2落后90 ,结果e1-2比el落后360。，也就是说反射器在有源振子所产生的感应电势e1-2和原振子的感应电势el是同相的，天线输岀电压是等于el与e1-2之和，可见反射器使天线接收前主信号的灵敏度提高了，根据类似的推导可知：反射器对后方 Q点来的信号有抵消输岀的作用.2.引

8、向器的作用引向器比有源振子短 5%-10%,其阻抗呈电容性，假设引向器与有源振子间的距离也是入/4,用同样的方法可以推导出下述结论：引向器对前方来的信号起着增强天线输出信号作用综上所述，反射器起着消除天线方向图后瓣的作用，反射器和引向器都具增强天线前方灵敏度的作用。思维稿业余制作抛物面天线的要点-抛物面天线的F/D与馈源的辐射方向角Q的关系F/D( F是抛物线的焦点，D是抛物线的口径)与馈源的方向角 Q是从属关系，也就是说只有馈源的方向角确定以后才能确定你所要制作的抛物面天线的直径及焦距。作为一个业余爱好者只知道F/D=0.3-0.5是不够的，如何才能使一条天线与馈源的配套即采用合适的F/D，

9、这个问题很重要，它直接影响天线系统的效率及信噪比等。图1-1所示Q是馈源所固有的，馈源确定了，Q也就确定了。制作天线首先要决定馈源，只有馈源的方向角为已知，才能按不同的F/D制作不同直径的天 线，而不应制作好了天线以后才制作馈源，因为这样一来很难达到理想的效果，必定产生如图 1-2或图1-3的情况。图1-2的情况会使地面反射的杂波进入馈源，而且天线边缘的微波和绕射 波也会进入馈源，使得天线接收系统的信噪比减小。图1-3的情况则会使天线的利用率降低造成人为的浪费而且信号的旁瓣也同时进入了馈源。F/D与Q的关系是：F/D=1/4*Ctg Q/2 。所以先有馈源方向角再根据你所要制作多少直径的天线而

10、后确定F=D* (1/4*Ctg Q/2 )，然后根据抛物线方程：X=Y*Y/4F绘制岀模。馈源的方向角（Q）100度120度160度180度天线的效率（K）70%60%55%50%一般的折合半波振子馈源（带后反射器）和螺旋馈源的方向角是也亠东南i K抛物线天线的口径可用下式计卜为接收信号的波+G为设计的天线增益K芳天线的救率丿100度左右。思维稿国十字型发射天线的配接在一些中小功率的高频发射设备中，通常都采用多层十字型半波折合振子发射天线。这种天线的特点是结构简单架设方便，其缺点是增益较低且带宽相对较窄，在这里以双层十字型天线为例说明一下其配接原理。图1为此种天线的结构图，我们知道一个半波振

11、子的输入租抗为平衡式 300欧，而发射设备的输岀阻抗常为50欧不平衡式，所以首先要将折合振子的300欧平衡变换成75欧不平衡式（变换原理可参考我以前所发表的有关文章），然后将两条长度为入（波长）的75欧同轴电缆（称分馈线）将上下两层东西向的振子和用两条长度为入+入/4的75欧电缆将上下两层中南北向的振子联结成一个节点1 （如图2所示），节点1的阻抗为75/4=18.75欧，由于发射设备的输岀阻抗为50欧，所以还必须进行阻抗变换，我们利用-i -这个公式进行计算，式中Z0为所需的入/4长度的匹配电缆特性阻抗，Z1为节点1的阻抗，Z2为发射设备的输岀阻抗（节点 2）。计算得为此我们可以用一条长度为

12、入/4的50欧电缆和一条同样长度的75欧电缆并联来近似代替。为何东西向和南北向的分馈线要相差入/4呢？这是为了在水平面内使电磁波得到均匀的辐射，如分馈线的长度一样其在水平面内的辐射图如图3，从图中可见其辐射场在西南，东北，东南，西北的方向上是较弱的，如果南北向的振子与东西向的振子在馈电上相差n /2的相位，那末其形成的辐射场是一个旋转磁场，其辐射图如图4所示，从图中可见辐射场在全方位上都比较均匀了。根据传输线的原理要产生n /2的相位差只需将某一方向上（如南北向）的分馈线增加入/4就可以了，这就是为何南北向和东西向分馈线相差入/4的原因。思维稿天线驻波比的测量方法在天线系统中，天线与设备配接是

13、否 良好我们常常用一个称为驻波比的参数 对其衡量，当驻波比为 1的时，表示此天 线系统匹配良好没有反射，如此数越大则 意味着匹配状况越差，系统中存在越大的反射波。那末如何F测量天线的驻波比呢？在这里我向大家介绍一种较为简易的 办法。要测量驻波比需要一台扫频仪，接法如图2-1，先将馈线的终端（近天线系统一端）短路，此时由于扫频仪输岀的信 号在馈线的终端形成全反射，观察其全反射波形如图2-2曲线的最大幅度为 a，然后将天线接入馈线的终端，此时扫频仪上在工作频率范围内观察到的最大幅度为b如图2-3，先求岀反射系数P=b/a，然后可用式S=1+P/1-P求岀驻波比，式中的 S表示驻波比。 思维稿电缆的

14、电长度在传输线中常用一个称为电长度的参数（单位：MHZ来衡量电缆的电气性能。工厂生产电缆时，因为制造工艺的关 系，使得每一批的电缆的电气指标都存在着差别，比如同是一段物理长度一样的两条电缆，对同一个高频信号来说它反映的电性能就不一样，因此就引入了一个电长度的概念。它反映了在一段单位物理长度内， 电缆对某一频率信号所表现出来的特性。在制作发射天线的馈电系统中，此项参数尤为重要。例如在我发表的“双层十字型发射天线的配接”一文中的各分馈电缆，在物理长度一样但电长度不一样的情况下， 分馈线的实际阻抗就会产生偏移且会引起附加相移，使得整个 天线系统难以做到很好的配接。那么如何去检测一段电缆的电长度呢？具

15、体方法是这样的，例如发射天线工作的中心频率为F,其对应的波长为 入，截取一根物理长度为入/2的电缆将它的终端短路，使它对信号形成全反射，用扫频仪进行测试， 调节扫频仪输出的中心频率使扫频仪屏幕上产生一个下陷的波形（如 图L所示），这个下陷波就是电缆的反射波形。从长线理论中我们知道，终端短路的传输线对于某一频率信号来说，离终端入/2处，它的反射波电流幅值最大，所以此时图中的A点（即波峰处所对应的频率）就是这根电缆的电长度。如A点处的频标所指示的频率等于F，就说明此电缆的电气性能达标，如不等 F,则说明电缆的电气性能存在着差异，如用此电缆作天线系统的分馈 线时，就必须要对其（物理长度）进行修正。对

16、于特性相同的电缆来说，当它的物理长度相同时，它们的电长度也相同；当它的特性不等时，电缆的物理长度相同而它们的电长度不相同，所以我们可以用电长度这个指标来衡量电缆性能的一致性。 思维稿定向耦合器在很多高频发射设备中，常在末级功放至发射天线的通路中插入一个定向耦合器来测量发射 设备的发射功率或测量天线的反射功率，下面我介绍一下这种定向耦合器的工作原理。如图X是定向耦合器的原理图，其中A、B是主馈电缆的内导体，在接近内导体里放入一个线圈L3，其中C是L3和内导体之间的分布电容。当有射频信号送入时，A、B有电流I流过，其中E是内外导体间的射频电压，由于分布电容C的存在，那么内导体中就有一电流通过C、R

17、1流到外导体，这个电流在R1上将产生一个互感电压EL3,很明显，a-b两端的输岀电压 E=ER1+EL3,在制造中我们适当地选择L3和R1并在调试中改变 C和互感系数 M,使得在一个方向上输出电压E为最大值（即使得 ER1和EL3在相位上是相加的），而在另一个方向上E输岀极小极小（即使得ER1和EL3在相位上是相减的），这样我们就实现了定向耦合的作用，输岀电压E通过BG1检波后送至指示系统，这样我们就可以在指示系统上读岀机器发向天线的实际功率。思维稿环行專结构国钛审Ji鐵蓝財料虹线.代松、幫蚣号中导休环行器环行器又叫隔离器的突出特点是 单向传输高频信号能量。它控制电磁波 沿某一环行方向传输。这

18、种单向传输高 频信号能量的特性，多用于高频功率放 大器的输出端与负载之间，起到各自独 立,互相“隔离”的作用。负载阻抗在 变化甚至开路或短路的情况下都不影 响功放的工作状态，从而保护了功率放 大器。环行器单向传输的原理，是由于采 用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加 高频波场与恒定直流磁场共同作用下， 产生旋磁特性（又称张量磁导率特性） 正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播 的电磁波发生极化的旋转（法拉第效 应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁 共振），正是利用这个旋磁现象，制做 出结型隔离器、环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。左图是环行器的结构图，它采用结型带线结构，双

19、丫形中心导体置于两片旋磁铁氧体样品之间，组成样品结，在样品结周围各置三片磁石，使整个样品结产生一均匀恒定的磁场。隔离器、环行器端口由带线转为同轴线，通过正确的设计，可使样品结与同轴线有良好的匹配，满足隔离器、环行器各种性能的要求，当在负载失配的情况下，反射能量将沿着蓝线所标的方向流到外接的吸收电阻上，能量被电阻所吸天线尺寸的缩短在很多时候，为了减少天线的占用空间，我们常常需要将天线的尺寸减少。 那么怎样在天线尺寸减少的情况下，天线仍然能准确地产生谐振呢？这是我们下 面讨论的问题。一根短于1/4波长倍数的天线是呈容性的。这是由于它不产生谐振而且其电 流和电压的合成相位关系与电容性电路的相位关系很

20、相似的缘故。那么，我们可在天线上加一个电感来使天线产生谐振。 图1是一个偶极子天线，天线的两臂小 于1/4波长，这时我们可在两臂上分别接入一个电感使天线产生谐振。 这两个电 感装在离天线的接线端约几公分位置比装在臂的两端效果更好， 电感的大少可通 过实验的方法获得。例如，我们可通过测试天线的驻波比来获得合适的加装电感垂直与水平*目结合结构的攘状天线中部加载_1S3_t _ _L底部加载顶部加载图2量的大少。其效果和一条四分之一波长的天将一条长度为半波长的导线绕成螺旋形式, 线相差无几，这种设计称为螺旋天线。由于这种天线很少能找到与之匹配的传输 电缆，所以这种天线多用在不需要传输电缆的设备中，

21、如手提电话、手持式无线 对讲机等。通常我们称1/4波长的天线为鞭状天线。这种天线也是一些小型的无线收发 设备用得最多的一种天线。在实际应用中由于受到体积的限制， 往往天线的长度 总是做成小于1/4波长的，所以要在天线上加电感，电感的加载方式有三种：1、 底部加载，2、中部加载，3、顶部加载，如图2所示。每一种加载方式都有其优 点和缺点，从机械的角度看，底部加载最为理想，但是这种加载方式的辐射电阻 很低而且由于大多数能量是从加载线圈辐射出来，因此效率比较低。中部加载的辐射电阻会增加，但在这种情况下要产生谐振就得有更大的电感，加载的位置越向上，所需的电感就越大。顶部加载的天线较少见，这是因为沉重的

22、电感线圈会 使整个结构变得笨重，天线的机械强度难以得到保证。从各个因素来考虑，中部 加载的天线是最好的。垂直架设的鞭状天线只能接收垂直极化波，但有时我们可把1/4播长天线制 成垂直和水平相结合的组合结构天线。即既可接收垂直极化波又可以接收水平极 化波，在这种情况下，我们可将垂直部分的长度做成大于 1/4波长，使天线呈电 感性，然后在天线的顶部用一个十字形导线与垂直部分形成一个电容而使天线发 生谐振，这种天线的结构如图3所示。思维稿卫星天线焦距的调整调整卫星天线焦距的参数主要有方位角、仰角、极化角这三个参数，其中方位角和仰角可通过接收所在地的经纬度来计算出来。极化角则是根据接收星的信号极化方式来

23、进行设置，所以这三个参数都比较容易地调整到最佳状态。这里 还有一个人们容易忽略的参数， 就是天线的焦距，一般来说，如果天线是名厂生产的，那么只要根据安装说明正确安装， 天线的焦距就基本正确了。但如果是- 些杂牌天线就很难说了，特别是小口径的天线，如何使馈源口准确地调到天线理 论设计的焦点位置是关键所在。有以下三种情况致使馈源口偏离焦点位置： 1、馈源盘的支撑杆几何尺寸不一致，长短不一，固定孔达偏2、安装过程天线各瓣的紧固螺钉松 紧不同，使天线变形而成非标准抛物 面天线。3、杂牌天线由于设计和加工问题而 使其焦距偏离。例如，1.5米前馈型抛物天线， 它的F/D （焦距直径比）通常为0.4 左右，由此换算出，这种天线的焦距的设计值为0.6M左右。在安装调试天线时, 可用卷尺量一下焦距，看是否在 0.6米左右。采取如下方法可以快速准确调准焦距。天线在大部分螺钉上紧之后，紧固馈 源盘的三个螺钉暂时别上死，让其有一定的转动余地。调试焦距时将馈源盘向右 旋转或向左旋转都会使焦距变小， 如图所示。因支撑杆长度是固定不变的，馈源盘的旋转均能保证馈源口始终在锅的几何中心轴