偶极天线:它是什么?(以及它们是如何设计的)亚博ag安全有保障

内容

什么是偶极天线?

一个偶极天线（也称为a紧身上衣或偶极子天线)的定义是一种射频天线，由两个导电元件(如棒或线)组成。偶极子是一种天线，能产生近似于基本电偶极子的辐射图样。偶极子天线是最简单、应用最广泛的天线类型。

“偶极”的意思是“两个极点”，因此偶极天线由两个相同的导电元件组成，如杆或金属线。金属线的长度大约是最大波长的一半(即， $= \压裂{\λ}{2}$ )在自由空间的操作频率。

该电线或杆在中心分开，两部分由一个分开绝缘子，这些部分被称为天线部分。这两个天线部分连接到一个馈线或同轴电缆在最靠近天线中心的末端。注意，波长是两个连续最大值或最小点之间的距离。具有中心馈电点的基本偶极子天线如下图所示。

射频(RF)电压源应用于偶极子天线两个部分之间的中心。这电压和一个当前的通过两个传导元件产生无线电信号或电磁波，并从天线向外辐射。在偶极子天线的中心处，电流最大，电压最小。相反，在偶极子天线的两端，电流最小，电压最大。

基本偶极子天线的辐射模式如下图所示。它垂直于天线的轴线。注意，辐射图案是天线的辐射特性的图形表示，作为空间的函数，即，天线的辐射图案描述了天线如何向空间辐射能量。

偶极子天线就是其中的一种传感器它把电信号转换成射频电磁波，并在发射端辐射，在接收端又把射频电磁波转换成电信号。

偶极子天线设计

我们可以设计许多偶极天线，将在高频，甚高频和超高频波段上工作频率光谱。让我们设计一个1 MHZ的偶极子天线。

偶极天线的长度

如我们所知，无线电波或任何其他波的波长变化与频率成反比。它由：

$\ begin {align *} \ lambda \ propto \ frac {1} {f} \ neg {align *}$

(1) $\begin{equation*} \lambda = \frac{c}{f} \end{equation*}$

其中，C =光速= $3 * 10 ^ 8 \ \, m / s$

f =频率，单位是赫兹

$\λ$ 波长，单位为米

从而，

$\ begin {align *} \ begin {split} \ lambda = \ frac {3 * 10 ^ 8} {f（hz）} = \ frac {30000000000} {f（hz）} = \ frac {300000} {f（khz）} \结束{split} \结束{align *}$

(2) $\begin{equation*} \lambda = \frac{300}{f(MHz)} \，\， meters \end{equation*}$

现在，在半波长处，天线的长度为，

$\开始{对齐*}\开始{分裂}\压裂{\λ}{2}= \压裂{300}{2 * f (MHz)} = \压裂{150}{f (MHz)} \ \,米\ \ \压裂{\λ}{2}= \压裂{150 * 3.28}{f (MHz)} = \压裂{492}{f (MHz)} \ \、脚\{分裂}\{对齐*}结束结束$

(3) $\ begin {arearation *} \ frac {\ lambda} {2} = \ frac {150 * 39.37} {f（mHz）} = \ frac {5905} {f（mHz）} \，\，英寸\结束{方程式*}$

因此，从公式(3)中我们可以说，如果我们使用1兆赫兹无线电发射机，那么天线线的基本长度将是150米或492英尺或5905英寸。

如果我们忽略“终结效应”，这是正确的。这种“末端效应”是天线末端空气的介电效应，它增加了天线的有效长度。由于端部效应，天线线比实际长度长5%。这将在激励电流和振荡电流之间产生干扰，并且由于振荡幅度可能被削弱。

因此，为了平衡“端部效应”并使天线正常工作，有必要将天线线切割约5%，并使其物理长度约为波长一半的95%。

因此，要得到实际 $\压裂{\λ}{2}$ 天线线的长度，该值乘以因子K到天线线的基本长度，即

${对齐*}\ \开始开始{分裂}\压裂{\λ}{2}= \压裂{492 * K} {f (MHz)} = \压裂{492 * 0.95}{f (MHz)} \{分裂}\{对齐*}结束结束$

（4） $\begin{equation*} \lambda = \frac{468}{f(MHz)} \，\， feet \end{equation*}$

K的值取决于导体的厚度和工作频率。这个K值对于频率高达30兆赫兹的天线线是精确的。

馈电阻抗或辐射电阻的选择

提要阻抗一个偶极子的比率是由馈电点的电压和电流的比率来定义的。它通常在电压最小点和电流最大点馈电。

确保最大转移能源从进料器或源/负载，偶极天线的进给阻抗应与源或负载的进孔相同。通过将馈电阻抗与源或负载阻抗匹配，天线可以运行到其最大效率。

辐射电阻或自由空间中理想偶极子天线的输入馈电阻抗可以近似地用a73Ω阻抗，在实际情况下它从60ω到70ω变化。天线阻抗可以通过改变导线的长度或形状来改变。

许多类型的同轴电缆具有75Ω的特性阻抗，偶极天线可以用75Ω两根线的同轴电缆供给，这是半波偶极天线的良好匹配。而且，半波偶极子可以用抗冲击率300Ω的传输线，以及根据功率处理能力的折叠偶极送到600Ω开路线路。

采用平衡馈线或巴伦

偶极子天线是平衡天线。因此，有必要使用平衡馈线。平衡馈线由两根平行导线组成。两河的水流导体大小相等，方向相反。因此，它们的辐射场抵消了权力消散。导体之间的间距通常保持约0.01波长。如果需要使用同轴进料器，则必须使用平衡的Baluan。

同轴电缆

最常见的馈线被用来馈送天线是同轴电缆或同轴电缆。它通常被称为射频电缆。

同轴电缆在两个导体中都携带电流。这些电流大小相等，但方向相反。正因如此，所有的辐射场都在内部相连电缆因此它们相互抵消了。因此，电缆外没有辐射场，因此不受附近任何物体的影响。因此，它最适合作为偶极子天线的馈线。

耐张绝缘子

一个耐张绝缘子是一个电绝缘体它被设计成能够承受悬挂着的电缆或电线的拉力。它被插入两段导线之间，使它们在电上相互隔离。用于架空电线，支撑无线电天线和架空电线。

因此，1 MHz偶极子天线的总体设计如下图所示。

偶极子天线的类型

偶极天线最常见的类型是半波偶极天线。偶极子天线的设计有很多种。让我们详细解释偶极子天线的主要类型。

折叠偶极子天线

折叠偶极子天线是双偶极子天线的阵列。如果两个偶极子天线平行连接形成一个细线环，那么它被称为折叠偶极子天线。

顾名思义，偶极子天线的形式是折叠起来的。在折叠偶极子天线，两个半波偶极子-一个连续和另一个在中心分裂折叠并在两端平行连接在一起。分裂的偶极子在中心由一个平衡器提供能量输电线路。因此，两个偶极子在他们的两端有相同的电压和两个相同的电流产生。

折叠偶极子的辐射图案与普通偶极子相同，但折叠偶极子的输入阻抗较高，折叠偶极子的方向性是双向的。

双线折叠偶极子天线

如果两个偶极天线并联连接以形成细线环，则称为双线折叠偶极天线。

如果两个导体的半径相等，则在相同方向上的相同方向上的电流在两个导体中流动。，电流的幅度和相位相等。如果在终端处馈送的总电流是'i'，那么每个偶极子都会有当前的“I / 2”。因此，利用相同的功率施加，在第一偶极子中只有一半的电流流动，因此输入阻抗增加并且变得四次。折叠的偶极天线如下图所示。

折叠偶极子的阻抗计算的通用公式是给出的，

$\begin{align*} Z = n^2 * 73 \end{align*}$

其中，n = no。的 $\压裂{\λ}{2}$ 天线导线

因此，对于半径相等的双线折叠偶极子，输入阻抗或辐射电阻为

${对齐*}\ \开始开始{分裂}Z = R_r = n ^ 2 * 73 \ \ = 2 ^ 2 * 73 \ \ = 4 * 73 \ \ Z = 292 \ \ \ω\{分裂}\{对齐*}结束结束$

因此，两线折叠偶极子可以用传统的300ω裸线传输线馈电，不需要任何匹配装置。

三线折叠偶极子天线(折叠三极子)

如果三个偶极子天线平行连接，形成一个细线环，则称为三线折叠偶极子天线或折叠三极子天线。

如果使用半径相等的三条线折叠偶极天线，那么在这三条导体中流动的电流是相等的。如果在终端馈电的总电流是“I”，那么每个偶极子将有“I/3”电流。

因此，利用相同的功率施加，只有三分之一的总辐射电流在第一偶极子中流动，因此输入阻抗增加并且变为九次。折叠的偶极天线如下图所示。

因此，对于半径相等的三线折叠偶极子，输入阻抗或辐射电阻为

$\开始{对齐*}\{分裂}开始Z = R_r = n ^ 2 * 73 \ \ = 3 ^ 2 * 73 \ \ = 9 * 73 \ \ Z = 657 \ \ \ω\最终{分裂}\{对齐*}结束$

因此，三线折叠偶极子或三极子可以用传统的600ω双线开路传输线馈电，无需任何配套装置。

因此，折叠的偶极天线或三角形天线具有重要的阻抗变换性能。这使得与提供天线的传输线易于匹配。还可以通过保持两个偶极子的半径不等来改变输入阻抗。在这种情况下，较大的电流通过较厚的偶极子流动，因此我们可以保持任何所需的输入阻抗。

折叠偶极子天线的优点

折叠偶极子天线的一些优点包括:

输入阻抗高;因此，它使它很容易与传输线匹配。
它具有宽频带，即宽频带，因此适用于调频和电视广播。
与简单的偶极子天线相比，它具有高增益和高指向性，因此可以用于八木uda天线。

FM偶极天线

调频偶极子天线定义为垂直极化半波半偶极子天线。调频偶极子天线是最常用的天线，因为它适合提供更好的接收甚高频调频广播。FM偶极子天线如下图所示。

FM偶极天线的辐射图案垂直于天线的轴线，即，它是水平的，因为FM偶极天线是垂直偏振的半波偶极天线。FM偶极天线的辐射图案如下图所示。

FM偶极子天线一般用于FM广播频率范围在88mhz ~ 108mhz之间。

风扇偶极天线

扇形偶极子或多波段导线天线是一个在其中多个偶极子连接到一个共同馈线，他们是分散像一个风扇，因此它被称为扇形偶极子天线。顾名思义，扇子偶极子天线的形式看起来像一个扇子。它也被称为平行偶极子天线。

在扇形偶极子天线中，多频带的每个偶极子从频带中心切下并连接到一个共同的馈线。偶极子应该从我们希望它辐射的地方被切断。当信号被传输时，我们只从辐射的波段接收信号，因为其他的偶极子与辐射元件相比有更高的阻抗。

风扇偶极子天线如图所示。它是四波段扇形偶极子天线。这里我们使用的是80m、40m、20m、10m的多频带偶极子与一条普通馈线平行连接。

当80偶极子辐射意味着当前通过80偶极子,在这种情况下,我们只接收信号从80乐队因为它有一个低阻抗而其他40米,20米,10米乐队相比有更高的阻抗80辐射单元。同样，当40m的偶极子辐射时，我们只接收到40m波段的信号，因为它的阻抗比其他的偶极子低。注意，根据Kirchhoff的现行法律，其他偶极子也在辐射，但效率不高。

半波偶极天线

半波偶极子天线是偶极子天线中应用最广泛的一种。顾名思义，偶极子天线的总长度等于半波长( $\压裂{\λ}{2}$ )按操作频率。它被称为半波长偶极子或简单的偶极子或偶极子。它也被称为赫兹天线。

半波偶极子天线由一个四分之二波长导体组成，馈电点在中心。它是对称的天线，其两端与中心点的电势相等。

半波偶极子天线内的电流分布近似正弦沿着偶极的长度，即自然界的常设波。基本半波偶极天线和电压和电流分布在下面的图中示出。

半波偶极天线的辐射图案如下图所示。它表明最大辐射的方向垂直于导体或天线的轴线。它也垂直于天线电流的方向。

半波偶极子天线的工作频率范围为3khz ~ 300ghz;因此，它主要用于无线电接收器。

短偶极天线

短偶极子天线是所有天线中最简单的一种。短偶极子天线是一种导线长度小于波长一半的天线例如,( $< \压裂{\λ}{2}$ )。

在短偶极天线中，进料阻抗开始增加，并且其响应较小依赖于频率变化。短偶极天线中的电流分布近似三角形。

短偶极子天线之间的长度 $\压裂{\λ}{50}$ 来 $\压裂{\λ}{10}$ 。即， $\frac{\lambda}{50} < l < \frac{\lambda}{10}$ 。短偶极子天线上的电流分布近似为三角形。基本的短偶极子天线及其上的电流分布如下图所示。

短偶极子天线的辐射模式是一个简单的圆。与半波偶极子天线稍有不同。短偶极子天线的辐射模式及其与半波偶极子天线的比较如下图所示。

短偶极子天线和半波偶极子天线的辐射图 — 短偶极子天线与半波偶极子天线的辐射图比较

当全半波偶极子天线太大时，用短偶极子天线代替全半波偶极子天线。

偶极子天线的用途是什么?

偶极天线的一些应用包括：

偶极天线广泛用于无线电和电信。
天线既可以用作发射天线，也可以用作接收天线。发射天线是用来把电信号转换成电磁波并辐射出去的。而接收天线则用来将电磁波转换成电信号。在双向通信中，同一偶极子天线可以同时用于发射和接收。
无线电和电视接收器中使用半波偶极天线。
地面电视接收用的八木天线采用了折叠偶极子天线，采用Z平衡线₀= 300ω，因为折叠偶极天线有高输入阻抗，因此它很容易与传输线的阻抗匹配。
折叠偶极子天线用于宽带操作，如调频和电视(电视)广播。
VHF和UHF天线应用于沿海地区的陆地移动通信、公共安全、公共通信和工业应用。
调频偶极子天线用于调频广播频段88 ~ 108 MHz的调频广播接收天线。
抛物面反射面天线通常用于卫星通信、射电天文学和各种类型的无线电通信链路。