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短波通信天线的主要电参数释义

浏览:11639  来源:通信人在线  日期:2020-12-29

短波通信天线作为高频电流与高频电磁波之间的能量转换装置,其主要性能可由它的电参数来衡量。短波天线的电参数主要有方向性(包括方向图和方向系数)、效率、增益系数、有效长度、输入阻抗、极化特性和频带宽度等。

下面以短波发射天线为例给予说明。根据互易原理,短波接收天线的性能参数与其作为发射天线时相同。

1、方向图

天线的方向性表示天线辐射的相对值与空间方向的关系。反映天线辐射方向性的函数称为方向函数,例如基本振子的方向函数是fθφ)=sin θθ为偏离其轴线方向的角度。将方向函数用曲线描绘而得到的立体图形称为方向图,但是为了方便起见,通常采用通过天线最大辐射方向的两个相互垂直的平面的方向图。比如采用与电场矢量和磁场矢量相平行的两个平面,就可相应地得到E面方向图和H面方向图。

对于在地面上架设的短波线状天线,则一般采用电场强度E随方位角变化的水平平面方向图和E随射线仰角变化的垂直平面方向图。如果令空间方向图的最大值等于1,则得到所谓归一化方向图,相应的方向函数称为归一化方向函数,用¯fθφ)表示,其模值详见表1中的1式。

1:短波通信天线各电参数计算公式

利用极坐标表示的方向图一般呈花瓣状,故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大值两侧,功率密度相对于最大值减半的两个方向之间的夹角称为主瓣宽度,通常以3dB3dB表示。主瓣宽度愈小,天线辐射的能量愈集中,天线的方向性也愈强。

有时,还用到旁瓣电平和前后辐射比的概念。前者是旁瓣最大值与主瓣最大值之比,后者为主瓣最大值与后瓣最大值之比。它们都在某种意义上反映了天线方向性的好坏。

2、方向系数

尽管方向图形象地表示出了天线的方向特性,但是在定量分析天线的方向性时,还需要引入一个指标--方向系数,用符号D表示。它定义为:天线在最大辐射方向上的功率流密度S max(或电场强度的平方E2max)与总辐射功率相同的无方向性天线在同一距离处的功率流密度S0(或E20)的比值,其公式详见表1中的2式。式中Pr为天线的辐射功率;Pr 0为无方向性天线的辐射功率。由式2可推导出方向系数的一般计算式为,如表1中的3式。

对于电基本振子,fθφ)=¯fθφ= sin θD=1.5。实际使用的天线,其方向系数D的数值为几到几千甚至几万。

天线的方向系数的物理意义是:在辐射功率和空间距离都相同的条件下,方向系数为D的天线所产生的电场强度是无方向性天线所产生电场强度的D1/2倍,即表1中的4式。

4式可以看出,与无方向性天线相比,采用有方向性天线时,相当于将其辐射功率提高到D倍,故又将(PrD)称为天线的等效辐射功率。

3、效率

天线的辐射功率Pr与其输入功率PT之比称为天线的效率,ηA,其表达式为表1中的5式。

此处的功率均为实功率。发射天线的功率损耗Pd包括天线系统中的热损耗、介质损耗和感应损耗等。按辐射功率和辐射电阻的关系,也可将损耗功率和损耗电阻用表16式表示。式中IAm为天线电流振幅;Rd为归于IAm的损耗电阻。

5式可得表1中的7式,式中Rr为天线的辐射电阻。可见,为了提高天线效率,应尽可能提高辐射电阻和减少损耗电阻。

4、增益系数

方向系数说明了天线辐射能量的集中程度,方向系数的增大相当于辐射功率的提高。天线效率则表示天线在能量变换上的效能。天线增益是将这两者联系起来,表示天线总的收益程度。天线增益定义为方向系数与天线效率的乘积,即表1中的8式。

由表1 4式可得到最大电场强度E max,如表1中的9式,式中r 为通信距离。9式说明,天线的增益系数表征它在最大辐射方向上比起理想无方向性天线来说所获得的输入功率增大的倍数。

5、有效长度

短波通信天线一般采用线状天线,天线的有效长度用于衡量天线的辐射能力,它是一假想的天线长度。此假想天线的电流分布为均匀分布,电流大小等于该实际天线的波腹电流(或馈电点电流),而且在最大辐射方向上产生的场强等于该实际天线在最大辐射方向的场强。当天线为直立天线时,有效长度又称为等效高度,用h e 表示。

6、输入阻抗

天线馈电点的高频电压与高频电流的有效值相量之比称为输入阻抗,即表1中的10式。式中,RinXin分别为天线的输入电阻和输入电抗。事实上,天线的辐射功率是一复功率,有用辐射功率加上天线导体的热损耗、介质损耗等构成实功功率。若将此功率被一个电阻所吸收,并且通过这个电阻的电流就是馈电点电流,则这个电阻就是输入电阻。辐射功率的无功分量并不辐射出去,只是储存在天线近区中与源交换。它决定输入阻抗的虚部。为了使天线从馈电处得到最大功率,必须使天线与馈线之间良好匹配,即使天线输入阻抗等于馈线的特性阻抗。

7、极化特性

天线极化的定义是:在最大辐射方向上电场矢量的取向。可分为线极化、圆极化和椭圆极化。短波通信天线常用线状天线,其极化方式为线极化,实用中还分为水平极化和垂直极化。天线可能在非预定的极化上辐射不需要的能量,这种不需要的辐射称为交叉极化或寄生极化。对线极化来说,交叉极化方向与预定的极化方向相垂直。由于不同的极化波具有不同的传播特性,通常要根据设备的性质和任务对电波的极化特性提出要求。

8、频带宽度

上述各电参数实际上都与频率有关,它们都是在一定工作频率上设计的。由于天线在应用中存在一定的工作频率范围,工作频率偏离设计频率(通常是工作频带的中心频率)时往往要引起天线各个电参数的变化,如波瓣宽度的增大、旁瓣电平的提高、方向系数的降低、输入阻抗的改变和极化特性的改变等。在实际应用中,要根据采用此天线的无线电技术设备的要求,规定天线电参数的容许变动范围。当工作频率变化时,天线的各种电参数不超过规定的容许变动范围,这时所对应的频率范围称为天线的频带宽度。随着短波通信新技术的发展,特别是扩频技术在短波通信中的应用,研究和开发高增益、宽频带的短波天线已成为影响短波通信发展的一个重要因素之一。

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附录
本文的附表2018-01-24
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