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抛物天线的业余制作要点

作者:广东电子网 日期:2003-11-15 人气:34 添加:5BCL.com 
半波对称振子与馈线的匹配        回主页
    一般的接收设备(如电视机)其输入特性阻抗为75Ω(不平衡式)或300Ω平衡式,半波对称振子的输出是:阻抗为75Ω平衡式,如与300Ω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λ/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,这一特性的数学表达式 Zin=Z0*Z0/ZL,式中Z0是传输线(匹配电缆)的特性阻抗,Zin为天线的输出阻抗,ZL为负载(接收设备的输入阻抗)阻抗,半波对称振子与300Ω平行电缆的配接计算如下:先按上式计算出所需电缆的特性阻抗,也即要实现半波对称振子与300Ω平行电缆的配接它们之间必须要插入一条λ/4长,特性阻抗为150Ω的平行电缆,为此,我们利用两条λ/4长的300Ω平行电缆并联即可,接法如图x。
思维稿 

半波折合振子txjs2.gif (872 字节)
   txjs1.gif (810 字节)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λ/4的短路线相串联,对于谐振频率波长L=λ/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>λ/4,偶极天线近似长于λ/4的短路线,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<λ/4,偶极天线近似于λ/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I1=I2)所以其辐射电流为I=I1+I2=2I1,其辐射功率为P=I*I*Rr=(2I1)*(2I1)*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)由于在馈电端输入的电流实际上为I, 所I=I1,所以Rin=4Rr=4×73.1=300Ω这里我们得到了折合振子输入阻抗是300Ω.是对称半波振子输入阻抗的4倍。为了解决与75Ω同轴电缆与天线振子的联接,采用长度为λ/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π(180度),U形环的外导体组成了λ/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75Ω的同轴线馈电,则在馈电点的阻抗为75Ω×4=300Ω,与折合折子能达到较好的匹配.
思维稿

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,前方和后方具有相同的接收能力,所以它们只适用于信号强,干扰小的地方,当接收点离电视台较远,信号较弱或信号较强但干扰较大反射波影响较严重时,就要采用多元高增益定向天线了,这就是多元振子天线,又叫八木天线,在有源 振子的后面加上反射器,前面加上引向器,就构成多元振子天线,引向振子,反射振子与有源振子加起来的数目就是天线的单元数.
    多元振子天线的后方波瓣消失,前方灵敏度大大提高,原理如下:
1.反射器对前方P点和后方Q点来的信号的作用
    右图中的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λ/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I1.电磁波再经过λ/4的途经才到达反射器,并使之产生感应电势e2和感应电流I2.由于反射器与有源振子在空上相差λ/4的路程,所以e2比e1落后90°,而I2又由于反射器呈现感性而比e2落后90°,故I2比e1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e1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e1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e1是同相的,天线输出电压是等于e1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出的作用.
2.引向器的作用
    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λ/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
  pwtx2.gif (2068 字节)  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,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绘制出模。
抛物线天线的口径可用下式计算:
pwtx1.gif (1160 字节)

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100度左右。思维稿

十字型发射天线的配接fstx1.gif (1450 字节)
    fstx2.gif (2799 字节)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子的输入租抗为平衡式300欧,而发射设备的输出阻抗常为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λ(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λ+λ/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,由于发射设备的输出阻抗为50欧,所以还必须进行阻抗变换,我们利用gs5.gif (182 字节) 这个公式进行计算,式中Z0为所需的λ/4长度的匹配电缆特性阻抗,Z1为节点1的阻抗,Z2为发射设备的输出阻抗(节点2)。计算得gs6.gif (278 字节) 为此我们可以用一条长度为λ/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λ/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,fstx3.gif (1284 字节)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π/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π/2的相位差只需将某一方向上(如南北向)的分馈线增加λ/4就可以了,这就是为何南北向和东西向分馈线相差λ/4的原因。
思维稿

zbb.gif (2822 字节)

 

 


天线驻波比的测量方法
    在天线系统中,天线与设备配接是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,此时由于扫频仪输出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,先求出反射系数P=b/a,然后可用式S=1+P/1-P求出驻波比,式中的S表示驻波比。
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电缆的电长度
   dldcd.gif (718 字节) 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λ,截取一根物理长度为λ/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λ/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。
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dxohq.gif (2337 字节)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、R1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两端的输出电压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输出极小极小(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,输出电压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出机器发向天线的实际功率。
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