偶极子天线

更新时间:2023-04-26 14:10

偶极子天线(英语:Dipole antenna或doublet)是在无线电通信中,使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成,导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时,电信号从天线中心馈入导体;用作接收天线时,也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成,这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的,并且在理论上能够严格求解。偶极子天线是共振天线,理论分析表明,细长偶极子天线内的电流分布具有驻波的形式,驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因而制作偶极子天线时,会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线,它的总长度近似为工作波长的一半。除了直导线构成的半波天线,有时也会使用其他种类的偶极子天线,如直导线构成全波天线、短天线,以及形状更为复杂的笼形天线、蝙蝠翼天线等。历史上,海因里希·赫兹在验证电磁波存在的实验中使用的天线就是一种偶极子天线。

天线简介

偶极子天线(英语:Dipole antenna或doublet)是在无线电通信中,使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成,导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时,电信号从天线中心馈入导体;用作接收天线时,也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成,这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的,并且在理论上能够严格求解。偶极子天线是共振天线,理论分析表明,细长偶极子天线内的电流分布具有驻波的形式,驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因而制作偶极子天线时,会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线,它的总长度近似为工作波长的一半。除了直导线构成的半波天线,有时也会使用其他种类的偶极子天线,如直导线构成全波天线、短天线,以及形状更为复杂的笼形天线、蝙蝠翼天线等。历史上,海因里希·赫兹在验证电磁波存在的实验中使用的天线就是一种偶极子天线。

理论分析

洛仑兹规范下,任意电流电荷体系在场点r产生的矢势由推迟势公式给出:

其中是推迟时刻。

积分方程法

对于一般的偶极子天线,天线上变化的电流会产生辐射场,辐射场也会影响天线上的电流分布。求解一般的偶极子天线产生的辐射场是一个复杂的边值问题。对于导体构成的直天线,设其内部的电场的切向分量为。这样在天线内部,矢势的切向分量满足方程:

将推迟势公式代入,即可得到天线内部的电流密度满足的积分方程:

如果使用单频交流电馈电,利用分离变量法,可以将方程转化为:

该方程被称为波克灵顿(英语:Pocklington)积分方程。它需要在适当的边界条件(如天线末端)下求解。

如果天线由良导体构成,则只在天线中心的空气隙中明显地不为零,而在导体中近似为零,可以用狄拉克δ函数代替。此时满足一维波动方程,具有驻波形式,满足:

待定系数C由边界条件给出。此为海伦(英语:Hallen)积分方程。利用矩量法可以求得两个方程的数值解。

无线电

无线电,又称无线电波、射频电波、电波,或射频,是指在自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,在电磁波谱上,其波长长于红外线光(IR)。频率范围为300 GHz以下,其对应的波长范围为1毫米以上。就像其他电磁波一样,无线电波以光速前进。经由闪电或天文物体,可以产生自然的无线电波。由人工产生的无线电波,被应用在无线通讯广播雷达通讯卫星导航系统电脑网络等应用上。

无线电发射机,借由交流电,经过振荡器,变成高频率交流电,产生电磁场,而经由电磁场可产生无线电波。无线电波像磁铁,有同性相斥、异性相吸的现象。同类电子会互相排斥,因此当无线电波射出时,会将前方电波往前推,当连续电波一直射出来时,电波就会在空气中传播。

无线电技术是通过无线电波传播信号的技术,其原理在于,导体电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将讯息从电流变化中提取出来,就达到了资讯传递的目的。

麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文《电磁场的动力理论》中阐明了电磁波传播的理论基础。他的这些工作完成于1861年至1865年之间。

海因里希·鲁道夫·赫兹在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性,并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达,通常称为波动方程

1906年圣诞前夜,范信达美国马萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。范信达广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵《圣经》片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目。

天线

天线是一种用来发射或接收无线电波的设备,广泛而言为电磁波电子元件。天线应用于广播电视、点对点无线电通讯、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作,也可以在下运行,甚至在某些频率下工作于土壤岩石之中。

从物理学上讲,天线是一个或多个导体的组合,由它可因施加的时变电压或时变电流而产生辐射的电磁场,或者可以将它放置在电磁场中,由于场的感应而在天线内部产生时变电流并在其终端产生时变电压。

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