波长缩短效应,天线缩短系数:天线末端效应、相位常数

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发布时间 2016-03-12

下面这些关于天线的知识对于电子爱好者来说实在是有些深奥,而本篇只想说明一点:制作天线时要考虑一个缩短系数的问题。

波长缩短系数

对称振子导线半径a越大,L1越小,相移常数和自由空间的波数 k=2π/λ 相差就越大。对称振子上的相移常数β大于自由空间的波数k,亦即对称振子上的波长短于自由空间波长。这是一种波长缩短现象,令n1=β/k,称n1为波长缩短系数

波长缩短现象的主要原因有:
① 对称振子辐射引起振子电流衰减,使振子电流相速减小,相移常数β大于自由空间的波数k,致使波长缩短;
② 由于振子导体有一定直径,末端分布电容增大(称为末端效应),末端电流实际不为零,这等效于振子长度增加,因而造成波长缩短。振子导体越粗,末端效应越显著,波长缩短越严重。

上面提到两个概念:相移常数末端效应,下面解释一下。

什么是相位常数(相移常数)

相位常数又叫相移常数,是电磁波传播时,传播常数的虚数部分(衰减常数是传播系数的实数部分),是描述传输线上传播的电磁波在传播中相位变化的物理量,表示电磁波沿单位长度均匀线路传输时的相移值,公式为 β=2π/λ,其中λ为波长。

由于天线上每一点都产生辐射,即电流波在天线上一边传输一边辐射,使得电流有衰减,电流传播的相速减小,波长缩短,相位常数大于自由空间相位常数。

天线振子有一定直径,末端分布电容增大,末端电流实际不为零,振子愈粗,末端效应愈显著,这也将影响相位常数。

传播常数γ=α+iβ在频域内是个复变量,其实部α为衰减常数,表示电磁波沿传输线每单位长度的幅值变化,而虚部β称为相位常数,代表电磁波沿传输线每单位长度的相位变化。传播常数表示电磁波在同一均匀导电介质中相位变化和振幅衰减。

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根据以上的介绍可知:天线振子要比理论值短一些是因为相位常数和末端效应的关系。

天线的实际缩短长度(天线缩短系数)

制作天线时,天线振子长度相对于理论计算值缩短的百分比称为缩短系数,一般缩短5%左右,振子越粗,缩短越多。通常的粗略估算方法是:若天线振子直径10毫米,缩短4.5%;天线振子直径15毫米,缩短5%;天线振子直径20毫米,缩短5.5%。

在VHF频段可以由下述方法确定天线缩短系数:

天线振子直径÷波长,得到一个小数值,对应的缩短系数如下:
0.001 缩短 3.7%;
0.002 缩短 4.5%;
0.003 缩短 5.0%;
0.004 缩短 5.3%;
0.005 缩短 5.7%;
0.006 缩短 5.9%;
0.007 缩短 6.0%。

例如用15毫米直径铜管制作5频道电视天线,中心波长341厘米,0.015÷3.41≈0.0044,参照以上数据其缩短系数约为5.5%。

更为精确的天线缩短长度计算公式如下:

缩短系数=0.1295/log(λ/(2d))

其中d为天线振子直径。

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