弱方向性天线是指方向性系数很小的天线,这种线天线的长度一般小于半个波长。
定义
弱方向性天线是指方向性系数很小的天线。这种线天线的长度一般小于半个波长。例如两臂远小于1/4波长的偶极子天线,在包含偶极子轴线的平面上,它的方向性图呈8字形,如图1(a)所示,方向性系数为1.5,是弱方向性天线。在中点馈电的偶极子天线,当其两臂增长时又称对称天线,如图1(b)所示。
天线的方向性
天线向各个方向辐射或接收电磁波相对强度的特性。对发射天线来说,天线向某一方向辐射电磁波的强度是由天线上各点电流元产生于该方向的电磁场强度相干合成的结果。
如果把天线各个方向辐射电磁波的强度用从原点出发的矢量长短来表示,则将全部矢量终点连在一起所构成的封闭面称为天线的立体方向图,它表示天线向不同方向辐射的强弱。任何通过原点的平面与立体方向图相截的轮廓线称为天线在该平面内的平面方向图。工程上一般采用主平面上的方向图来表示天线的方向性,而主平面一般是指包含最大辐射方向和电场矢量或磁场矢量的平面。
不同天线有不同的方向图。有些天线的方向图呈现许多花瓣形状,一般由一个主瓣和若干个旁瓣(或称副瓣)组成。
用电场或磁场强度来表示辐射强度的方向图称为场强方向图;用功率密度的大小来表示的称为功率方向图。在功率方向图的主瓣中,功率降到主瓣最大值一半的两点所张的夹角称为主瓣的半功率点宽度(简称主瓣宽度),用它可以表示天线集中辐射的程度。主瓣宽度越小,表示天线的辐射能量越集中在天线的最大辐射方向。
方向图中的最大旁瓣(通常是邻近主瓣的第一旁瓣)与主瓣最大值的比值称为旁瓣电平,通常用分贝(dB)来表示。例如,在功率方向图中
另外一个表示天线集中辐射程度的参量是天线的方向性系数或天线增益。向各方向均匀辐射的理想点源天线称为均匀辐射器并用作比较基准。天线方向性系数的定义是:在总辐射功率相同的情况下,天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P0的比值,通常以D来表示
天线增益的定义是:在总输入功率相同的情况下,天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P0的比值,通常以G来表示
天线的辐射效率η是总辐射功率与总输入功率之比,所以如果理想均匀辐射器辐射效率为100%,则天线的增益与其方向性系数的关系为G=ηD。
以上内容是对发射天线来说的,但根据互易定理,同一天线如作为接收天线,将具有相同的方向图和方向性系数。
半波天线
对称天线的全长为半个波长时,称为半波天线。半波天线的方向性系数为1.64,也是弱方向性天线。半波天线广泛地应用于短波通信中。它的两臂可以是单根导线;也可以由多根导线并联组成笼状,称之为笼形天线,如图1(C)所示。这种天线有较宽的频带。如果将偶极子天线的两臂向内折合就构成角形天线,如图1(d)所示。当两臂的夹角为90°时,每臂的8字形方向图相互垂直,因此在天线所在平面上接近无方向性天线。将半波天线的两臂末端与另一中点短路的半波天线的两端连接在一起,就构成折合天线,如图1(e)所示。这种天线除有较宽的频带之杯,由于它的输入阻抗较半波天线约大四倍,更便于与平衡馈线匹配。偶极子天线的两臂还可以由单导线演变为平板,如图1(f)所示。由两个三角形平板构成的偶极子天线,又称蝴蝶结天线。这种天线也有较宽的频带。为了减轻重量,并减小风力,这些导电板还可改用金属栅条代替。
磁偶极子
和电偶极子相对应,磁偶极子也是一种弱方向性天线。例如,由单匝线圈构成的环形天线和由多匝线圈绕在磁芯上的磁性天线都是弱方向性天线。磁性天线多用于接收机中。金属板上开槽相当于磁偶极子,也是一种弱方向性天线。