天線阻抗

天線和饋線的連線處稱為天線的輸入端或饋電點。對於線天線來說，天線輸入端的電壓與電流的比值稱為天線的輸入阻抗。對於口面型天線，則常用饋線上電壓駐波比來表示天線的阻抗特性。一般，天線的輸入阻抗是複數，實部稱為輸入電阻，以Ri表示；虛部稱為輸入電抗，以Xi表示。

基本介紹

• 中文名：天線阻抗
• 外文名：antenna impedance
• 目的：是為實現天線和饋線間的匹配
• 別名：電壓駐波比
• 相關條件：幾何形狀、尺寸、饋電點位置
• 學科：通信

定義

天線和饋線的連線處稱為天線的輸入端或饋電點。對於線天線來說，天線輸入端的電壓與電流的比值稱為天線的輸入阻抗。對於口面型天線，則常用饋線上電壓駐波比來表示天線的阻抗特性。一般，天線的輸入阻抗是複數，實部稱為輸入電阻，以R_i表示；虛部稱為輸入電抗，以X_i表示。天線的輸入功率P_i可以表示為式中|Ii|為天線輸入端的峰值電流；R是以輸入端電流為參考的輻射電阻式中P_r為天線的輻射功率；R₀是以輸入端電流為參考的歐姆損耗電阻　一段載有均勻電流、長度l遠小於工作波長λ的理想偶極天線稱為電流元。它的輻射電阻R_r很小，天線的輸入電抗表征儲藏在天線近區場中的功率。電尺寸遠小於工作波長的天線，其輸入電抗很大，例如短偶極天線具有很大的容抗；電小環天線具有很大的感抗。直徑很細的半波振子輸入阻抗約為73.1+j42.5歐。在實際套用中，為了便於匹配，一般希望對稱振子的輸入電抗為零，這時的振子長度稱為諧振長度。諧振半波振子的長度比自由空間中的半個波長略短一些，工程上一般估計縮短5%。諧振半波振子的輸入阻抗約為70歐。

口面型天線的阻抗特性用饋線上某點的電壓駐波比或反射係數來表示。當反射係數為零、駐波係數為 1時，稱作匹配。

影響因素

天線的輸入阻抗與天線的幾何形狀、尺寸、饋電點位置、工作波長和周圍環境等因素有關。線天線的直徑較粗時，輸入阻抗隨頻率的變化較平緩，天線的阻抗頻寬較寬。
一個彼此靠近的很多個單元天線組成的輻射系統稱為天線陣，天線陣中各單元之間以一種複雜的方式相互作用，這種現象稱為互耦，其結果使各單元天線上的電流不僅與本身的激勵有關，而且與相鄰天線上的電流有關。在N元天線陣中，任一單元的輸入阻抗為式中V_n、I_n分別是第n個單元輸入端的電壓和電流；Z是當其餘單元為開路時第n個單元的自阻抗；Z是第n個單元和第m個單元之間的互阻抗。互阻抗的定義是式中i是除了m以外的各單元序號。由互易定理可知Z=Z_mn。

天線阻抗匹配

研究天線阻抗的主要目的是為實現天線和饋線間的匹配。欲使發射天線與饋線相匹配，天線的輸入阻抗應該等於饋線的特性阻抗。欲使接收天線與接收機相匹配，天線的輸入阻抗應該等於負載阻抗的共軛複數。通常接收機具有實數的阻抗。當天線的阻抗為複數時，需要用匹配網路來除去天線的電抗部分並使它們的電阻部分相等。
當天線與饋線匹配時，由發射機向天線或由天線向接收機傳輸的功率最大，這時在饋線上不會出現反射波，反射係數等於零，駐波係數等於1。天線與饋線匹配的好壞程度用天線輸入端的反射係數或駐波比的大小來衡量。對於發射天線來說，如果匹配不好，則天線的輻射功率就會減小，饋線上的損耗會增大，饋線的功率容量也會下降，嚴重時還會出現發射機頻率“牽引”現象，即振盪頻率發生變化。
對口面型天線來說，為了達到匹配狀態，應當在所有產生反射的不連續點附近加上能夠產生相反反射的匹配元件，使它們相互抵消。天線的頻帶由這些元件的組合頻帶決定。

匹配方法

天線阻抗可能同時包含電抗與電阻成分。大多數實際套用中，我們尋求的是純阻性的阻抗（z=R），但是這種理想情況很難達到。例如一個偶極子天線，理論上真空中達到諧振時阻抗為73Ω。但是，當送到天線上的信號頻率不是諧振頻率時，電抗成分（±jX）就出現了。當高於諧振頻率時，天線帶感性電抗，阻抗為Z=R+jX。類似地，當低於諧振頻率時，天線帶容性電抗，阻抗為z=R-jX。此外，在靠近地表的空間中，其阻性部分可能不是73Ω，而可能為30～130Ω的某一值。顯然，無論選用特性阻抗為多少的同軸電纜，都很有可能是不合適的。

實際無線電套用中，為了將一個複雜負載（如天線）連到一個純阻性源上，最常見的情形是在負載與源之間構造一個匹配網路。匹配網路的阻抗必須等於負載的復阻抗的共軛。例如，如果負載阻抗為R+jX，匹配網路的阻抗就必須為R一jX；類似地，如果負載阻抗為R一jX，匹配網路的阻抗就必須為R+jX。