馈线天线效应。方案、说明

馈线天线效应。无线电电子电气工程百科全书

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天馈路径的正常运行在很大程度上决定了一个业余无线电台作为一个整体的有效性。本文讨论的效果可以显着降低它，因为它体现在大多数实际天线设计（包括工厂制造的天线）中。文章的第一部分揭示了馈线天线效应的原因及其对天馈路径运行的影响。在第二部分中，将给出消除这种影响的实用建议。

几乎每一个短波都清楚地知道发射工作对家里的电子设备造成干扰的情况——霓虹灯带到打开的发射机身上时会发光，而接收伴随着来自本地的强烈干扰。这些是人们长期熟悉但研究较少的馈线天线效应最显着的表现形式，其本质和特征在文章中有所描述。

馈线天线效应的本质及原因

通常将天线效应称为非为此目的的物体辐射或接收无线电波的现象。馈线只能用于将高频能量从发射器传输到天线或从天线传输到接收器。对馈线天线效应 (AEF) 原因的考虑将从传输模式开始。

如您所知，天线发射的电磁场是由流经其组成导体的交流电产生的。天线几乎总是不在自由空间中。在它的附近（例如，在波长a内）可能有许多物体。这些是电源线、广播和通信线路、导电桅杆、支架和拉杆、管道、索具、配件、车辆的车身和机身、建筑物的屋顶和墙壁、操作员的身体和地球表面。如果环境中的物体以某种方式产生电流（例如，由天线的近场感应），则这些电流产生的辐射场将累加到天线电流的场中。天线与环境一起被称为天线系统（AS）。在这些条件下，扬声器的特性可能与天线本身的计算特性有很大差异。为了使扬声器的特性更少地依赖于环境，他们尝试将天线抬高，将其安装在距离导电结构更远的地方，制作非金属桅杆、支架。

天线环境中最近且基本上不可移动的物体之一是为其供电的馈线。最简单的馈线是开放式两线线路。理想情况下，馈线任意一段、任意时刻线路导线中电流的瞬时值大小相同、方向相反，即馈线两根导线的电流之和。任何部分的馈线均为零。我们将这种电流称为反相电流。即使在这种情况下，开路的两线线路也会辐射，其原因是线路导线之间的距离 d 有限。垂直线在水平面中辐射最大值在线平面内的垂直极化波和最大值垂直于该平面的水平极化波。辐射场与 d/X 之比成正比。两线线路的辐射在匹配线路负载时最小，并且当出现驻电流波时，随着不匹配而明显增加。

所描述的现象（在馈线系统中严格反相电流的条件下）被称为第二类馈线的天线效应（AEF-2）[2]。在实践中，它表现得非常微弱。例如，在 1 MHz 频率下，由于这种效应，来自 KATB（或 KATP）电视电缆、长度为 a / 145、d ≤ 2 mm 的线路辐射的场比半波弱约 10 倍。连接到这条线的环形振动器。

馈线横截面中所有导线的电流总和可能不为零的原因有很多。矢量图（图 1）显示，当各根导线中的电流 I1 和 I2 具有任意相位和幅值差时，这些电流可以表示为反相 I1n = I2n 和同相 I1c =l2c 分量之和（后者有时称为单周期）。由不同电线的共模电流产生的场不会被补偿（作为反相），而是被累加。如果馈线的长度与 X 相当，那么它们的总和可以产生大量的额外辐射。这种现象称为第一类馈线的天线效应（AEF-1）[1]。它明显比 AEF-1 更严重。这将在下面讨论。

馈线天线效应

由于第一类AEF（以下简称AEF）与共模电流有关，其原因的确定问题可以归结为寻找馈线在传输模式下出现共模电流的原因（在在接收模式下，这种电流总是在外部电磁场的影响下出现）。

考虑一个带有两线馈线的水平偶极天线，而不考虑“接地”。我们将假设 AU 仅由天线和馈线组成。

AS 在空间中各点的辐射场是所有 AS 导体的电流所产生的场的矢量和。每个点的总磁场取决于沿系统导体的电流分布。给定频率下的这种分布由交流电线的形状、尺寸和布局唯一确定。还有刺激的方法。足够明显的考虑得出这样的结论（通过计算和实践证实）：由于AU的几何对称性和对称（严格反相）激励，电流分布也将沿着天线线和馈线对称。在这种情况下，所有馈线的共模电流之和将等于零。

馈线天线效应

图 2 中的模型显示了此类情况的一个示例。 XNUMXa. 对称馈线的导线电流幅值和反相相同，这是由振子天线臂的对称性和对称馈线相对于这些臂的对称位置以及对称馈线的对称连接决定的。发电机到馈线的起点。

以下任一原因都可能导致共模馈线电流的出现：天线不对称（臂的几何不对称，功率不在中间，图2，b）：馈线不对称（导线直径或长度不同，图2） .2、c)； SS作为一个整体的不对称性（天线和馈线的相对位置不对称，图2，d）。当考虑“地球”时，AS相对于“地球”的几何不对称性（图1，e）以及源相对于“地”的电气不对称性（Z2-Z2。图XNUMX，e） f) 将在此处添加

如果在前面的情况下原则上完全对称是可能的，那么当对称天线由同轴（基本上不对称）馈线供电而不采取特殊措施时，AEF-1是不可避免的，尽管这样的馈线不受AEF-2的影响。同轴线的一个特点是。在高射频下，它不能被视为两线，而是三线。由于趋肤效应，电缆护套内表面和外表面上的电流可能会有所不同。要分析模型上的共模电流，您可以用一根导线代表电缆护套的外表面，并将发生器直接连接到天线。

如果电缆的中心导体连接到对称天线的一个臂，而编织层连接到另一臂（模型 - 图 3，a），那么即使电缆相对于天线的几何对称位置, AEF 会发生在扬声器中。原因是将等效源连接到几何对称扬声器的电气不对称（源应该是点源，并且正好在天线的中心打开，但左边是一个天线臂，右边是一个天线臂是另一个加上电缆护套的外表面！）。

在这种情况下，电流分布强烈依赖于电缆护套外表面的电气长度（由于外部绝缘，它大约比几何长度大1%），具有谐振长度（半数的整数倍）。波，考虑到接地下端的接地长度，或整数半波加上电缆未接地端的 a / 4，如我们的例子），共模电流 lc 的最大幅度电缆的电流最大，可以达到天线左臂电流I最大幅度的43%（图3，b）。

馈线天线效应

在此示例中，可以方便地展示沿编织物外表面感应电流的简化“机制”，这将有助于更清楚地展示导致 AEF 的物理过程。产生共模电流的原因之一是显而易见的：它是一个等效的激励源，连接到外部导体的一个端子。然而，这个导体也在天线臂的近场中，其中的电流是不一样的。因此，共模电流还有另一个原因：不对称，因此在馈线位置，天线本身的近场处没有补偿。这样的想法当然是非常原始的，但有时在对抗AEF的实践中，出于某种原因，根本没有考虑到这第二个原因。

位于较低高度的垂直极化天线相对于“地面”（或屋顶）明显不对称。即使我们提供天线和馈线的形式相对对称性（从侧面馈电时的垂直偶极子）。 AEF是不可避免的。

因此，在传输操作中，馈线共模电流可能由于以下任何主要原因发生：

交流激励源或等效天线激励源的电不对称性：
天线系统作为一个整体的几何不对称性：本身以及相对于地面的不对称性。

在接收模式下，馈线在外部电磁场的作用下，其导线中会产生反相电流和共模电流。前者出现在开放的两线线路中并直接影响接收器的输入（第二类AEF）。共模电流出现在任何馈线中。凭借互易原理，该AS馈线在传输中的共模电流相对强度越大，这些电流对接收器输入端（第一类AEF）的影响越强。模式。只有馈线的反相电流才能直接作用于接收器的正确输入。用于将接收模式中的共模电流转换成反相电流的“机制”与上面针对发射模式中的同轴馈线所描述的“机制”类似。一种方法是在天线连接点将编织层的外表面与内层表面连接起来，第二种方法是通过天线，利用共模近场电流，这些电流对于天线来说是不对称的。不同的天线臂，带有不对称的扬声器。

考虑到馈线作为其一部分的 AU 特性与不考虑馈线影响时计算出的天线特性不同。因此。 AEF不仅仅是由馈线直接接收或发送，因此概念可以扩展。广义的AEF是馈线对天线系统特性（接收和发射期间）的影响。让我们更详细地考虑这种影响。

馈线天线效应的表现形式

AEF 最显着的表现如上所述。让我们更详细地考虑 AEF 的这些以及可能的其他重要表现。作为例子，我们以水平半波振子和众所周知的高度为 λ/4 的垂直天线 GP 和三个相同长度的配重，与辐射器成 135° 角安装。这种天线在自由空间中且不考虑馈线影响的情况下的输入阻抗是纯有源的，约为50欧姆。上图。图 4 显示了这种情况下垂直平面中的辐射方向图 (DN) 以及沿销 (I1) 和配重 (I2 - I4) 的导线的电流分布。这里给出的所有特性都是通过计算机模拟获得的，没有考虑损失。

馈线天线效应

在传输过程中，可能会出现以下 ADF 表现。

1. 非基波偏振AS辐射的出现。如果天线的主极化是垂直的，而馈线不是垂直的，那么馈线辐射就会出现水平分量。如果天线的主极化是水平的，而馈线不是水平的，则馈线辐射将出现垂直分量。示例 - 垂直平面内的 DN（图 5） 30 为水平偶极子。由 AEF 产生的场 En 的垂直分量约为有用水平 En 的 XNUMX%。例如，对于电视接收而言，这是非常不希望的效果。

馈线天线效应

2. RP随主极化的变化。主极化馈线的辐射会导致主RP的显着变化（例如，对于垂直平面内的垂直天线）：方向性因子在主方向上发生变化（可以是减小，也可以是增大）），不需要的波瓣出现在其他方向。一个例子是图。 6 用于 9λ/4 未接地电缆长度的 GP 天线。如果主极化电缆不辐射，则图案可能会因违反激励对称性而发生变化（图 7 为 Ep，水平偶极子）

3 更改复数输入电阻。对于GP天线，根据同轴馈线的长度，激励点Z = R + jX处的复电阻的有源分量R可以在42至100欧姆之间变化。电抗分量X为-40至+17欧姆。

4. 输入电阻的变化与馈线中驻波比 (SWR) 的变化有关。

上图。图 8 显示了 GP 天线在 λ=10.9 m 时 SWR 的依赖性： 1 - 使用“正常”电缆连接到天线； 2 - 在与天线的连接点处，编织物的外表面具有完美的“隔离”。从图中可以看出，这两种情况下的 SWR 都取决于馈线的长度，而在馈线中没有共模电流 (AEF) 和损耗的情况下，这种情况不应发生 [2]。我们在此注意到，共模电流会导致 SWR（通过 Z）发生变化，但反之则不然！ AEF-2 对 SWR 的依赖性具有不同的“机制”。

馈线天线效应

5. 驻波比差意味着馈线电流中存在很大比例的驻波，这些驻波不参与射频能量的传输。在实际电缆中，损耗会增加，因此，天馈系统的效率会降低。共模电流本身也会导致提供给交流电的额外能量损失。

6. DN和SWR恶化。效率的降低会降低无线电链路的能量潜力。可靠接收范围减小，为了达到计算的通信质量，需要增加功率。这是额外的能源成本。与此同时，第7-9点的问题更加严重。

7. 改变模式会导致出现无法预见的辐射方向，这会产生强烈的干扰或场强，根据卫生标准，这是不可接受的。

8. 如果馈线位于其他线路（例如电力线或电话线）附近，在存在 AEF 的情况下与它们的感应连接可能会导致确保无线电台与其他电子装置联合运行的严重困难（发射和接收过程中相互干扰强）。

9. 在发射装置的馈线附近，可能会出现明显的电磁场，与 AU 的有源部分附近的场相当。

全部。关于发送 AS 的一般特性的变化。同样适用于接收扬声器（DN、输入阻抗、SWR、效率）非主极化或 DN 附加波瓣区域的外部干扰源。或者在馈线附近，如果有AEF，它们会在接收过程中产生额外的干扰背景。

我们注意到 AEF 表现的一些一般特征：

1. AEF 在馈线的共振维度上表现得更强烈，在非共振维度上表现得更弱。

2. 存在 AEF 时 RP 变化的性质取决于馈线的长度。垂直馈线越长，DN 在垂直平面上的缩进越多。

3.在有AEF的情况下，AS在主方向上的放大率可以大于或小于不考虑AEF的情况。

4. AEF表现得越强，天线的近场越强，就是馈线。从这个意义上说，所考虑的 GP 天线是最脆弱的天线之一。

5. 对于振动器（偶极子）天线，AEF 比环形天线更明显。

6. 对于垂直极化天线，AEF 比水平极化天线出现的频率更高且更强。

7、馈线对AU特性的影响越强，天线尺寸越小，效率越低。 ADF 对于电气小型天线来说非常危险。

8. AEF 对于高度定向的人尤其危险。特别是测向天线。

9. AEF在接收AS中的表现并不比在发送AS中少，甚至更严重。这个问题首先出现在接收扬声器上。

文学

Pistohlkors A.A. 接收天线。 - M.：Svyaztekhizdat。 1937 年。
Stepanov B. 但它发生了！ - 收音机。 1999 年，第 6 号。和。 65.

作者：Anatoly Grechikhin (UA3TZ)、Dmitry Proskuryakov

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