1、磁棒天线与拉杆天线的对比分析姜波 （学号：20071116158）（物理与电子信息学院 物理学专业 2007 级汉班，内蒙古 呼和浩特 010022）指导教师：陈玉和摘要：半导体收音机的磁棒天线与拉杆天线怎样放置，收音机的接受效果才最佳呢。本文对磁棒天线与拉杆天线进行对比分析。本文从它 们的接收机原理，合理放置等方面进行分析，从而得出结论。关键词：天线；磁棒；拉杆；接收机原理；合理放置中图分类号： 文献标识码：1. 天线 1.1 定义：所 谓 天 线 ， 就 是 作 无 线 电 波 的 发 射 或 接 收 用 的 一 种 金 属 装 置(如 杆 、 线 或 线 的 排 列 )在 无 线 电 设
2、 备 中 用 来 发 射 或 接 收 电 磁 波 的 部 件 。 无 线 电 通 信 、 广 播 、电 视 、 雷 达 、 导 航 、 电 子 对 抗 、 遥 感 、 射 电 天 文 等 工 程 系 统 ， 凡 是 利 用 电磁 波 来 传 递 信 息 的 ， 都 依 靠 天 线 来 进 行 工 作 。 此 外 ， 在 用 电 磁 波 传 送 能 量 方面 ， 非 信 号 的 能 量 辐 射 也 需 要 天 线 。 一 般 天 线 都 具 有 可 逆 性 ， 即 同 一 副 天 线既 可 用 作 发 射 天 线 ， 也 可 用 作 接 收 天 线 。 同 一 天 线 作 为 发 射 或 接 收
3、 的 基 本 特性 参 数 是 相 同 的 。 这 就 是 天 线 的 互 易 定 理 。1.2 天线的作用各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。所以，天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波Z0ZLe的设备才有
4、可能作为天线使用。天线的另一个作用是“能量转换” 。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。天线增益越高，则转换效率就越高。1.3 天线接收的基本原理天线本身就是一个振荡器，但又与普通的 LC 振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。电场集中在电容器的两个极板中，而磁场则分布在电感线圈的有
5、限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的范围，这就创造了有利于辐射的条件。电磁波的能量从发信天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在交变电磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压电动势，其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连，在收信机中就可以获得已调波信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所以称此导线为收信天线。无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器， “可逆性”是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使用，通信
6、设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统的有效能量输出，又直接影响着收信系统的性能。天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线，收信天线可以用作发信天线，并且表现在天线用作发信天线时的参数，与用作 收信天线时的参数保持不变，这就是天线的互易原理。1.4 影响天线工作的因素1.4.1 天线效率天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比,记为 ,即A可见，要提高辐射效率，应设法增大辐射电阻和减小损耗电阻。1.4.2 增益系数增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效率的乘积,记为 G,即 G=D 。由上式可见：天线方向系数和效率愈高,则A增益
7、系数愈高。天线增益比天线方向性系数更全面地反映了天线的性质。天线增益不仅考虑了方向性引起的场强变化，还考虑了天线效率对场强的影响。1.4.3 输入阻抗要使天线效率高,就必须使天线与馈线良好匹配,也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,这样才能使天线获得最大功率。1.4.4 其它因素电磁信号经过远距离的传播，由于大气折射与吸收、建筑物与山体的吸收和衍射等原因导致信号衰减。多重路径的信号和本地强台信号都对天线要接收的目标信号产生干扰。以及来自人体以及人体携带的电子产品的干扰。天线的工作是受多种因素的综合影响的，除上述这些因素外，天线的谐振、带宽、天线的架设高度及仰角等也会对天线的接收和发射效
8、果产生影响。所以在配置天线时要综合考虑各方面的因素。2. 电偶极子的辐射电偶极子是最基本的电磁辐射单元。一段通有高频电流的直导线，当导线长度 l远小于波长（ ） ，且导线直径与导线长度之比远小于 1 时，可近似1/l的认为导线上各点电流的幅值和相位相同。这样的一段直导线称为基本振子或电偶极子，它是构成复杂天线的基础。由于基本振子在辐射电磁波的过程中，导线上流动的电流会在导线的两端点形成电量相等、符号相反的电荷，与静电场中电偶极子十分相似，因此基本振子也称为电偶极子，如图 1 所示。1PiAA A RA xyz图 1 电偶极子 图 2 球坐标系 电偶极子的电磁场设长为 l，电流密度为 CJ的电偶
9、极子位于球坐标系中的坐标原点，其轴线与 z轴重合，如图 2 所示。电偶极子在空间激发的矢量磁位 A用式(1)求解，式中 CJ为体电流密度，当导线中流过的电流为 I 时， CzIJaS， 为导线截面积，所以 dzzIVSlaIl，于是电偶极子的矢量磁位 A的表示式为()4RjtvzlIeAl(1)隐去时间因子 jt，且 /k，当满足条件 Rl?时，式(1)简化为4jkRzIleAa(2)矢量磁位 在球坐标系内的分解如图 2 所示，有cossjkRRzIle(3a)ini4jkzlA(3b)0(3c)由1H可求得磁场0R(4a)(4b)2sin14jkRIlHe (4c)有了磁场 的表达式后，利用
10、1EHj，可求出电场32cos12jkRRIlEje(5a)23in4jkRIljje (5b)0 (5c)式(4)和式(5)是电偶极子产生的电磁场。3. 电偶极辐射场的主要性质当场点远离源点，并满足 R, 由此条件可得到电偶极子的辐射场强为：sin40pRE（ 6）i0cB0,BERR改 写 成 矢 量 形 式 为RepcB40（ 7） ReE（ 2） 式 为 辐 射 场 的 矢 量 形 式 。由 此 可 得 辐 射 场 的 一 些 性 质 ：(1) 由 于 场 点 远 离 源 点 ， 因 此 电 磁 场 传 播 过 程 中 推 迟 效 应 将 很 明 显 。如 场 点 在 t 时 刻 的
11、E、 B， 决 定 于 时 刻 源 点 的 、 j， 电cRt磁 场 以 c 在 真 空 中 传 播 等 。(2) 由 于 表 明 辐 射 场 强 中 电 场 强 度 与 磁 感 强 度 的 比 值EBc,/等 于 电 磁 波 的 传 播 速 度 ， 它 们 的 方 向 相 互 垂 直 。(3) 电 场 ， 磁 场 的 强 度 与 有 关 ， 并 以 正 弦 形 式 变 化 ， 在 方 位2上 辐 射 电 磁 场 强 度 最 大 ， 在 ， 方 位 上 最 弱 。 这 样 ， 只 要0适 当 放 置 天 线 的 方 位 就 能 得 到 最 佳 的 发 射 效 果 。 由 （ 1） 式 可 见
12、，电 场 与 磁 场 是 同 相 位 的 ， 这 与 近 区 场 的 情 况 不 同 ， 其 原 因 还 是 推迟 效 应 的 作 用 。(4) 电 偶 极 子 辐 射 场 强 的 能 流 密 度(8)RepcBES2200 sin16可 见 ， 辐 射 场 的 电 磁 能 量 是 沿 着 失 径 方 向 向 外 流 出 。 这 正 是 “辐 射 场 ”名 称 的 来 源 。通 过 与 方 向 垂 直 的 面 元 的 辐 射 功 率 为Red dcpdpcRSdP 20220 sin16sin16（ 9）式 中 为 立 体 角 元 。 对 （ 4） 式 进 行 积 分 ， 就 得 到 总 辐
13、射 功 率 P。2R而 电 偶 极 子 辐 射 场 的 能 流 分 布 则 为20sin16cpdP4. 接 收 机 原 理 半 导 体 收 音 机 的 磁 棒 天 线 与 拉 杆 天 线 的 放 置 不 同 ， 源 于 它 们 的 接 收机 原 理 不 同 。（ 1） 磁 棒 天 线 的 接 收 机 原 理磁 棒 天 线 的 接 收 机 原 理 是 应 用 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 ， 当 磁 棒 中 的 磁 感 应通 量 发 生 变 化 时 ， 绕 在 磁 棒 上 的 线 圈 会 产 生 感 应 电 动 势 ， 所 以 在 使 用 磁 棒 天线 接 收 时 ， 应 该 把 磁 棒
14、 的 位 置 放 在 磁 感 应 强 度 最 大 的 方 位 上 。（ 2） 拉 杆 天 线 的 接 收 机 原 理使 用 拉 杆 天 线 时 的 接 收 机 原 理 不 同 ， 它 主 要 依 靠 在 拉 杆 天 线 两 端 电 场 的变 化 ， 使 得 导 体 两 端 形 成 感 应 电 荷 ， 而 把 无 线 电 信 号 送 到 接 收 机 （ 例 如 收 音机 ） 内 。 因 此 在 使 用 拉 杆 天 线 时 ， 就 应 该 把 它 放 置 在 电 场 强 度 最 强 的 方 位 上 。5. 天 线 的 放 置对 于 直 立 的 发 射 点 偶 极 子 天 线 辐 射 出 来 的 电
15、 磁 波 ， 最 佳 接 收 位 置 是 在 与天 线 在 同 一 水 平 面 内 。（ 1） 磁 棒 天 线 的 放 置在 上 述 的 辐 射 场 中 ， 如 果 接 收 天 线 是 磁 棒 ， 由 （ 6） 式 可 以 看 出 B 只有 角 方 向 的 分 量 ， 在 球 坐 标 系 中 ， 当 时， 方向正好是水平方向。 2因此，用磁棒天线接收时，磁棒最佳位置是水平放置，而且与电磁波传播方向垂直。无线电侧向仪就是根据这一原理制造的。（2） 拉杆天线的放置如果接收天线是拉杆，在接收时是利用电场在拉杆上产生感应电荷。由（6）式，电场的表示式可以看到，这时在地面上的拉杆天线最佳放置位置是与地面
16、垂直。因此电场只有在 方向上有分量，当 时球坐标系中的 方向正2好与地面竖直。所以半导体收音机的拉杆天线要竖直放置。以上是理论上的分析，下面我们用日常用的收音机来进行实验，来验证以上观点磁棒天线水平放置 接收效果最佳磁棒天线与地面的夹角为 45 度 接收效果一般磁棒天线竖直放置 接收效果最差拉杆天线水平放置 接收效果最差拉杆天线与地面的夹角为 45 度 接收效果一般拉杆天线竖直放置 接收效果最佳6.小结本 文 系 统 地 论 述 了 磁 棒 天 线 与 拉 杆 天 线 ， 它 们 都 属 于 天 线 ， 所 以 都 符 合天 线 的 共 性 。 本 文 前 半 部 分 详 细 地 论 述 了
17、天 线 的 一 些 内 容 ， 诸 如 天 线 的 定 义 ，作 用 及 接 收 原 理 。 对 天 线 有 一 定 的 初 步 认 识 后 ， 还 论 述 了 电 偶 极 子 的 辐 射及 电 偶 极 辐 射 场 的 主 要 性 质 。 让 大 家 进 一 步 了 解 电 磁 波 在 空 间 是 怎 样 传 播 的 。紧 接 着 从 接 收 原 理 和 合 理 放 置 等 方 面 论 述 了 拉 杆 天 线 与 磁 棒 天 线 的 不 同 之 处 。除 了 理 论 分 析 ， 为 了 更 准 确 地 分 析 ， 作 者 还 用 收 音 机 天 线 在 校 园 内 做 了 一 系列 的 实 验
18、 ， 来 进 一 步 研 究 磁 棒 天 线 与 拉 杆 天 线 怎 样 合 理 放 置 的 问 题 。通 过 本 文 系 统 地 对 磁 棒 天 线 与 拉 杆 天 线 的 对 比 分 析 及 实 验 结 果 可 知 ：在 球 坐 标 系 中 ， 当 时， 方向正好是水平方向。用磁棒天线接收时，磁2棒最佳位置是水平放置，而且与电磁波传播方向垂直；电场只有在 方向上有分量，当 时球坐标系中的 方向正好与地面竖直，用拉杆天线接收时，最佳位置是竖直放置。Iron antenna and bars contrastive analysis of the antenna JiangBo (studen
19、t id: 20071116158) (physical and electronic information college physics speciality level hanban 2007 010022), Inner Mongolia Hohhot Teacher: ChenYuHe Abstract: the transistor radio antennas and bars of iron, the radio antenna how to place to best effect? Accept This paper lever antenna antennas and iron are compared and analyzed. This article from their receiver principle, reasonable place, and analyzed the conclusion. Keywords: antennas; Iron; Bars; Receiver principle; Reasonable place
