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低頻段天線設(shè)計與應(yīng)用！
發(fā)布時間：
2025-07-16 15:00
在射頻工程中，“低頻段”通常指的是非常低頻和低頻，對應(yīng)的頻率范圍大致是：
VLF (Very Low Frequency)： 3 kHz - 30 kHz (波長：100 km - 10 km)
LF (Low Frequency)： 30 kHz - 300 kHz (波長：10 km - 1 km)
有時也會將MF (Medium Frequency) 的一部分 (300 kHz - 500 kHz 或 300 kHz - 1 MHz) 也納入廣義的低頻討論范疇，因為它們共享一些相似的特性和挑戰(zhàn)。
低頻段天線的核心特點
低頻段天線設(shè)計面臨的最大挑戰(zhàn)源于其極長的波長：
巨大的物理尺寸：
為了獲得合理的輻射效率（達到全尺寸或接近全尺寸），天線需要是波長的一小部分（如 λ/4, λ/2）。
例如，在 100 kHz (λ = 3 km) 時，一個 λ/4 單極天線的高度就需要 750 米！在 10 kHz (λ = 30 km) 時，這個高度將達到驚人的 7.5 公里。
因此，實際建造全尺寸低頻天線通常是不切實際的。
低輻射效率：
輻射電阻與電尺寸的平方成正比。波長越長，相同物理尺寸天線的輻射電阻越低。
同時，導(dǎo)體的歐姆損耗電阻和接地系統(tǒng)的損耗電阻相對固定或難以大幅降低。
因此，輻射電阻遠小于損耗電阻，導(dǎo)致效率極低（常常只有百分之幾甚至更低）。大部分輸入功率都轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉了。
窄帶寬：
天線尺寸遠小于波長，導(dǎo)致其具有高 Q 值（品質(zhì)因數(shù)）。
高 Q 值意味著帶寬非常窄（相對帶寬很小）。天線只能在設(shè)計頻率附近的很小一個頻率范圍內(nèi)有效工作。
高電壓/大電流：
為了補償?shù)洼椛潆娮璨a(chǎn)生足夠的輻射功率，天線需要非常大的輸入電流。
同時，為了實現(xiàn)阻抗匹配和調(diào)諧，天線結(jié)構(gòu)上（尤其是加載線圈或頂部電容處）會產(chǎn)生非常高的電壓（可達數(shù)十萬甚至上百萬伏特）。這對絕緣設(shè)計和安全性提出了極高要求。
低頻段天線的常見類型（通常是電小天線）
由于全尺寸天線不現(xiàn)實，實際應(yīng)用的低頻天線幾乎都是電小天線，通過加載技術(shù)來降低物理尺寸要求，但犧牲了效率：
加頂負(fù)載單極天線：
在垂直單極天線的頂部安裝一個巨大的水平導(dǎo)線網(wǎng)（頂帽或傘狀結(jié)構(gòu)）。
原理： 頂帽增加天線的有效電容，減小天線底部的容抗，從而降低所需的加載電感值，并能在一定程度上提高輻射電阻（改善效率）。
應(yīng)用： VLF/LF 發(fā)射站最常見的天線形式。頂帽由支撐塔之間的導(dǎo)線網(wǎng)格構(gòu)成，覆蓋巨大的面積（數(shù)平方公里）。垂直塔本身作為輻射體。
特點： 效率相對較高（在低頻段中），但占地面積巨大，建設(shè)成本高昂。
加感線圈單極天線：
在垂直單極天線的中部或底部串聯(lián)一個大電感線圈。
原理： 電感線圈補償天線因高度不足而產(chǎn)生的容抗，使天線在目標(biāo)頻率諧振。降低了物理高度要求。
應(yīng)用： 相對較小的 LF/MF 廣播天線、導(dǎo)航臺天線等。
特點： 結(jié)構(gòu)相對簡單，效率低于加頂負(fù)載天線，線圈損耗是主要問題之一。
T型天線/倒L型天線：
由水平長導(dǎo)線（頂負(fù)載）和垂直引下線組成。
原理： 水平部分提供電容加載，垂直部分提供主要的輻射電流。
應(yīng)用： 歷史悠久的 LF/MF 天線形式，常用于船舶、早期廣播或軍事通信。
特點： 架設(shè)相對靈活，效率中等，水平部分需要大量空間。
環(huán)形天線：
可以是單圈的大環(huán)，或多圈的小環(huán)。
原理： 接收時依靠磁場耦合（磁環(huán)天線），發(fā)射效率通常極低（除非環(huán)非常大）。常用于接收。
應(yīng)用： 便攜式低頻接收設(shè)備、定向探測、磁場強度測量。
特點： 具有方向性（零點在環(huán)面方向），對電場干擾不敏感，接收信噪比可能較好。發(fā)射應(yīng)用受限。
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