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偶极天线的最佳长度是其设计接收或发射波长的一半的倍数。这是为什么呢?如果电磁波在 x 轴上有 E,在 y 轴上有 B,并沿 z 轴传播,它将在沿 x 轴放置的偶极天线中产生最佳电流。

但是,电磁波的波长是在 z 轴上测量的。当然,E 场的波动沿着 x 轴发生,这就是天线以这种方式放置的原因,但是为什么天线在 x 轴上的长度很重要呢?

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以下动画展示了接收天线的工作原理。

“3D”动画说明了您在帖子中所做的陈述,如果电磁波在 x 轴[西北到东南]上有 E ,在 y 轴[北到南]上有 B ,并沿 z 轴[西南到东北]传播,它将在沿 x 轴放置的偶极天线[两个导体]中产生最佳电流。

电荷在导体中移动,即产生电流,这会在电阻器两端产生电位差,该电阻器可能是无线电接收器的输入级。

发射天线的工作原理与此相同,只不过在电阻器处施加的是交流电压,交流电压使金属导体中的电荷加速加速

电荷会发出电磁辐射,在这种情况下,电磁辐射的频率与交流电压的频率相同。

一个关键特征是入射电磁波的波长,λλ\lambda以及它与水平导体长度的关系,λ2λ2\approx \frac \lambda 2,这意味着建立了驻波,或者换句话说,发生了共振,这意味着系统(偶极天线)对入射电磁波(驱动器)的响应达到最大化。

当偶极子的长度约为3 λ25 λ23λ25λ2\frac{3\lambda}{2},\,\frac{5\lambda}{2}等,但该系统的效率/响应不如半波偶极子天线。

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电磁波是横向的,因此波中的电场与天线平行。它激发电子在偶极天线中纵向运动,就像风琴管中的空气一样。电子无法越过天线的末端,因此共振的条件与封闭式管道中的声波相同。因此,最低频率是当管道长度为波长的一半时。在共振时,即使波幅很小,天线也会受到很大的影响。

请注意,纵向“类似声音”的波的速度仍然是光速,频率保持不变,因此天线导线中的纵向波的波长与电磁波的波长相同,即使波的传播方向是垂直的。

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偶极天线的长度选择应使天线在发射频率下产生谐振。由于良好导体中的波速接近真空中的光速,因此长度应接近真空中无线电波的波长。请参阅

如果使用匹配网络调整谐振频率,也可以使用不同的长度。

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    即使是无限长的赫兹偶极子,在任何频率下都不会谐振,也会辐射。天线的长度与其可以辐射的带宽有关,而不是频率。天线不是谐振器,天线是源发生器的阻抗(或接收器的负载阻抗)与接收器的匹配电路。120 πΩ120πΩ120\pi \Omega真空中 TEM 波的阻抗。请参阅我的答案
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为了获得大量的发射强度,我们需要大量的电荷加速。在偶极天线中,这是通过振荡电流来实现的,振荡电流使电荷振荡,从而加速。

偶极子中的电流不可能处处相同,它可能在中心或中心与一端之间很大,但在自由端必须为零。这意味着,除非电流为零,否则电流大小必须沿偶极子变化。如果偶极子长度接近λ / 2λ/2\lambda/2,电流将在偶极子上以驻波形式振荡,其中自由端是驻波的两个节点。如果长度介于两个整数倍之间λ / 2λ/2\lambda/2,我们没有简单的驻波模式,而是在两个方向上行进的波和在末端的反射。

当天线比λ / 2λ/2\lambda/2,它的行为就像一个电容器,有一些电流对两端进行充电和放电,但只在很短的距离内存在(因此电荷加速)。增加偶极子长度会使更多的导体承载振荡电流,因此更多的加速电荷进入该过程,这可能会增加发射(前提是电流幅度不会因长度变化而下降太多)。然后达到一个特殊的长度,接近λ / 2λ/2\lambda/2,其中电流实现驻波模式,并且偶极子的所有部分仍然同相发射;在电流幅度最高的地方,即偶极子中心,发射最强;但所有部分,包括靠近两端的部分,都有贡献。

但当偶极子长度进一步增加时,电流不再可能在任何地方同相振荡。偶极子太长——电流波的波长接近λλ\lambda,因此当有更多可用长度时,在偶极子上的某个地方,电流波必须变为零(零电流)并改变符号。然后天线的一部分产生具有相反相位的辐射场,从而抵消偶极子较大部分的辐射场。

例如,在长度为λλ\lambda,当在一半中,电流向中心移动时,在另一半中,电流也向中心移动。然后,对于每个向右加速的电荷,我们在另一侧有一个镜像电荷,向左加速。它们的辐射电场指向相反的方向,并且彼此抵消大部分,因此我们得到发射的减少。通过进一步增加偶极子长度到3 / 2 λ3/2λ3/2\lambda,我们再次得到电流驻波,其中三分之二的偶极子携带电荷在一个方向上加速,三分之一的偶极子携带电荷在相反方向上加速,因此系统的发射值约为半波长。

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