圆环天线

在全频道电视接收机上，都附带有一个圆环天线。其形状如图1所示。很多电视机用户对圆环天线不太了解。因此，这里对它作一个简单介绍。

圆环天线是收看特高频（UHF）电视节目一种比较理想的室内接收天线。它的最大优点是，覆盖频道多、结构简单、容易制作。

我们通常收看的1－12频道的电视节目是属于甚高频（VHF）频段。在VHF频段中，室内天线通常采用拉杆天线或羊角天线。天线上获得的感应电动势e与天线的长度成正比。但在使用中，拉杆天线的正确拉伸长度1应为欲接收的电视频道中心波长的1／4。羊角天线每一臂的拉伸长度1也应为1/4λ\(_{0}\)。如果1>1/4λ0，天线馈线上将出现反射波，从而导致电视图象质量的降低，如图象模糊，甚至图象出现重影等。另外，由于VHF频段中，电视信号的波长比较长，比如最高频道，即第12频道，其中心波长λ\(_{0}\)=1.37米。因此，1=1/4λ0=0.34米。这样长度的天线在市区和近郊，尚能满足收看要求。而特高频（UHF）频段，由于频率大大提高，相应的波长大大缩短。我国计划用于UHF频段电视广播的频道是13～68，与此相应的频道中心波长λ\(_{0}\)是63.5～31.4厘米。附表给出了各相应的波长。可见，UHF频段的波长比 VHF频段的短得多。因此，如果在 UHF频段再使用拉杆天线或羊角天线，天线长度就要很短。以5频道与20频道相比为例：5频道使用拉杆天线，其拉伸长度 1=92厘米，而20频道若使用拉杆天线，则1＝14厘米。因此，20频道天线所能获得的感应电动势（以下简称感应电势），仅是5频道天线能获得的感应电势的六分之一左右。假设20频道与5频道的发射功率相等的话，那么在5频道用拉杆天线能获得满意的图象质量的那些地区，当收看20频道电视节目时，如果仍然使用拉杆天线就很难获得满意的图象质量，屏幕上往往会出现雪花状干扰或同步不稳定等等。为了改善这种状况，其中一个简单的方法是改用圆环天线。由天线理论分析可知：当一个圆环天线的周长选择等于λ0时，则圆环天线相当于两个半波长天线平行组合，如图4所示。因此，圆环天线与拉杆天线或羊角天线相比，可以大大增强天线获得感应电势的能力。在 VHF频段，为了增强室内天线获得感应电势的能力，从原理上来说也可以使用圆环天线。但是，由于VHF频段波长比较长，所制成的圆环天线尺寸太大。如5频道λ\(_{0}\)= 3.4米，圆环直径D= 0.32λ0＝1米，可见，这么大的圆环，使用很不方便。所以实用中电视机上的圆环天线只适宜于 UHF频段。

室外定向电视接收天线中的折合振子可以看成是半波振子的一种改进（折合振子的边界总长2l=λ\(_{0}\)），而圆环天线可以看成是折合振子的变形，即看成是把折合振子中间部分向外扩展，最终形成一个圆，如图2所示。图中箭头是天线上感应电流在某一瞬时的流动方向。

根据对折合振子的分析知道：输入端D点，及其相对应的 C点是电流的波腹点，而A、B两点则是电流的波节点。因此，由折合振子扩展形成的圆环天线，其上下两个半圆周上的电流分布是相互对称的，其电流瞬时方向如图2C所示。为了清楚地表示出圆环天线上电流分布的波节、波腹关系，假设从圆环天线的C点把圆环天线切断并展成一直线。此时，天线上的电流幅度分布形状，如图2d中阴影线条所示。这样可以清楚地看到圆环上各点电流幅度大小的相互关系。图中D点是圆环天线的输入端，是圆环上电流的波腹点。A、B两点是电流波节点，任何时刻，这两点的电流都等于零。C点又是电流的波腹点。根据天线的互易原理，可以把圆环天线当作发射天线来分析。所谓天线互易原理，就是把一副天线用作发射天线时进行分析求得的电气参数，如增益、方向性图等等，与该天线用做接收天线时所具有的电气参数完全对应相等。我们设想假如圆环天线的圆心处于直角坐标的原点，那么，整个圆环天线对称地处于坐标系统的四个象限之内。圆环上每一点的电流I可以分解为垂直分量I\(_{V}\)与水平分量IH。如图3所示。由图可见，第一象限与第二象限，第三象限与第四象限的垂直分量I\(_{V}\)，方向分别相反。因此，它们在远离天线的空间所建立的电磁场（远离发射天线的空间电磁场简称辐射场），方向也分别相反，结果相互抵消。四个象限内电流的水平分量方向相同。因此，由电流的水平分量IH在空间建立的辐射场，方向也相同。所以，圆环天线在空间建立的辐射场，就是这四个象限的水平分量电流I\(_{H}\)所建立的辐射场之和。由于C、D两点均是电流波腹点，A、B两点刚巧又是电流波节点，所以把弧长ACB5ADB5梢苑直鸬刃氩ㄌ煜遖和半波天线b来看待，整个圆环天线就等效为两个半波天线。而且，这两个半波天线电流方向相同。如图4所示。根据互易原理，圆环天线用作接收天线时，同样可以等效为两个平行组合的半波天线。半波天线的辐射电阻R∑=73.1Ω。（所谓辐射电阻就是天线发射出去的功率看成是被一个等效电阻所消耗。这个等效电阻称为辐射电阻。幅射电阻除了可以用来求得输入电阻之外，还可以用来计算天线的增益和电视机的输入功率等等）。两个半波天线相互共存时，则相互会产生影响，彼此要增加一个相互感应的辐射电阻成份。也就是说，每一副天线的辐射电阻将有二部分组成。其中一部分是本身单独存在时的辐射电阻，另一部分是其它天线对它的感应而造成的辐射电阻（互感应辐射电阻）因此， b天线的总辐射电阻R\(_{∑}\)=Rbb＋R\(_{ba}\)。其中，Rbb是等效的b半波天线单独存在时的辐射电阻；R\(_{ba}\)是b天线受a天线影响产生的互感应辐射电阻。由图5所示曲线查得Rba近似为35Ω。两半波天线的辐射电阻R\(_{bb}\)=7.31Ω。这样一来，整个b天线的辐射电阻即为：R∑＝R\(_{bb}\)＋Rba=108Ω。图5的横坐标为d／λ\(_{0}\)，其中d是两个半波天线的间距，λ0是电视频道的中心波长。纵坐标就是两个半坡天线的互辐射电阻。由天线理论的分析知道，半波天线的输入电阻与其辐射电阻对应相等。圆环天线的输入端对应于b天线输入端。所以，圆环天线的输入电阻R\(_{A}\)=108Ω。

目前，规格化的电视馈线有两类：一类是特性阻抗为300Ω的对称式扁平馈线；另一类是特性阻抗为75Ω的不对称同轴电缆。因为圆环天线是一种对称输入式天线，UHF频段的频率又比VHF频段的频率高很多，所以，UHF频段的圆环天线不能用普通的双孔磁心阻抗变换器进行对称——不对称的变换。因此，不能简单地选用75Ω的同轴电缆作馈线。对圆环天线而言，应选用对称式的，特性阻抗为100Ω的扁平馈线。若没有这种馈线，应选用普通对称式的扁平馈线，但需选用特性阻抗低于300Ω的。馈线的特性阻抗越接近100Ω，天线与馈线之间的匹配越好，电视信号能量的反射损耗也就越小。若选用特性阻抗为300Ω的馈线，由于圆环天线与馈线之间的匹配不良，将使电视信号能量的反射损耗达25％。可见，圆环天线必须选用低特性阻抗的扁平馈线。

由附表可见，在UHF频段，相邻的电视频道之间，中心波长变化不大，因此，一副圆环天线可以复盖许多电视频道。所以可把圆环天线看成是一种宽频带的电视接收天线。

制作圆环天线，可以选用直径为3～5毫米的铝合金管或铜管，也可用铁丝或铅丝。截取所需长度，弯成圆环即可。长度取决于所希望接收的电视频道中心波长。如制作用于接收第13频道的圆环天线，由表1可知，其中心波长λ\(_{0}\)13＝63.29厘米，实用中，圆环天线所需材料的长度1≈1.05λ013＋ 2～3厘米，即1≈66＋ 2～3厘米。其中，2～3厘米是圆环天线插入天线座的长度。由于圆环天线是宽频带天线，如果考虑需要覆盖几个频道（如13－48频道），那么，圆环天线周长l'≈1.05λ\(_{0}\)式中的λ0应是13～48频道的几何中心波长，即λ\(_{0}\)=\(\sqrt{λ}\)013·λ\(_{0}\)48=48.9。因此,圆环天线的周长1'≈1.05λ0=1.05×48.9=51.4(厘米）。而弯制圆环天线所需材料应取 1=51.4＋ 2～3（厘米）。上述圆环天线接馈线的接口宽度W,均可以取为2厘米左右。

圆环天线用作室外天线时，需使圆环所在平面垂直电波传来方向并注意圆环接馈线的接口方向。当接口方向垂直向下时，如图6，该天线等效为两个水平半波天线，此时适用于接收水平极化波。如果圆环天线接馈线的接口水平放置，如图7。圆环平面垂直干电波传来方向、则圆环天线等效为两个垂直半波天线。此时适用于接收垂直极化波。

当圆环天线用作室内天线时，由于水平极化波（或垂直极化波）进入室内之后，经墙壁等等的反射。电波极化方向会发生改变，室内电波极化方向，有水平极化波，也有垂直极化波，甚至电波极化方向与水平面成某一角度倾斜存在。因此，为了获得最强的信号。圆环天线的平面不一定垂直于地面，圆环的接口也不一定平行或垂直于地面，而应使圆环天线的位置可以自由调节。简单的方法是设法把圆环天线固定于电视机的拉杆天线上，依靠拉杆天线的自由旋转和圆环本身的转动实现对圆环天线的调节。此时拉杆天线对接收UHF电视信号不起作用，它仅仅是作圆环天线的支撑杆。（王国强 蔡志莹）