天线的基础知识与无人机实际应用中的相关事项(一)

易瓦特学院2021-11-20 13:51:50

我们都知道无人机的应用中有各种通讯链路,而通讯链路就少不了发射及接收天线。有些天线的常规知识是我们应该了解掌握的,今天我们就来谈谈无线电的基础知识。


在开始讲天线之前,我们必须先讲讲无线电波,无线电波实际上是一种能量的传输形式,在传输过程中既有电场也有磁场,并且磁场和电场在传播空间中是相互垂直的,同时两者又都垂直于电波传播方向。

                 



我们知道了它的基本形式后就要了解它的其他几个概念:

01
无线电波的波长
无线电波传输过程中可理解为以正弦波的形式存在。

02
无线电波的频率

无线电发射机的发射是指由机器内部振荡器产生,再经过多级放大后通过天线将能量发射出去的过程,频率的定义是单位时间内完成振动的次数。那么无线电传播时每秒钟重复波形的数量就是无线电波的频率,使用赫兹(Hz)作为单位,1Hz即表示每秒完成一次周期的变化,当频率很高时我们可以用千赫兹(KHz)、兆(MHz)、(GHz)来作为单位表示,例如早期的遥控器使用40MHZ,72MHZ等,现在普遍使用2.4GHZ。


03
无线电波的传播速度

无线电波和光一样,在真空中的传播速度等于光速(C=300000公里/秒),但不是在真空中传播时传播速度就和传播媒介有关了,不同的传播媒介有着不同的传播特性,这就是介电常数(ε),无线电波在不同媒介中传播的速度是:Vε=C/√ε,真空的介电常数为1,而空气的介电常数略大于1,因此根据公式无线电波在空气中的传播速度略小于光速,但我们通常认为它等于光速。


04
无线电波的波长、频率、与传播速度的关系

λ=V/f

λ是无线电波波长,单位:米、V是无线电波传播速度,单位:米/秒,f是无线电波频率,单位:赫兹


平时我们在选择天线时就要利用这个公式来计算了。理论和实践证明,当天线的长度为无线电信号波长的1/4时,天线的发射和接收转换效率最高。例如,我们平时用的Futaba  fasst频率制式的遥控器,中心频率大概在2.44Ghz,利用以上公式,我们可以算出天线长度为L= λ/4 = 2.99*10^8/2.44*10^9/4 = 30.6mm。所以天线的长度30.6mm,近似认为是31mm。

实际上接收机天线就是同轴电缆,包起来的部分实际上是屏蔽网,裸露在外的部分就是接收信号的天线,天线长度就是裸露在外的部分。长度就是31mm,所以如果你的天线最外段断了,接收机相当于没有天线,而这时你可以把有外皮的部分拨开31mm,就又有同样的接收性能了。


05
无线电波的极化

通过之前的学习我们已经知道了无线电波传播时是会形成相互垂直的电场和磁场,而其中的电场强度的矢端在空间固定点上随时间的变化所描绘的的轨迹,如果在水平方向上变化称为水平极化波,如果只在垂直方向上变化称为垂直极化波,通俗点讲就是电波的电场方向垂直于地面,我们称为垂直极化波,电场方向与地面平行,则称为水平极化波,当然极化方式不止这两种。

通过之前的图片,我们可以看到,电场平面轨迹与振子是平行的,所以我们可以理解为,当天线垂直于地面是称为垂直极化,当天线平行于地面是称为水平极化,垂直极化波需要垂直极化天线接收信号最好,水平极化波用水平极化天线接收时信号最好。


而我们的各种电台在使用时,当地面端和机载端距离很近时,可以不用太考虑极化方向,但当距离比较远时必须考虑极化方向的问题了,比如,当我们将飞机起飞后在近距离升高测试飞行高度时我们应该将机载端天线和地面端天线都水平放置,就可以尽量提高信号质量了,同理,如果我们想测试飞机远距离飞行时就应该将机载端和地面端天线都垂直放置,以达到同极化方向,增加信号接收质量的目的。同理之所以futaba说明书里对接收机的描述里特别强调接收机安装时要将两根天线成90度安装,就是为了飞机在各种姿态飞行时能够总有接近地面遥控器天线的极化方向,尽量确保接收质量。


好了,今天关于天线的基础知识介绍就讲到这里,下一篇文章会跟大家继续讲讲天线的知识以及在无人机方面的应用。