低頻段天線設計與應用！

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，導體的歐姆損耗電阻和接地系統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化為熱能損耗掉了。

窄帶寬：

天線尺寸遠小于波長，導致其具有高 Q 值（品質因數）。

高 Q 值意味著帶寬非常窄（相對帶寬很小）。天線只能在設計頻率附近的很小一個頻率范圍內有效工作。

高電壓/大電流：

為了補償低輻射電阻并產生足夠的輻射功率，天線需要非常大的輸入電流。

同時，為了實現阻抗匹配和調諧，天線結構上（尤其是加載線圈或頂部電容處）會產生非常高的電壓（可達數十萬甚至上百萬伏特）。這對絕緣設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實，實際應用的低頻天線幾乎都是電小天線，通過加載技術來降低物理尺寸要求，但犧牲了效率：

加頂負載單極天線：

在垂直單極天線的頂部安裝一個巨大的水平導線網（頂帽或傘狀結構）。

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線網格構成，覆蓋巨大的面積（數平方公里）。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一個大電感線圈。

原理：電感線圈補償天線因高度不足而產生的容抗，使天線在目標頻率諧振。降低了物理高度要求。

應用：相對較小的 LF/MF 廣播天線、導航臺天線等。

特點：結構相對簡單，效率低于加頂負載天線，線圈損耗是主要問題之一。

T型天線/倒L型天線：

由水平長導線（頂負載）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。

應用：便攜式低頻接收設備、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)射應用受限。
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