低频段天线设计与应用！

发布时间：

2025-07-16 15:00

　在射频工程中，“低频段”通常指的是非常低频和低频，对应的频率范围大致是：

VLF (Very Low Frequency)： 3 kHz - 30 kHz (波长：100 km - 10 km)

LF (Low Frequency)： 30 kHz - 300 kHz (波长：10 km - 1 km)

有时也会将MF (Medium Frequency) 的一部分 (300 kHz - 500 kHz 或 300 kHz - 1 MHz) 也纳入广义的低频讨论范畴，因为它们共享一些相似的特性和挑战。

低频段天线的核心特点
低频段天线设计面临的最大挑战源于其极长的波长：

巨大的物理尺寸：

为了获得合理的辐射效率（达到全尺寸或接近全尺寸），天线需要是波长的一小部分（如 λ/4, λ/2）。

例如，在 100 kHz (λ = 3 km) 时，一个 λ/4 单极天线的高度就需要 750 米！在 10 kHz (λ = 30 km) 时，这个高度将达到惊人的 7.5 公里。

因此，实际建造全尺寸低频天线通常是不切实际的。

低辐射效率：

辐射电阻与电尺寸的平方成正比。波长越长，相同物理尺寸天线的辐射电阻越低。

同时，导体的欧姆损耗电阻和接地系统的损耗电阻相对固定或难以大幅降低。

因此，辐射电阻远小于损耗电阻，导致效率极低（常常只有百分之几甚至更低）。大部分输入功率都转化为热能损耗掉了。

窄带宽：

天线尺寸远小于波长，导致其具有高 Q 值（品质因数）。

高 Q 值意味着带宽非常窄（相对带宽很小）。天线只能在设计频率附近的很小一个频率范围内有效工作。

高电压/大电流：

为了补偿低辐射电阻并产生足够的辐射功率，天线需要非常大的输入电流。

同时，为了实现阻抗匹配和调谐，天线结构上（尤其是加载线圈或顶部电容处）会产生非常高的电压（可达数十万甚至上百万伏特）。这对绝缘设计和安全性提出了极高要求。

低频段天线的常见类型（通常是电小天线）
由于全尺寸天线不现实，实际应用的低频天线几乎都是电小天线，通过加载技术来降低物理尺寸要求，但牺牲了效率：

加顶负载单极天线：

在垂直单极天线的顶部安装一个巨大的水平导线网（顶帽或伞状结构）。

原理：顶帽增加天线的有效电容，减小天线底部的容抗，从而降低所需的加载电感值，并能在一定程度上提高辐射电阻（改善效率）。

应用： VLF/LF 发射站最常见的天线形式。顶帽由支撑塔之间的导线网格构成，覆盖巨大的面积（数平方公里）。垂直塔本身作为辐射体。

特点：效率相对较高（在低频段中），但占地面积巨大，建设成本高昂。

加感线圈单极天线：

在垂直单极天线的中部或底部串联一个大电感线圈。

原理：电感线圈补偿天线因高度不足而产生的容抗，使天线在目标频率谐振。降低了物理高度要求。

应用：相对较小的 LF/MF 广播天线、导航台天线等。

特点：结构相对简单，效率低于加顶负载天线，线圈损耗是主要问题之一。

T型天线/倒L型天线：

由水平长导线（顶负载）和垂直引下线组成。

原理：水平部分提供电容加载，垂直部分提供主要的辐射电流。

应用：历史悠久的 LF/MF 天线形式，常用于船舶、早期广播或军事通信。

特点：架设相对灵活，效率中等，水平部分需要大量空间。

环形天线：

可以是单圈的大环，或多圈的小环。

原理：接收时依靠磁场耦合（磁环天线），发射效率通常极低（除非环非常大）。常用于接收。

应用：便携式低频接收设备、定向探测、磁场强度测量。

特点：具有方向性（零点在环面方向），对电场干扰不敏感，接收信噪比可能较好。发射应用受限。
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