我们先来看一下富兰克林天线典型结构如下图所示:
这款发明于1924年的天线,发明家是英国工程师查尔斯·塞缪尔·富兰克林 (Charles Samuel Franklin),专利号是UK242342.
提到富兰克林,大家第一印象就是美国那个雷雨天放风筝玩闪电的美国大科学家,但是这个富兰克林非彼富兰克林,富兰克林天线的发明者是英国的查尔斯·塞缪尔·富兰克林(Charles Samuel Franklin)。是著名的英国广播先驱。富兰克林出生于伦敦,是 13 个家庭中最小的一个,并在西尔瓦努斯·P·汤普森 (Silvanus P. Thompson) 的指导下在英格兰芬斯伯里的芬斯伯里技术学院接受教育。1899 年毕业后,他加入了马可尼公司,在那里度过了他的整个职业生涯。他首先被派往南非为布尔战争提供装备,然后在俄罗斯呆了2年。回到英国后,他发明了许多重要的无线电设备,包括可变电容器、联动调谐、可变耦合、同轴电缆和富兰克林振荡器。今天,富兰克林以他的短波天线富兰克林波束天线而闻名。从1923年和1924年马可尼公司的波尔杜站,他在南大西洋的游艇 Electra 上向 Guglielmo Marconi 发送短波传输。富兰克林还积极参与早期的电视开发。1935 年,受托人将亚历山德拉宫的一部分租给了 BBC,BBC 将其用作新 BBC 电视服务的制作和传输中心。富兰克林设计了它的天线,并于 1936 年从这个网站制作了世界上第一个公开的高清电视广播。”
而今天我们所要介绍的第一个天线专利就是 CS Franklin 在1924年申请的专利,专利号:242232,专利摘要的翻译如下:为了确保与信号波长相比电长的类型的天线具有显着的定向效应,必须采取措施抑制来自沿天线的驻波形成的每个交替半波长的辐射。例如,图 2 显示了沿天线 A 存在的正常条件,信号波长的一倍半,曲线 B 显示了驻波的形成,而辐射的极坐标图则由六个点曲线 C。通过将天线的中心驻波段自身加倍,最终的极曲线被更改为图 3 所示的形式。或者,折返部分可以由等效的电气代替,例如带或不带并联电容器的电感线圈,基本上调谐到基本波长。以这种方式修改的天线越长或越高,方向效应就越明显。本发明可以应用于规范226,246中描述的类型的天线。
我们都知道,专利的描述都不是人来读的,中文专利阅读都吃力,更别说英文的了。我们用人话来解释一下这个天线的设计。
实际上,富兰克林天线是对称阵子天线的一个演变,对称阵子可以看成是一个双导线传输线末端张开构成的,如下图所示:在半波长对称阵子上的电流是等幅同相的,叠加起来,向外辐射电磁波信号。
当我们继续把半波阵子的臂长延长,其电流分布就会如下图所示:我们看到流经两个对称阵子臂的电流存在等幅反向,就会相互抵消,这样,天线的辐射就很小。
那怎么办呢?一百多年前,富兰克林给出了解决方案:就是将具有反向电流的线段折叠起来,形成两端四分之一波长的电流大小相同,相位相反,让它自己电流进行相互抵消不辐射能量,这样剩下的具有相同电流的部分 就可以叠加,实现更高增益的天线性能,如下图所示。这些折叠起来的部分,又叫做反相器,也可以用集成线圈来实现。
这样同向的天线臂就组成了一个串馈天线阵。这个一举两得的做法简直天才,既提高了天线的增益,又有效缩小了天线的体积。这个就是富兰克林天线的由来。
富兰克林天线一般采用中馈的方式进行馈电,也可以采用底馈的方式进行馈电,如下图所示。底馈就是在中馈电下面加反射板,类似于对称阵子和单极子天线的关系。
中馈电
底馈电