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纪念二战时期基辅球员 二战时期连接机尾的那根金属丝是做什么用的

发布时间:2017-08-10 16:35:49 来源:www.mtzmt.com
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原创 2017-01-16 rainflyer1981军武大本营

在1894年,俄国人波波夫在组装电磁波接收机的实验时,无意中发现在检波器上搭接一根金属导线,可以显著提高检波器的接收灵敏度、增强接收能力,通信距离也有明显增加。

而这根导线便成为世界上第一根天线,其实天线的主要工作部分是固态金属导体,那么什么样的导体可赋予天线优异的性能呢?

这里我对常见金属材料电磁性能做一个由高到低排序,

银(Ag)

铜(Cu)

铝(Al)

铁(Fe)

当然也有一些新发明的液体金属,比如镓(Ga)这是鹰酱的最新发明,将镓合金密封于一段绝缘材料中,再通过馈线接驳发射或接收设备就变成了液体天线。

很多朋友问为什么最好的不是金(Au),答案是因为黄金制成天线后,虽然金光灿灿,但电磁性能远不如银、这是通过百余年,工业生产实践验证所得并非本人杜撰。

在俄国人波波夫意外收获的数月后,意大利人马可尼在发射机火花隙的一端连接了一大片金属并将其挂在树上,火花隙的另一端连接在大地上。发信机的发射电波强度增加了数倍,收发距离达数公里。并于1899年成功实现了无线电波跨越英吉利海峡的应用。

(如果你穿越了又想搞无线电,记得一定要拿下此二人。)

插一幅图对此加以说明

上图中标注的同轴电缆,在我们的生活中也是常见的。上世纪八、九十年代广电部推行的家用电视闭路信号线。就是这种线缆与下图中的扁平线缆统称馈线,只不过阻抗值不同罢了。较原始的闭路电视系统中,使用的同轴电缆“特性阻抗”为75欧姆,在无线电领域将这种使用特性阻抗值为75欧姆馈线接驳的电台系统,统称为75系统,扁平线缆特性阻抗为300欧姆。现在与我们日常无线上网(WiFi的俗称)使用的是50系统,即使用50欧姆特性阻抗馈线接驳。

注释:扁平线缆与发射机连接时要通过电子元件减小阻抗才能与发射、接收机相匹配。是这里提到的欧姆值50、75、300,可不是导线在直流电路中的电阻值。

之后天线发展中的另一个突破是由戴柏(Diogenes Dipole)根据跷跷板平衡原理创造的。将一条导线连接在发射机的外壳,另一条导线则连接到发射机的输出端,并把两根导线对称摆开就成为了双偶极天线(Dipole Antenna)

1923年,根据不同重量物体在跷跷板上可通过调整支点达到平衡的原理,科学家发明了温顿天线(Windom Antenna),并于1929年由Loren Windom(W8GZ)将其发表在美国的《QST》杂志。

下图中的老人就是温顿天线的发明者Loren Windom先生。

时间到了第二次世界大战前,随着电子元件的加工能力增强。天线开始慢慢的变小(天线的几何尺寸是由工作频率决定的,而工作频率是由电台的发射、接收频率决定的),二战的电子管大部分工作在十几M赫兹,以15MHz为例,波长20M,天线的有源振子长度基本就要5M左右,为何是5M呢?因有源振子单臂长度一般至少是1/4波长。

注意:如果天线电磁性能不匹配发射机,就会导致高驻波比,不但发射效率低,而且回馈的能量对发射机的电子元件还可能造成伤害。笔者做个说明,假设发射电台的功率为10W,理想状态下通过天线发射出去的功率也应该是10W。而实践中通过天线发射出去的功率是达不到10W的,假设天线的参数要求驻波比必需小于等于1.5,假定天线驻波比参数刚好在1.5那么就会有20%的能量通过馈线回传至发射机,只有80%的能量通过天线发射出去。一旦驻波比大于1.5对不起,电台满负荷长时间使用必会烧毁,必需更换电子元件了。

第二次世界大战中各大参战国的主战飞机,普遍使用了温顿天线,如日本A6M2“零式”战斗机、苏联LaGG-3战斗机、英国MK1“喷火”战斗机、德国Fw190“透明纸”战斗机、意大利MC205“猎狗”战斗机、美国F6F“地狱猫”、P51“野马”战斗机等。而这些天线只能用作飞机间或飞机与地面指挥系统间的通讯工作。

下图中的零式与喷火,还有Me-262座舱后的立杆与机尾间的金属丝就是一根天线,不过很多小伙伴误以为,这是加强飞机机体结构的钢索或方向舵的连接索。

纪念二战时期基辅球员
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20世纪20年代,天线的另一个重要发展是由日本的八木秀次和宇田太郞两人发明了八木天线。八木天线由一个有源振子(一般用折合振子)、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的定向发射天线。八木天线具有很强的方向性,比偶极天线有很高的增益,可用于测向、远距离通信。上世纪八十年代在种花家,很多高层建筑的屋顶曾经辉煌一时的“树枝”便是八木天线

好了既然提到了日本,就不得不说这个故事:1942年2月,正在南洋横行霸道的日军占领了新加坡,在英国人的基地里,发现了2台新型电信电波武器,由铁骨、铜线等组成的装置,上面还标示有“YAGI”字样。日本人大眼瞪小眼,不知道这是个什么秘密武器,作为巨大机密运到东京,日本国内兵器本部的官员和专家们也是大眼瞪小眼,弄不清楚是什么玩意儿,尤其是“YAGI”——到底是啥呢?

一直到战后,日本人才搞清楚,原来这是军用航空雷达装置中的高频率导向性天线,而“YAGI”的真相,更让他们吐血:这是日本电气工程学家八木秀次拿这个天线申请德、英、美国专利时的姓氏“八木”的罗马字黑本式拼音。大约在明治维新前后,美国人传教士黑本创始的按日文假名的读音拼写成罗马字。八拼写成“YA”,木拼写成“GI”。

八木秀次早在1925年12月就将自己发明的高频率导向性天线的理论和技术结构在日本申请了发明专利,翌年又在西方国家申请了专利。若干年后的科学实践证明,有了“八木天线”这项重大发明,才有可能开发出高性能的雷达。但这是“墙内开花墙外香”的故事,当时的日本政府和日本的科学界,对这项发明的价值和重要性完全不理解,相反,西方国家却如获至宝。可以说,这是一个近代版的“乌尔班大炮”。不信你看下图,二战中德国飞机上,就用到了八木天线,不过汉斯将八木天线组成了阵列,提高了索敌距离。

日军二战兽性图片
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20世纪30年代中期,除了上述各种天线之外,还有一种瓦状、平板状或半球状抛物面,加馈源的天线。这类天线拥有较大的电磁波反射面,反射面可以是镂空的网、也可以是一个整体面,加上中等增益的馈源后,却具有很强的方向性和增益。在当时,这类天线主要是用于雷达探测。我们在电影中见到,军舰或雷达站用来探测飞机、船只的雷达天线就是抛物面天线,(262在军武2016年一档节目中就讲到抛物面天线,X、C馈源你还记得吗?),也有的用在舰船上的多单元八木阵列,只因当时的发射频率较低,天线尺寸无法缩小只有舰船一类的大型载具才能搭载抛物面天线,和八木阵列天线。飞机、坦克一类的小型载具只能使用偶极天线或温顿天线,但此类天线又有一定的覆盖盲区,只能用作通讯,若作索敌用途就存在很大的漏洞。我兔自产的空警200预警机,背负的桶装天线就存在覆盖盲区问题,最后被背圆盘的空警2000取代。

为了将电磁信号发射的更远,人类在原抛物面天线的基础上加了一个副反射器制成了卡塞格伦天线。在这里我就不误人子弟了看看下面的示意图更加容易理解。

通过两个两个抛物面的反射将馈源信号发射出去,下面是这款天线的实际运用,大多装配二、三代喷气式战斗机。

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二战中汉斯将多个八木天线,进行一定的间距的排列组成阵列。组团装上JU88做夜间战斗机,当然262本尊也未能幸免;

下图是加装了八木阵列天线的Me262。

科学家们发现既然“团购”有这么多的好处,于是大家都玩起了天线阵列!

德国的JU88使用,不能机械移动的八木阵列改装为夜间战斗机时,鹰酱另辟蹊径,开始玩“锅”了。1944年P-61“黑寡妇”问世,加装天线的办法更加实用、且美观。将抛物面天线装在机头,再加装一个罩子保护起来。

不仅小巧还可以做到,小幅度的机械转动增加索敌范围,其性能自然比不能转动的八木阵列要高大上的多了。

注意:

天线的保护罩材质,要能使电磁波较容易穿透,不然会影响天馈系统的驻波比,进一步降低无线电设备的使用寿命。我在制作天线保护罩时,发现PE(聚乙烯)是目前日常生活中最易获取的。

经过几十年的发展鹰酱将天线技术不断深入发掘,最终诞生了相控阵雷达。

二战苏联对日本妇女
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上图中拆掉整流罩后显露的就是相控阵雷达的天线部分。

下图是一张相控阵的原理图

通过集成电路对每个振子,电磁波发射时间的滞后、提前控制,实现扫描角度的变化,由此简便的电磁扫描、替代了笨拙的机械式扫描,将天线造的更小,使得探测范围更广,距离也更远。

随着计算机电磁仿真技术的普及,小伙伴们现在坐在家里都可以进行天线的虚拟开发了。

下图就是一张计算机电磁仿真计算,战机被雷达照射后,反射、衍射雷达波的情况。

如何评价二战时期苏联军人
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这不仅可以帮助我们的工程师设计飞机的外形,通过计算机分析结果还可以使我们了解,在飞机模型表面覆盖一些什么样的特殊涂装,减低被雷达发现的概率,当然软件的数据库中要预先输入此款涂装的电磁参数值。不过图中这个模型飞机,被发现的几率还是蛮大的。

电磁仿真除了以上用途,还可以帮助小伙伴们自行设计一些简单、实用的天线,比如前文中提到的八木天线,当然也包括双菱天线,四叶草天线及铜片天线等等,如果有较高的加工制作精度的小伙伴,还可以挑战制作属于自己的相控阵,下图就是我申专成功八木天线的一些仿真截图。

很棒吧!注意我做的手工实物是2.4GHz频段(WiFi工作频段),2.4GHz频段也是微波炉的工作频段,所以家用WiFi长期开着并不好,先抛个砖等着各位军武大神们的玉哦!

局座在2016年5月16日的凤凰网节目中也有提及哦。

2.一起了解二战飞机上的天线——机载温顿天线结构及安装方式

3.寻迹二战飞机无线电通信天线-CQ《现代通信》杂志

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