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水平极化波天线的基本特性及波幅乘方天线
    本发明涉及水平极化波的广播电视等无线电通信设备天线的基础理论定理和波幅乘方接收天线或天线阵。

    水平极化波的广播电视等无线电通信设备的发射天线和接收天线，尤其是电视广播的接收天线。辐射和接收电磁波能量源的有源振子，有半波振子、X形振子、扇形振子等L形有源振子天线；还有半波折合振子、圆环振子、框形振子等O形有源振子天线。中国1985年出版的《无线电爱好者手册(上)》第439页的论文《电波与天线》，其中，提出了“天线的互易特性”理论定理，研究论证了L形半波振子天线的基本特性和基础理论，测试论定的半波振子天线的几何长度2L＝(1-Δ％)λ/2，功率增益比值G_P＝1.64倍，电平增益B_P＝2.15dB；半波折合振子天线的电气长度2L和最大接收功率Pmax的计算公式与半波振子相同，而它的最大感应电压Umax是半振子天线的2倍；圆环振子天线的与两个相距0.27λ半波振子天线等效，功率增益B_P＝3.15dB。现有技术对有源振子天线的论证，为天线的技术设计提供了基础理论依据。由于天线的互易特性定理，是在测试半波振子作为发射天线时的技术参数后，作出缺乏全面论证的理论推导的定理，所以，现有有源振子天线的技术理论和技术参数，是在有源振子作为发射天线时，测试得出的技术参数，然后运用天线的互易特性定理，互易为接收天线的技术参数的理论结果。这种测试互易的方法，在中国杂志《无线电》1983年第5期第16页刊登王国强、蔡志莹编写的《圆环天线》论文中，也有更加明确的论述和记载。天线的互易特性定理出现的片面性，是对有源振子天线的基本特性缺乏全面的认识和论证，如上这种测试互易的方法简便易得，导致这种具有片面性的定理理论延误至今，也是现行水平极化波通信天线的有源振子应用失误的主要原因。尤其是广泛涉及千家万户电视接收机的接收天线，多以O形半波折合振子和圆环振子为主体地应用于接收天线的失误，包括中国专利H01Q96206956.6，同样是以O形有源振子为主体的接收天线。这些O形有源振子接收天线，接收频道信号的功率增益或灵敏度低，影响了电视广播的有效接收距离、有效接收范围和接收信号再现的质重效果，有碍于广播电视等无线电通信向高频段的扩展，并且造成有源振子的原材料倍量地消耗和浪费。因此，现行电视广播通信迫面转向高难度、高消耗的天线放大器、增设差转台和闭路电视有线化的方向发展。

    本发明的目的是要重新认识水平极化波通信天线的基本特性，创新研究有源振子天线的基础理论，纠正天线的互易特性定理和天线理论的片面性，提出对称振子天线的互易与互逆特性理论定义，优化水平极化波通信天线有源振子的设计和应用，研究广播电视天线优化应用的L形对称振子天线、节幅波对称振子接收天线和波幅乘方接收天线，完善水平极化波通信天线的基础理论研究。它能够纠正天线的互易特性定理和天线理论存在的片面性，为天线的优化设计和优化应用提供正确的基础理论依据，提高设计天线辐射和接收电磁波能量的效率，显著地提高接收天线的功率增益，促进广播电视通信沿着无线通信的方向发展。

    本发明是这样实现的：发射天线与接收天线有对称性，即发射天线与接收天线相同时，两种天线的增益系数、方向性系效、特性阻抗等参数，L形有源振子具有相同的互易性，O形有源振子具有负相的互逆性，这种对称性称为天线的互易与互逆特性；O形有源振子，作为发射天线与其作为接收天线时，辐射功率增益BP与最大有效接收功率增益B_P，相互形成发射天线的3.01dB～B_P～-3.01dB的接收天线的互为相反的负相的互逆特性，作为接收天线具有的接收功率地短路中和与输出功率的并联分流中和损耗共存，接收效率37.5％≤η≤50％，是O形有源振子接收天线具有的基本特性；功率增益优化发射天线和接收天线的有源振子，发射天线优选O形圈环振子的辐射功率增益较高，接收天线优选L形对称振子的接收功率增益较高，O形折合振子的辐射功率增益与L形对称振子相同，接收功率增益低于或等于L形对称振子，高于O形圆环振子；L形对称振子，作为发射天线和接收天线的输入功率与输出功率，呈振子开路的电流串联特性，具有天线的互易特性，振子的电气长度、功率增益和方向性，与工作频道低端波长相关，功率增益和方向性受工作频道低端波长制约，半波对称振子的电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为0＜2L≤λ_D/2，金波对称振子的电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为2L＞λ_D/2，振子的方向性与电气长度和工作频道低端波长相关，电气长度2L＞λ_D时，振子出现最大功率增益的方向倾斜；缩短L形对称振子天线的金属导体长度，增加中心馈电接口宽度，保持其电气长度不变，接收频道信号的功率增益系数和方向性系数不变，将L形对称振子双臂的金属导体长度，分截为多节长度相等或不相等的节金属导体，节金属导体之间保持有效量的间距，节金属导体长度左右对称地依序排列成一付L形对称振子整体形式，使每一对称的节金属导体双臂形成一付相对独立的对称振子天线，通过对称振子的节金属导体，将电磁波波长的半波或全波的电场振幅信号能量，划分为不同幅度的波幅信号接收合成，称之为节幅波对称振子接收天线；波幅乘方天线或天线阵单元，是以L形对称振子为基本单元的天线，包括设计量的半波、全波和节幅波对称振子基本单元的组合，基本对称振子单元或节幅波对称振子单元的电气长度相同(或不相同)时，波幅乘方天线接收频道信号的功率增益比值，等于各对称振子单元功率增益比值的乘方(或乘积)，乘方次等于基本对称振子单元或节幅波对称振子单元的总量，各单元对称振子的金属导体长度和电气长度宜相互对称相等，波幅乘方天线的功率增益受其电气长度制约，总电气长度与单元对称振子电气长度和单元量相互制约，总体设计的单元对称振子的最佳电气长度，优化设计在同频段的高频道上为全波对称振子单元或全波的节幅波对称振子单元；与波幅乘方天线相联接的波段识别离合器，可以有识别电感器、识别电容器和合成线路组合。

    O形有源振子的各种形式，是以折合振子为基础的演变，因此，折合振子的基本特性，是O形有源振子具有的共性。可以将折合振子上下两个水平段相同的长度，等效为两个相同的L形对称振子L_A和L_B，左右两个垂直段相同的折合宽度为L_C和L_D，L_A的中心是电压波节点O，L_B的中心是馈电接口间距W。

    作为发射天线时，折合振子对输入辐射功率的高频电流呈并联闭合回路状态，高频电流瞬时的正负值，由等效振子L_B的中心馈电接口W输入，顺沿其双臂导体向两则延伸扩展，分别经L_C和L_D到等效振子L_A的中点O中和为零，在等效振子L_A和L_B的周围，建立起瞬时的电场或磁场。由于等效振子L_A和L_B的输入高频电流瞬时值大小相等，L_A和L_B周围建立起的辐射场电场或磁场的瞬时强度E_A和E_B、或H_A和H_B也相等，即：E_A＝E_B或H_A＝H_B。因此，E_A+E_B＝2E_A或2E_B，H_A+H_B＝2H_A或2H_B。所以，O形折合振子输出的辐射功率是等效振子L_A或L_B的2倍，电平增益B_P＝3.01dB。在振子的输入阻抗相同的条件下，给有源振子输入相同的辐射功率时，O形折合振子的输出辐射功率是L形有源振子的2倍。

    作为接收天线时，折合振子的等效振子L_A和L_B的电气长度相同，特性阻抗也相同，对应接收水平极化波的电场振幅信号，在等效振子L_A和L_B的双臂金属导体上，分别感应生成两个大小相等的感应电动势E_A和E_B，即：E_A＝E_B，或E_A+E_B＝2E_A或2E_E，因此，O形折合振子接收电磁波感应的接收功率是等效振子L_A或L_B的2倍。

    O形折合振子接收功率的短路中和特性与接收功率的最小无效输出功率。在折合振子的等效振子L_A电压波节点O为中心的左右双臂上，感应生成瞬时感应电动势E_A的高频电流正负值。由于电压波节点O是等效振子L_A的左右双臂直接贯通、联结一体的中心点，形成感应电动势EA瞬时值的正负高频电流直接通路的短路导体，因此，等效振子L_A为感应高频电流的短路导体。在等效振子L_A的双臂上，接收电磁波电场振幅信号的感应生成瞬时感应电动势高频电流的正负值，随即流向电压波节点O中和为零，使振子L_A接收功率的输出成为无效输出功率。由于O形折合振子接收电磁波电场振幅信号的感应电动势E_O＝E_A+E_B，所以，O形折合振子接收功率的最小无效输出功率Pmim＝50％。

    O形折合振子接收功率的最大有效输出功率。在折合振子的等效振子L_B的双臂上感应生成瞬时感应电动势E_B的高频电流正负值由中心馈电接口W输出，经馈线传输给接收设备或电视机。因此，由中心馈电接口W输出的接收功率，是O形折合振子接收功率的有效输出功率。当等效振子L_B的接收功率全部由中心馈电接口W输出时，即为O形折合振子接收功率的最大有效输出功率。

    O形折合振子接收天线的最大接收功率增益。在O形折合振子的等效振子L_A和L_B上，感应生成的感应电动势E_A和E_B相等，L_A和L_B上的接收功率P_A和P_B也相等。假如O形折合振子的接收功率等于2W，即：P_A+P_B＝2W时，O形折合振子接收功率的最大有效输出功率，是等效振子L_B的接收功率P_B，由于等效振子L_B的接收功率P_B＝1W，所以，O形折合振子接收功率的最大有效输出功率比为P_B/(P_A+P_B)＝0.5，因此，O形折合振子接收功率的最大有效输出功率增益或最大接收功率增益比值G_P＝0.5，电平增益B_P＝-3.01dB。

    O形折合振子作为发射天线与其作为接收天线时，辐射功率增益B_P与接收功率的最大有效输出功率增益B_P，相互形成两个互为相反的负相的互逆性增益系数，即：发射天线的3.01dB～B_P～-3.01dB的接收天线，这就是O形有源振子天线具有的互逆特性。

    O形折合振子接收天线输出功率的并联分流中和特性。折合振子金属导体几何长度的L_A、L_C和L_D，并联在等效振子L_B的双臂上形成L_A、L_C和L_D的特性阻抗串联后，再与L_B的特性阻抗并联。L_B双臂上感应电动势的高频电流，流向中心馈电接口W输出有效功率的同时，也分别由双臂的外侧端，经L_C和L_D流向L_A到电压波节点O中和为零，形成L_B输出并联的无效功率分流，降低了O形折合振子接收功率的有效功率输出。

    O形折合振子接收功率的短路中和与输出功率并联分流中和损耗共存的特性，是O形有源振子接收天线具有的基本特性。

    O形有源振子天线的接收效率，是接收天线的有效输出功率与接收功率的比值。O形有源振子的接收效率η由下述经验式计算： η = 0 . 375 Ln 2 L a d 0.5 Ln 2 L a d - 0.875 Ln 2 L a d + l n 2 L a d - 2 × 100 % ]]>

    式中，La：等效振子L_A或L_B的电气长度(mm)；

          Lc：折合振子的折合宽度L_C或L_D(mm)；

          d：折合振子导体直径(mm)。

    假设接收天线折合振子的导体直径d＝10mm，折合宽度L_C或L_D＝80mm，设计工作于1频道上的等效振子L_A或L_B的电气长度为2696mm，运用上述经验式计算出折合振子接收效率η≈40.64％，即为该折合振子的有效输出功率是接收功率的0.4064，有效接收电平增益B_P≈-3.91dB。

    O形有源振子天线接收功率的最小有效输出功率或最小接收效率。当O形折合振子天线的折合宽度L_C和L_D均为零时，O形折合振子天线接收功率的有效输出功率最小。由于等效振子L_a与L_b的电气长度相同，它们的特性阻抗也相同，所以，O形折合振子天线的最小有效输出功率是接收功率的0.375，即：O形折合振子接收天线的最小接收效率η_min＝37.5％，最小接收效率时的电平增益B_P＝-4.26dB。

    O形折合振子接收功率的最大有效输出功率，是等效振子L_B的接收功率，等效振子L_B的接收功率与L形对称振子相同。因此，O形折合振子的最大有效接收功率和方向性，与等效振子L_b的电气长度和工作频道低端波长相关，具有与L形对称振子相同的特性。

    L形有源振子的直线形对称振子，与O形有源振子的折合振子和圆环振子，是现行水平极化波通信天线较常用的天线，而圆环振子和折合振子的应用更为广泛。在研究得出O形有源振子具有天线的互逆特性的基础上，结合现有技术有关的基础理论，列出运算经验式，对这三个典型的有源振子天线，分别作为发射天线与其作为接收天线时的功率增益系数作出分析和优化。

    圆环振子辐射场电场强度或接收功率经验计算式： E 0 = Z w P / R π 2 λ ( 0.25 + 1 π 2 ) 3 / 2 ( 1 + k ) , ( V / m ) ]]>式中，Z_w：自由空间波阻抗，其值约为376.819437Ω；

      P：输入振子的辐射功率；

      R：振子的输入阻抗，圆环振子输入阻抗R＝108Ω；

      λ：工作频道中心波长(m)；

      k：磁化率，设取k＝1。

      L形对称振子辐射场电场强度或接收功率经验计算式：式中，L：对称振子单臂电气长度(m)；

      ：测试点与对称振子平面中心的夹角，常取＝90°。

    折合振子辐射场电场强度或接收功率，是运用L形对称振子辐射场电场强度或接收功率经验计算式计算值的2倍。

    以9频道中心波长λ₉＝1.539m为设计技术规格依据，作为发射天线时，分别给L形对称振子、O形折合振子和圆环振子输入辐射功率P＝1W，运用上述经验式计算得出天线的辐射场电场强度为：

    L形对称振子辐射场电场强度E_L≈3.223v/m；

    O形折合振子辐射场电场强度E_U≈3.223v/m；

    O形圆环振子辐射场电场强度E₀≈5.732v/m。

    作为接收天线时，假设接收点电场强度E＝1v/m，运用上述经验式计算得出天线的接收功率P为：

    L形对称振子的接收功率P_L≈0.096276w；

    O形折合振子的接收功率P_U≈0.096276w；

    O形圆环振子的接收功率P_O≈0.030437w。

    上述计算得出的结果，结合O形有源振子接收天线的短路与分流中和的基本特性，作为发射天线时，优选O形圆环振子的辐射功率增益较高；作为接收天线时，优选L形对称振子的接收功率增益较高。O形折合振子作为发射天线的辐射功率增益与L形对称振子相同，作为接收天线的接收功率增益低于或等于L形对称振子，高于O形圆环振子。

    L形对称振子发射天线和接收天线的输入与输出功率，呈振子开路的电流串联传输特性，具有天线的互易特性。

    L形对称振子天线的电气长度、功率增益和方向性，与工作频道低端波长相关。L形对称振子的电气长度设定时，其功率增益和方向性受工作频道低端波长制约。

    当L形对称振子电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为0＜2L＜λ_D/2时，功率增益比值G_P0.5是其电气长度2L的2倍与半波振子电气长度2L的比值的平方，即： G P 0.5 = [ 4 L ( 1 - Δ % ) λ / 2 ] 2 ]]>。

    当L形对称振子电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为2L＝λ_D/2时，功率增益比值G_P0.5的计算与上式相同，功率增益系数达到L形半波对称振子天线的最高值，功率增益比值G_P0.5≈1.94～2.11倍，电平增益B_P0.5≈2.87～3.24dB。

    当L形对称振子电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为λ_D＞2L＞λ_D/2时，功率增益比值G_P，是其电气长度2L的2倍与工作频道低端波长λ_D的比值与L形半波对称振子功率增益比值G_P0.5的乘积，即：G_P＝G_P0.54L/λ_D。

    当L形对称振子电气长度2L与工作频道低端波长λ_D为2L≥λ_D时，功率增益比值G_P是L形半波对称振子功增益比值G_P0.5的平方，即：GP＝G_P⁸_0.5。功率增益系数达到L形对称振子天线的最高值，即功率增益比值G_P≈3.75～4.44倍，电平增益B_P≈5.74～6.47dB。

    L形对称振子电气长度0＜2L≤λ_D/2时，称为半波对称振子天线；2L＞λ_D/2时，称为全波对称振子天线。

    L形对称振子天线的电气长度0＜2L≤λ_D时，与振子轴向相垂直方向上的功率增益最高。

    L形对称振子天线的电气长度2L＞λ_D时，振子的最大功率增益方向出现倾斜，倾斜夹角α，是振子倾斜的轴向与电磁波传播方向之间的角度，是以工作频道低端波长λ_D与电磁波传播方向相平行的波长宽度平行线，将全波对称振子电气长度2L容纳于平行线内为限。振子倾斜的轴向与电磁波传播方向的角度α，可由α经验式计算得出。即：L形对称振子天线的电气长度2L为λ_D＜2L＜2λ_D时，与振子轴向相垂直方向上的功率增益下降，在振子水平方向上，出现前后各两个相互对称的四个功率增益相同的倾斜方向。

    当L形对称振子电气长度2L≥2λ_D时，与振子垂直方向上的功率增益为零，在振子的水平方向上，出现前后各两个相互对称的四个倾斜方向上的功率增益最高。

    L形对称振子接收天线的电气长度与振子的金属导体长度和中心馈电接口宽度相关，电气长度等于金属导体长度与馈电接口宽度之和。同一对称振子，缩短其金属导体长度，增加馈电接口间距，振子的电气长度不变，接收频道信号的功率增益系数和方向性系数也保持不变。

    L形节幅波对称振子接收天线，对天线面言，是将L形半波或全波对称振子双臂金属导体长度，分截为多节长度相等或不相等的金属导体节数，节金属导体之间保持0.5cm～20cm范围的间距，节金属导体长度按照左右对称地依序排列成半波或全波的节幅波对称振子整体形式，使每节对称的金属导体双臂，形成一付相对独立的对称振子天线，一付半波或全波的对称振子天线，是多付电气长度不等的半波或全波对称振子天线的组合整体。对电磁波而言，是将信号波长的半波λ_D/2或全波λ_D的电场振幅，通过振子金属导体节长度，划分为不同幅度的波幅信号接收合成。

    节幅波对称振子电气长度等于节金属导体长度、节金属导体之间的间距与中心馈电接口宽度之和。节幅波对称振子接收频道信号的电平增益B_P是L形对称振子的1.13倍，方向性与L形对称振子相同。

    波幅乘方天线，是一付L形对称振子天线，又是若干半波、全波和节幅波的对称振子基本单元的组合。单元对称振子，是乘方天线的基本对称振子单元，是一付半波或全波的对称振子天线，各个单元又相互构成半波或全波的节幅波对称振子天线，从而组合成一付波幅乘方天线的整体，使一付L形对称振子天线，能够接收信号频道波长的节幅波、半波、全波和倍波的电场振幅信号，以提高天线接收电磁波电场能量源的感应转换。在接收电磁波电场能量时，依据对称振子的电气结构特点，将电磁波电场振幅倍号，划分为电场振幅的节幅波、半波、全波和倍波的理想波幅形态接收的天线，亦称为波幅接收天线。1～n个基本对称振子单元或1～n个节幅波对称振子单元的电气长度相互不相同时，波幅乘方天线接收频道信号的功率增益比值G_P，等于各个对称振子单元或各个节幅波对称振子单元功率增益比值G_P1～n的乘积，即：G_P＝G_P1。G_P2…G_PN；1～n个基本对称振子单元或1～n个节幅波对称振子单元的电气长度相互相同时，波幅乘方天线接收频道信号的功率增益比值G_P，等于单元对称振子功率增益比值G_P1～n的乘方，乘方次等于对称振子单元总量1～n，即G_P＝G_P1、2…n^1～n。波幅乘方天线的方向性，由基本对称振子单元电气长度、或节幅波对称振子单元电气长度与接收频道低端波长决定，因此与L形对称振子天线的方向性相同。波幅乘方天线电气长度的臂长L_a和L_b，等于节金属导体长度L_a1～n和L_b1～n与它们之间的间距K(或为单元对称振子中心馈电接口宽度K或W)之和。

    波幅乘方接收天线各单元对称振子的金属导体长度和电气长度，宜相互对称相等，以使各单元对称振子相互之间构成节幅波对称振子的金属导体长度和电气长度，也相互对称相等。

    波幅乘方接收天线的电气长度与单元对称振子的电气长度和单元量相互制约。波幅乘方接收天线的功率增益与其电气长度相关，又与基本对称振子单元电气长度及单元量相关，还与单元对称振子相互之间构成节幅波对称振子单元电气长度及单元量相关。

    波幅乘方天线总体设计的单元对称振子的最佳电气长度，优化设计在同频段的高频道上为全波对称振子单元或全波的节幅波对称振子单元。

    波幅乘方天线接收信号频道的功率增益，受天线的电气长度和单元对称振子电气长度及单元量制约。在可能的条件下，增加天线的电气长度和基本对称振子单元量，可有效地提高天线接收频道信号的功率增益。

    一付电视接收机使用的波幅乘方天线，设计的电气长度为288cm时，在接收V_L频段信号频道上，为半波和全波的节幅波对称振子天线，功率增益比值G_P≈1.98～3.74倍，电平增益B_P≈2.96～15.73dB。在接收V_H频段信号频道上，为全波的节幅波对称振子平方天线，功率增益比值G_P≈13.02～19.3倍，电平增益B_P≈11.15～13.0dB。在接收U频段信号频道上，为全波对称振子四方天线，功率增益比值G_P≈220.8～334.0倍，电平增益B_P≈23.44～25.0dB。

    任何一座大型的天线阵，都是由众多基本单元有源振子的组合。一付为基本单元的波幅乘方天线电气长度为724cm时，在接收V_L频段信号频道上，为全波的节幅波对称振子平方天线，功率增益比值G_P≈5.79～15.68倍，电平增益B_P≈7.76～12.0dB。在接收V_H频段信号频道上，为半波和全波的节幅波对称振子八方天线，功率增益比值G_P≈91.9～1021倍，电平增益G_P≈19.63～30.09dB。在接收U频段信号频道上，为全波对称振子十六方天线，功率增益比值GP≈2.45×10⁶～1.26×10¹⁰倍，电平增益B_P≈63.89～101.0dB。

    波幅乘方天线的优化设计方法。取波幅乘方天线的电气长度2L＝7m±0.5m时，这个长度大于VHF甚高频V_L频段1频道的低端波长λ_D1＝6.1856m，因此，可以将天线在V_L频段上设计为两个基本对称振子单元的平方天线L_a和L_b。依据在同频段的高频道上为金波对称振子单元的优化设计方法，将两个基本对称振子单元的电气长度L_a和L_b，均设计在V_L频段5频道低端波长λ_D5≈3580mm上，加上两单元对称振子L_La和L_Lb之间的间距W＝80mm，波幅乘方天线的总电气长度2L＝7240mm。

    基本对称振子的单元量优化设计，可以运用设计单元对称振子的电气长度，计算工作频段的高、低频道功率增益及功率增益平均值的方法，进行比较优选确定。

    波幅乘方天线工作在V_L频段上，设计为2单元对称振子的平方天线，单元对称振子V_La和V_Lb的电气长度均为2L＝3580mm，且与V_L频段5频道低端波长λ_D5相等。V_La和V_Lb的中心馈电接口宽度或间距K＝80mm，单臂金属导体长度L_D＝1750mm。工作在V_L频段的1～5频道上为全波对称振子天线单元。

    在V_H频段上，波幅平方天线单元对称振子的单臂金属导体长度L_D＝1750mm，略小于V_H频段6频道低端波长λ_D6＝1796.4mm，大于12频道低端波长λ_D12＝1395.3mm，可以将平方天线单元对称振子的单臂金属导体长度L_D，直接设计为两个对称振子单元。这样的设计，工作在V_H频段上的波幅乘方天线，即成为8个基本对称振子单元总量的八方天线。八方天线的基本对称振子单元的电气长度2L＝855mm，中心馈电接口宽度或间距K，取值K＝40mm，单臂金属导体长度L_D＝407.5mm。工作在6、7频道上为半波对称振子单元，工作在8～12频道上为全波对称振子天线单元。

    在UHF特高频段上，波幅八方天线的单元对称振子单臂金属导体长度L_D＝407.5mm，略小于U频段13频道低端波长λ_D13＝636.9mm，大于68频道低端波长λ_D＝315.8mm，仍可将八方天线单元对称振子的单臂金属导体长度L_D，直接设计为一个对称振子单元。这样的设计，工作在U频段上的波幅乘方天线，即设计成为16个基本对称振子单元总量的十六方天线，十六方天线的基本对称振子单元的电气长度2L＝407.5mm，中心馈电接口宽度或间距K，取值K＝20.375mm，单臂金属导体长度L_D＝190mm。工作在U频段的13～68频道上为全波对称振子单元天线。

    波段识别离合器。与波幅乘方天线相联接的波段识别离合器，是波幅乘方天线接收电磁波感应生成的感生高频电流，通过波段识别离合器的识别、分离、选通与合成，传输给信号接收放大机。波段识别离合器可以有识别选通电感器、识别选通电容器和合成线路组合。

    识别选通高频信号电流的电感器，可以是电感线圈，电感线圈的技术规格参数选取或制作，是以选通频段及其以下频段高频信号电流，及分离和阻隔选通频段以上的高频信号电流为限，识别电感器分离选通频段高频信号电流的最大感抗X_Lmax取值：0＜X_Lmax≤11.359Ω，分离和阻隔选通频段以上的高频信号电流的最小感抗X_Lmin取值：X_min≥14.54Ω。识别选通电感器为空心电感线圈时，电感线圈的匝数、线圈直径和导线截面直径，由下述经验式计算： N = X L 2 πf μ 0 R ( Ln R r 0 - 1.75 ) , ( T ) ]]>式中，f：正弦交流电的频率(HZ)；

      μ_o：真空磁导率，μ_o＝4π×10^-7(H/m)；

      R：空心线圈圆环的半径(m)；

      r_o：线圈导线截面的半径(m)。

    识别选通高频信号电流的电容器的技术规格参数选取或制作，是以选通频段及其以上频段高频信号电流，及分离和阻隔选通频段以下的高频信号电流为限。识别电容器分离和阻隔选通频段以下的高频信号电流的最小容抗X_Cmin取值：X_Cmin＞720Ω，分离选通频段高频信号电流的最大容抗X_Cmax取值：720Ω＜X_Cmax≤950Ω。

    本发明提出的水平极化波对称振子天线的互易与互逆特性理论定义，能够纠正天线的互易特性定理存在的片面性，使有源振子天线具有的基本特性定理得以完善；研究论证的L形有源振子和O形有源振子的对称振子天线，在作为发射天线与其作为接收天线具有的基本特性，为优化设计对称振子天线类形的选用，提供了科学的基础理论依据；对L形对称振子天线的基础研究，能够使L形对称振子天线的基础理论得以返本还原和完善补充，L形对称振子天线的电气长度、功率增益和方向性，受工作频道波长的制约，以及它们之间的相互关系的基础理论研究，是能够以L形对称振子接收天线劣汰O形有源振子接收天线的科学理论为依据，从而提高设计天线的技水性能，实现节省金属导体等原材料消耗达50％以上；研究论证的波幅乘方天线，是L形对称振子天线和节幅波对称振子天线的技术组合，它能够将电磁波电场振幅信号，划分为节幅波、半波、全波或倍波的波幅接收，从而提高天线接收频道信号的接收功率和功率增益，并能够随着接收信号频道的升高，天线的功率增益也相应地提高，这对水平极化波电场能量的传播损耗和高频放大设备电子器件特征频率的影响是有效的补偿，有利于现有的电视广播等无线电通信频率向高频段扩展，还能省去电视接收天线的放大器插入，由此避免造成接收信号频率的失真和引入干扰，并能节省生产天线放大器的大量物资和电能的消耗，促进广播电视等无线电通信事业的迅速发展；研究设计的波段识别离合器，能够识别分离不同频段信号频率的高频信号电流，使一付L形对称振子天线，能够设计成为节幅波、半波、全波和倍波兼容的对称振子乘方天线，实现天线功率增益比值上升的乘方律。

    下面结合附图给出的实施实例对本发明的波幅乘方天线和波段识别离合器作进一步地说明。

    图1是本发明的一座较大型天线阵基本单元电气长度1/2的波幅乘方天线电气结构原理图。

    图2是本发明与波幅乘方天线1/2电气长度相对应联接的波段识别离合器的原理图。

    波幅乘方天线设计为电视频道天线阵的基本单元，占空宽度为7m±0.5m，设计的技术规格为：

    总电气长度2L＝L_a+L_b+W＝7240mm；

    单臂电气长度L＝L_a+W/2＝L_b+w/2＝3620mm；

    金属导体长度L_D≈190mm；

    节导体总量  32节；

    金属导体直径取值范围  d＝10～24mm；

    中心间距W＝80mm；

    中心馈电接口宽度或间距K的取值范围：

    V_L频段  K＝80mm±20mm；

    V_H频段  K＝40mm±20mm；

    U频段   K＝20mm±10mm。

    由于波幅乘方天线以馈电接口或间距W为中心，其左右双臂L_a与L_b的电气长度和技术结构完全对称相同，所以，附图1仅绘出其中一臂的电气长度La，作为说明波幅乘方天线的电气结构和技术结构的实例。

    工作在V_L频段上，波幅乘方天线的节金属导体L_a1～8和L_a0～16，组合为节幅波对称振子单元V_La的双臂。K_a3是节幅波对称振子V_La双臂的中心馈电接口间距，K_a1～7和K_a9～15，分别为双臂节金属导体之间的间距。节幅波对称振子单元V_La与V_Lb组合成节幅波对称振子两个单元的平方天线。

    工作在V_H频段上，波幅乘方天线的节金属导体L_a1、L_a2与L_a3、L_a4，L_a5、L_a6与L_a7、L_a8，L_a9、L_a10与L_a11、L_a12，L_a13、L_a14与L_a15、L_a16，分别组合为4个节幅波对称振子单元的双臂，即：V_HA1、V_Ha2、V_Ha3和V_Ha4的4个单元节幅波对称振子。K_a2、K_a6、K_a10和K_a14，分别为4个节幅波对称振子单元的中心馈电接口间距。K_a1与K_a3，K_a5与K_a7，K_a9与K_a11，K_a18与K_a16，分别为4个节幅波对称振子单元双臂的节金属导体之间的间距。K_a4、K_a8和K_a12，为节幅波对称振子单元之间的间距。L_a与L_b组合的节幅波对称振子单元总量为8单元，所以，波幅乘方天线工作于V_H频段上为8单元节幅波对称振子的八方天线。

    工作在UHF特高频段上，波幅乘方天线的节金属导体L_a1与L_a2，L_a3与L_a4，L_a5与L_a6，L_a7与L_a8，L_a9与L_a10，L_a11与L_a12，L_a13与L_a14，L_a15与L_a16，分别为8个对称振子基本单元的双臂，即La组合为U_a1～8的8个基本对称振子单元。K_a1、K_a3、K_a5、K_a7、K_a9、K_a11、K_a13和K_a15，分别为8个基本对称振子单元的中心馈电接口间距。K_a2、K_a4、K_a6、K_a8、K_a10、K_a13和K_a14，分别为8个基本对称振子单元之间的间距。L_a与L_b的基本对称振子单元总量为16单元，所以，波幅乘方天线工作于U频段上为16单元基本对称振子的十六方天线。

    设计波幅乘方天线阵基本单元天线的功率增益系数列于下表：工  作频  段    天线形式 工  作 频  道          功率增益系数增益比值Gp电平增益Bp  V_LL形节幅波对称振子平方天线    1    5  平均 5.79 15.68 9.68  7.76dB  12.0dB  9.65dB  V_HL形节幅波对称振子八方天线    6    12  平均 91.9 1021 306.3  19.63dB  30.09dB  24.3dB  UL形对称振子十六方天线    13    68  平均 2.45×10⁶ 1.26×10¹⁰ 1.76×10⁸  63.89dB  101.0dB  80.33dB

    附图2给出的波段识别离合器实施实例，与附图1给出的波幅乘方天线阵的基本单元天线相对应。波段识别离合器可以有电感器L、电容器C和合成线路组合。

    识别选通波段高频信号电流的电感器L，可以是空心线圈的电感器。选用空心线圈的电感器L时，绕制频段空心线圈的匝数可以运用经验式N计算得出。采用高强度漆包线绕制，导线直径取值0.4mm～0.6mm范围，线圈直径4mm～6mm范围时，则有：

    识别选通V_L频段及其以下高频信号电流的电感线圈L_L的匝数绕制在4.6T～45T范围；

    识别选通V_H频段及其以下高频信号电流的电感线圈L_H的匝数绕制在1.8T～17.5T范围。

    识别选通波段高频信号电流的电容器C，可以是标准产品系列电容器，也可以是金属导体和绝缘材料制作的电容器件。识别选通V_H频段及其以上高频信号电流的电容器C_H，宜取值容量在C_H＝1.0p～2.4p范围；识别选通U频段及其以上高频信号电流的电容器C_U，宜取值容量在C_U＝0.35p～0.99p范围。

    本发明的波幅乘方天线与波段识别离合器，在作为接收天线时是这样工作的。波幅乘方天线在接收VHF甚高频的V_L频段和V_H频段电磁波电场信号时，波幅乘方天线的V_La和V_Lb为节幅波对称振子平方天线，是对称振子天线在接收空间电磁波电场能量时，依据对称振子天线的电气结构特点，将电磁波波长的电场振幅信号，分为电场振幅波的节幅波、半波、全波和倍波的理想形态方式接收。

    在接收V_L频段1～5频道的电磁波电场振幅信号时，对称振子的节金属导体L_a1～8与L_a9～16、L_b1～8与L_b9～16，分别组合成电气长度相同、左右对称的二付节幅波对称振子V_La和V_Lb天线单元。在节幅波对称振子V_La的双臂L_a1～8和L_{a9～ 16}上，金属导体L_a8与L_a9、L_a7与L_a10、L_a6与L_a11、L_a5与L_a12、L_a4与L_a13、L_a2与L_a14、L_a2与L_a15、L_a1与L_a18，分别构成电气长度不同、馈电接口间距不同、左右对称的8付对称振子天线。金属导体L_a1～16或(L_b1～16)接收电磁波电场振幅信号能量源，感应生成的高频信号电流，分别由波段识别离合器的馈线、识别选通电感器L_L和L_LH，分离取出同臂节金属导体上同向端的V_L频段1～5频道的高频信号电流合成，传输给电视接收机的1～5频道电视信号电流。节幅波对称振子V_La或V_Lb的双臂上，同臂节金属导体上反向端的同频道反相高频信号电流，由于受波段识别离合器的波段识别分离电容器C_HU、C_U和C_H，及波段识别分离电感器L_H的隔离作用，使金属导体上同向端同频道的同相高频信号电流，只能从节金属导体的同向端取出合成输出，而不能从节金属导体的反向端取出同频道的反相高频信号电流，避免造成正负相反的相互抵消合成中和。从而保证了对称振子节金属导体L_a1～18或L_b1～18，分别组合的两付相同的8个对称振子，接收同一频段信号频道波长的电场振幅信号后，由波段识别离合器的识别、分离和选通，取出相同频段的频道信号电流合成，使L_a与L_b组合为V_L频段上的V_La和V_Lb两付相同的节幅波对称振子平方天线。

    在接收V_H频段6～12频道的电磁波电场振幅信号时，节幅波对称振子V_La(或V_Lb)的节金属导体L_a1～4、L_a5～8、L_a9～12和L_a13～16，分别组合为V_Ha1、V_Ha2、V_Ha3和V_Ha4的4付电气长度相同的节幅波对称振子天线单元。V_Ha1的节金属导体L_a2与L_a3、L_a1与L_a4，V_Ha2的节金属导体L_a6与L_a7、L_a5与L_a8，V_Ha3的节金属导体L_a10与L_a11、L_a9与L_a12，V_Ha4的节金属导体L_a14与L_a15、L_a13与L_a16，分别构成电气长度不同、馈电接口间距不同、左右对称的各两付对称振子天线。金属导体L_a1～16(或L_b1～16)接收电磁波电场振幅信号能量源，感应生成的高频信号电流，分别由波段识别离合器的馈线、识别选通电感器L_LH、L_H，及识别选通电容器C_H、C_HU，分离取出各个同一对称振子同臂节金属导体上同向端的V_H频段6～12频道高频信号电流合成，传输给电视接收机的6～12频道电视信号电流。节幅波对称振子V_Ha1、V_Ha2、V_Ha3和V_Ha4的双臂上，同臂节金属导体上反向端的同频道反相高频信号电流，由于受波段识别离合器的波段识别分离电容器C_U及波段识别分离电感器L_L的隔高作用，使金属导体上同向端同频道的同相高频信号电流，只能从同向端取出合成输出，而不能从反向端取出同频道的反相高频信号电流，避免造成正负相反的相互抵消合成中和。从而保证了对称振子节金属导体L_a1～16或L_b1～16，分别组合的8付相同的16个对称振子，接收同一频段信号频道波长的电场振幅信号后，由波段识别离合器的识别、分离和选通，取出相同频段的频道信号电流合成，使L_a与L_b组合为V_Ha1～4和V_Hb1～4的8付相同的节幅波对称振子八方天线。

    在接收U频段13～68频道的电磁波电场振幅信号时，节幅波对称振子V_La(或V_Lb)的节金属导体L_a1与L_a2、L_a3与L_a4、L_a5与L_a6、L_a7与L_a8、L_a9与L_a10、L_a11与L_a12、L_a13与L_a14、L_a15与L_a16，分别组合为U_a1、U_a2、U_a3、U_a4、U_a5、U_a6、U_a7和U_a8的8付电气长度相同的基本对称振子天线单元。金属导体L_a1～16(或L_b1～16)接收电磁波电场振幅信号能量源，感应生成的高频信号电流，分别由波段识别离合器的馈线和识别选通电容器C_U、C_BU，分离取出各个基本对称振子单元的同向臂节金属导体上，同向端的U频段13～68频道的高频信号电流合成，传输给电视接收机的13～68频道电视信号电流。基本单元对称振子U_a1～8的金属导体上，反向端的同频道反相高频信号电流，由于受波段识别离合器的波段识别分离电感器L_H、L_L的隔离作用，使金属导体上同频道的同相高频信号电流，只能从同向端取出合成输出，而不能从金属导体的反向端取出同频道的反相高频信号电流，避免造成正负相反的相互合成中和。从而保证了对称振子节金属导体L_a1～16或L_{b1 ～16}，接收同一频段信号频道波长的电场振幅信号后，由波段识别离合器的识别、分离和选通合成的组合，使L_a与L_b组合为U_a1～8和U_b1～8的16付相同的基本对称振子单元的十六方天线。