天线
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 在移动通信基站顶部有多个平板天线 | |
| 工作 | 电磁辐射 |
|---|---|
| 发明 | 海因里希·赫兹（1888年） |
| 电子符号 | |
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天线是一种用来发射或接收无线电波的设备。在工程学中，天线是在空间中导体内的电子运动及传播的无线电波之间的介质。[1]在传输中，发送器会在天在线施加电流，施加的时变电压或时变电流而产生辐射的电磁场，使得电流的能量转变成无线电波。在接收时，天线会由于电场的感应，而在天线内部产生时变电流，并在其终端产生时变电压，产生电信号经过处理之后，可以在接收器中观察或收听。天线被广泛应用于广播、点对点无线电通信、雷达和太空探索等通信系统。天线是无线电通信系统中的必需组件。[2]
从物理学上，天线是一个或多个导体的组合，典型的材料是半导体或是金属。天线通常连接到无线电发送器或收信机，以全向或者定向的方式来发射或接收无线电波，作为引导无线电波方向的组件。天线的长度也会决定特性，当天线的长度远小于无线电波中的半波长下，很难有较强的效率和指向性。天线的运作场景不定，可以在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。[3]
概述
[编辑]基于特定三维（通常指水平或垂直）平面，可以把天线分为两大基本类型：
- 全向天线（在平面中均匀辐射）
- 定向天线（又称指向天线，在某方向辐射较多）
在自由空间内，任何天线都向各个方向辐射能量，但是特定的架构会使天线在某个方向上获得较大方向性，而其它方向的能量辐射则可以忽略。
通过增加附加导体棒或线圈（称之为单元）并改变其长度、间距和方位（或者改变天线波束方向），可以制造出拥有既定特性的天线，如八木天线。“天线阵列”或“天线阵”是指相当数量的有源天线共享源或负载来产生定向的天线辐射方向图。天线的空间关系通常也会影响其方向性。“有源单元”是指此天线单元的能量输出由该单元内部的能量源所决定（而不是仅由通过电路的信号能量）或者该单元能量输出的能量源由信号输入所控制。“天线引入线”是在信号源和有源天线之间传输信号能量的传导设备（如传输线或馈线）。它由有源天线延伸出来直达源。“天线馈电”则是指有源天线和放大器之间的组件。
互能性
[编辑]具有互能性的天线的电学特性在不论是发射或者接收状态下，包舍发射功率、辐射方向图、阻抗、带宽、增益、谐振频率及偏振是相同的。[4] [5]例如，八木天线在发射及接受无线电波时，它的指向性是相同的。因此，为了方便沟通，描述天线的特性时通常不会提及发射或接收状态。
具互能性的天线是线性的，并由有双向性（bilateral）的物料制成。双向性指一个方向的电流或磁场的扰动与对相反方向的场或电流的扰动相同。多数制成天线的材料也具有互能性。一部分的微波天线属于例外，它们由非典型的材料制成，例如绝缘体和环形器，包含诸如铁氧体的单向性的材料，令它们不具有互能性。
天线谐振
[编辑]谐振是电子在电容率变化的表面上，产生反射的现象，天线依赖谐振以处理信号。在天在线，反射表面是由导体的末端产生的，通常是金属线或金属棒的末端。在最简单的情况下，它的一端有馈电点，连接到接收机和收发机。导体与所需信号的电场对齐，令它垂直于从天线到源（或广播天线情况下的接收器）的线。
天线参数
[编辑]影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。
谐振频率
[编辑]“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比值。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。
天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。
增益
[编辑]天线设计中，“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi[6]。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于球对称的完美全向参考天线无法制造，根本原因是电磁波在真空中是无色散的横波，分别对应光子静质量为0和自旋为1的性质），这种情况下天线的增益以dBd为单位。
天线增益是无源现象，天线并不增加功率，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。
碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。
“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。
带宽
[编辑]天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线组件（如号角形馈电器中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。
阻抗
[编辑]“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。
天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、换衡器、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。
辐射方向图
[编辑]
辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。
不同的天线供应商与用户对于方向图有着不同的标准和制图格式。
参阅
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ F. Graf, Rudolf. Modern Dictionary of Electronics. Elsevier Science. 1999: 29 [2022-03-02]. ISBN 978-0750698665. （原始内容存档于2022-03-19）.
- ^ MARAL, Cristiano. Guia Moderno do Radioescuta. Brasília. 2021. ISBN 978-65-00-20800-9.
- ^ 李嘉. 郭成超， 王复明， 张景伟. 探地雷达应用概述 (PDF). 地球物理学进展. 2007, 22 (2): 629 - 637 [2022-03-06]. （原始内容 (PDF)存档于2022-03-06）.
- ^ Lonngren, Karl Erik; Sava V., Savov; Randy J., Jost. Fundamentals of Electomagnetics With Matlab. SciTech Publishing. 2007: 451 [2022-03-02]. ISBN 978-1891121586. （原始内容存档于2022-03-02）.
- ^ Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. Antenna Theory and Design. John Wiley & Sons. 2012: 560 – 564 [2022-03-02]. ISBN 978-0470576649. （原始内容存档于2022-03-02）.
- ^ Marc's Technical Pages: Antenna Gain Explained. [2006-08-05]. （原始内容存档于2006-07-18）.
