什么是天线?天线由什么组成?

2023-12-08 16:32 派大莘
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天线作为一种用于发送或接收电磁波的装置它也是无线电设备发射与接收的电磁波部件,常常用于通信、广播、雷达、电视、卫星通信等领域。天线的设计取决于其特定的应用和频率范围。


什么是天线?天线由什么组成?

(图源网络,侵删)


1894年俄国科学家波波夫制成一台无线电接收机后,天线随着波波夫无意一个行为被发明了出来,在进行电铃接通实验中,他把一根导线搭在金属屑检波器上,发现信号被传递得更远。此后,无线电天线由此问世!


一、天线的基本原理


天线的基本原理就是高频电流在其周围产生变化的电场和磁场,根据麦克斯韦电磁场理论,“变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场”,这样不断激发下去,就实现了无线信号的传播。


二、天线的主要部分


1. 辐射器(Radiating Element):辐射器是天线的主要部分,负责将电信号转换为电磁波进行辐射或将接收到的电磁波转换为电信号。辐射器的形状和结构取决于天线的类型和用途。

2. 反射器(Reflector):一些天线在辐射器周围放置反射器,以增加辐射的方向性。反射器可以是金属板或网格,通过反射来增强或抑制辐射方向。

3. 馈源(Feed):馈源是天线与电缆或传输线相连接的部分,负责将电信号传送到辐射器或从辐射器接收电信号。馈源的设计对天线的性能有重要影响。

4. 驻波变换器(Matching Network):驻波变换器用于匹配天线和馈源之间的阻抗,以确保最大的能量传输效率。

5. 支撑结构:天线通常需要支撑结构来保持其形状和位置。这些支撑结构可以是金属支撑物或塑料等材料。


什么是天线?

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三、常见天线的类型


天线的类型多种多样,包括偶极天线、单极天线、定向天线、全向天线等,它们在不同的应用中有不同的设计和工作原理。天线有许多种类型,不同类型的天线适用于不同的通信需求和应用场景。以下是一些常见的天线类型:

1. 偶极天线(Dipole Antenna):偶极天线是最简单的天线之一,由两个相等长度的导体组成。它是由德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)在19世纪末实验中首次使用的。

2. 单极天线(Monopole Antenna):单极天线是一种只有一个导体的天线,通常是一个垂直的柱状结构。单极天线是对偶极天线的一种变种。由于地面的存在,单极天线在地面上产生的反射波与正向波相结合,形成一个完整的辐射模式。

3. 定向天线(Directional Antenna):定向天线设计用于在特定方向上具有增强的辐射模式,以提高信号的传输或接收性能。常见的定向天线天线包括各种形式的孔径天线和定向天线。这些天线的发明涉及多个科学家和工程师,其中一些包括弗雷德里克·特尔曼(Frederick Terman)和哈罗德·斯蒂芬·布莱肯(Harald T. Friis)等。

4. 螺旋天线(Helical Antenna):螺旋天线是一种扭曲形状的天线,通常用于微波和卫星通信。它的发明可以追溯到美国工程师哈尔·菲利普·弗拉纳根(Harald Phillips Frana)在二战期间的研究。

5. 射频识别(RFID)天线:用于无线射频识别技术的天线,由于其在物联网(IoT)和识别系统中的广泛应用,得到了广泛的研究和应用。

6. 卫星天线:用于卫星通信的天线,可以是定向的(指向特定卫星)或全向的。

7. 微带天线(Microstrip Antenna):由Roger Harrington和Arun Looyen在20世纪60年代初首次研发,是一种平面结构的天线,常用于微波和无线通信。


四、天线、导波、电磁波之间的联系


天线与导波和电磁波之间存在密切的关系,因为天线用于发送和接收电磁波,而导波是电磁波在导体或波导中传播的形式之一。

1. 电磁波的生成与辐射:天线的主要功能之一是产生或接收电磁波。电磁波是由振荡的电荷(电流)产生的,而天线中的电流在导体中运动时会产生辐射。这种辐射是电磁波的一种形式,它传播到周围的空间中,使得信号能够在空间中传输。

2. 导波与传输线:在一些通信系统中,尤其是微波和毫米波频段,导波也起到重要的作用。导波是电磁波沿着导体或波导传播的方式。传输线,如同轴电缆或微带线,可以用来传输电磁波信号,而天线则用于将信号从传输线中辐射出去或接收从空间中辐射进来的信号。

3. 天线的工作原理:天线是一个将电能转换为电磁波辐射或将接收到的电磁波转换为电能的装置。这涉及到导体中的电流和电场的相互作用。天线的形状和结构决定了其辐射的方向性和频率特性。

4. 辐射模式与导波模式:天线的辐射模式描述了它在空间中辐射电磁波的方式,而导波模式描述了电磁波在导体或波导中传播的方式。这两者直接影响通信系统的性能和特性。

总的来说,天线与导波和电磁波之间的关系是天线作为电磁波传输系统中的重要组成部分而存在的。电磁波通过导体或波导传播,而天线则在空间中产生或接收这些电磁波,实现通信或传输任务。


八木天线图示

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五、天线的其他分类


天线的分类确实可以从多个角度进行。以下是一些常见的天线分类,按照不同的标准:

1. 按波长分:中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线.....

2. 按性能分:高增益天线、中增益天线、低增益天线......

3. 按指向分:全向天线、定向天线、扇区天线......

4. 按用途分:基站天线、电视天线、雷达天线、电台天线......

5. 按结构分:线天线、面天线

6. 按系统类型分:单元天线、天线阵

这些分类主要根据天线的工作频段、性能、指向性、用途、结构和系统类型等因素进行划分。在实际应用中,根据具体的通信需求和环境条件,选择合适类型的天线对系统的性能至关重要。

常见的鞭状天线、抛物面天线、八木天线和通信基站天线在结构和工作原理上有一些区别,主要体现在其用途、指向性和性能方面。

1. 鞭状天线:

   - 结构:鞭状天线是一种直立的细长天线,通常是金属杆或导线。它是一种简单的天线结构。

   - 用途:鞭状天线常用于移动通信设备、车载天线、以及一些无线通信系统中,如Wi-Fi、蓝牙等。

   - 指向性:通常是全向天线,辐射模式呈现360度辐射。

2. 抛物面天线:

   - 结构:抛物面天线由一个碗状的反射器和位于抛物面焦点上的馈源构成。反射器通常是金属碟状结构,而馈源则位于碗底。

   - 用途:常用于卫星通信、微波链路和雷达系统,具有较高的增益和指向性。

   - 指向性:具有较高的指向性,可以通过调整反射器的形状和尺寸来实现不同的辐射模式。

3. 八木天线:

   - 结构:八木天线包含多个平行排列的金属元件,其中一个是馈源,其余的是反射器和驻波器。这些元件的长度和间距经过精心设计。

   - 用途:常用于电视天线和一些通信系统,具有较高的增益和方向性。

   - 指向性:具有较高的指向性,通过调整元件的长度和间距来控制辐射模式。

4. 通信基站天线:

   - 结构:通信基站天线可以是各种类型,包括鞭状天线、抛物面天线、八木天线等,具体取决于应用需求。

   - 用途:用于无线通信基站,包括移动通信、蜂窝网络、微波链路等。

   - 指向性:可以是全向天线,也可以是定向天线,根据网络配置和通信要求。

这些天线类型在设计和应用中有所不同,选择合适的天线类型取决于特定的通信需求、频段要求和空间条件。


天线的类型

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六、什么是极化天线?单极化天线与双极化天线有何区别?


极化天线是指天线辐射或接收电磁波时所使用的电磁场的偏振方向。电磁波是一种横波,其电场和磁场振荡方向垂直于波的传播方向。极化方向描述了电磁场振荡的方向。


单极化天线:

- 单极化天线是指在一个特定的方向上辐射或接收电磁波。

- 常见的单极化有水平极化和垂直极化。例如,天线的振子(辐射器)的朝向可以使得电磁场在水平方向或垂直方向上振荡。

- 在许多应用中,天线通常被设计为单极化,以满足特定通信系统的要求。


双极化天线:

- 双极化天线是指在两个正交的方向上同时辐射或接收电磁波。

- 常见的双极化有水平/垂直双极化、右旋/左旋圆极化等。在这种情况下,天线可以同时支持两种不同方向上的电磁场振荡。

- 双极化天线在一些特定的通信系统中应用广泛,例如,卫星通信系统和无线局域网(WLAN)系统。


区别:

1. 方向:单极化天线只在一个方向上辐射或接收电磁波,而双极化天线可以在两个正交的方向上辐射或接收电磁波。

2. 应用:单极化天线通常用于一些简单的通信系统,而双极化天线更常见于一些对极化要求较高的系统,例如卫星通信或需要抵抗多径传播的系统。

3. 天线设计:双极化天线的设计通常比单极化天线更复杂,因为需要确保在两个方向上的极化性能均匀而稳定。


选择单极化或双极化天线取决于具体的通信需求和环境条件。在某些情况下,双极化天线可以提供更好的性能和抗干扰能力。与天线相关的技术涉及广泛,包括天线设计、调整、优化、测试和与其他通信系统的集成。以下是一些与天线相关的技术:


1. 射频工程(RF Engineering):包括射频电路设计、天线匹配电路设计、无线电频谱分析等,以确保天线与系统的适配和优化。

2. 电磁场模拟和建模:使用计算机辅助设计(CAD)软件进行电磁场模拟,以预测天线的性能、辐射模式和谐振频率。

3. 天线调谐:调整天线的长度、形状或其他参数,以确保在特定频率上获得最佳的性能,提高天线的效率。

4. 天线优化:利用优化算法和方法,如遗传算法或模拟退火算法,对天线进行多参数优化,以满足特定的性能指标。

5. 天线测量:使用天线测试仪器进行天线的实际测量,包括天线增益、谐振频率、极化特性等。

6. 阵列天线技术:将多个天线组合成一个天线阵列,以提高整体性能,实现波束赋形和抗干扰能力。

7. 宽带天线设计:设计能够覆盖多个频率的宽带天线,以适应多频段通信系统。

8. 天线与电路集成:将天线与射频电路紧密集成,以实现更小型化、轻量化的通信设备。

9. 无线通信系统集成:将天线与整个无线通信系统集成,确保天线与其他系统组件的协同工作。

10. 天线阻抗匹配:使用匹配网络等技术,确保天线与射频电路之间的阻抗匹配,最大程度地传输能量。

11. 多天线技术:利用多天线技术,如MIMO(Multiple Input Multiple Output),以提高通信系统的吞吐量和性能。


这些技术通常由电子工程师、射频工程师和通信工程师等专业人员在设计和维护无线通信系统时应用。随着通信技术的不断发展,与天线相关的技术也在不断演进。总的来说,天线作为无线通信系统中至关重要的组成部分,其设计和选择对于系统的性能和可靠性具有重要影响。在不同的通信场景中,根据具体需求选择合适类型的天线,并通过技术手段对其进行优化和调整,是确保通信系统高效运行的关键因素。



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