漫畫(huà)：天線(xiàn)的工作原理
[導(dǎo)讀]小時(shí)候家里的收音機(jī)、電視機(jī)，都帶著可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸的桿子，大家一定對(duì)這個(gè)可以轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去的桿子記憶猶新，或許也好奇的發(fā)現(xiàn)這個(gè)桿子的長(zhǎng)度與方向和收音機(jī)、電視的接收效果有某種神秘的聯(lián)系。
這根桿子實(shí)際上是伸縮天線(xiàn)(也叫鞭狀天線(xiàn)或者拉桿天線(xiàn))，屬于天線(xiàn)的一種。天線(xiàn)是一種比較常見(jiàn)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于廣播、電視、無(wú)線(xiàn)電通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等領(lǐng)域。所有通過(guò)電磁波傳輸信號(hào)的設(shè)備都得帶著天線(xiàn)。
我們的手機(jī)，也是要有天線(xiàn)，才能接打電話(huà)的。于是有小伙伴好奇，為啥我的手機(jī)沒(méi)有帶著桿子呢?實(shí)際上最初的老式的手機(jī)，大都頂著一根天線(xiàn)。后來(lái)隨著技術(shù)的演進(jìn)，天線(xiàn)藏進(jìn)手機(jī)里面了。 我們經(jīng)常在汽車(chē)尾巴上看到的“小棍”，就是汽車(chē)天線(xiàn)啦! 我們經(jīng)常在樓頂或鐵塔上看到下面這種樣子的設(shè)備，就是無(wú)線(xiàn)電通信中的天線(xiàn)。 前面有的天線(xiàn)是一根桿子，有的天線(xiàn)是一塊板子，其實(shí)還有下面形狀的天線(xiàn)。 我們不禁疑問(wèn)它們真的都是天線(xiàn)嗎??? 天線(xiàn)是什么 天線(xiàn)是能夠有效的向空間某特定方向輻射電磁波或者能夠有效的接收空間某特定方向來(lái)的的電磁波的裝置。
我們用人與人之間的溝通交流來(lái)類(lèi)比，天線(xiàn)就是我們的耳朵與嘴巴，我們通過(guò)嘴巴把聲音轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)出去，聲波在空氣中進(jìn)行傳播，最后被我們的耳朵聽(tīng)到。在通信系統(tǒng)中，天線(xiàn)就起到嘴巴和耳朵的作用，不同的是天線(xiàn)既可以發(fā)送電磁波又可以接收電磁波。
天線(xiàn)的原理 天線(xiàn)把傳輸線(xiàn)上傳播的導(dǎo)行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。導(dǎo)行波是全部或絕大部分電磁能量被約束在有限橫截面內(nèi)沿確定方向傳輸?shù)碾姶挪ā?/span>
我們用火車(chē)旅行進(jìn)行類(lèi)比，乘客好比是電磁波，傳輸線(xiàn)好比是火車(chē)。
乘客上車(chē)后，只能在車(chē)內(nèi)活動(dòng)，乘客隨著火車(chē)的前進(jìn)的方向移動(dòng)，這就好比是導(dǎo)行波，約束在有限橫截面內(nèi)沿確定方向傳輸。
出站后，乘客可以自由活動(dòng)，這就好比是電磁波在自由空間傳播。這里火車(chē)門(mén)就類(lèi)似于天線(xiàn)。 火車(chē)門(mén)既可以用于乘客上車(chē)，也可以用于乘客下車(chē)。
類(lèi)似的，天線(xiàn)既可以用于將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間電磁波，又可以將自由空間的電磁波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波，這就是天線(xiàn)的互易性原理。
天線(xiàn)是怎么將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成自由空間的電磁波呢?
1894年，科學(xué)家波波夫在一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)接收機(jī)檢測(cè)電波的距離比平常有明顯的增加。經(jīng)過(guò)一番探究，波波夫發(fā)現(xiàn)一根導(dǎo)線(xiàn)碰到了金屬屑檢波器。正是這根導(dǎo)線(xiàn)讓實(shí)驗(yàn)距離大大增加。這根導(dǎo)線(xiàn)被認(rèn)為世界上的第一根天線(xiàn)。
波波夫?qū)嶒?yàn)中，導(dǎo)線(xiàn)意外碰到了金屬屑檢波器，無(wú)形中改變了傳輸線(xiàn)的形狀。
按照波波夫這次實(shí)驗(yàn)的思路繼續(xù)研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)隨著傳輸線(xiàn)張角的增大，輻射電磁波越強(qiáng)。后來(lái)又提出了對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)理論，繼而發(fā)展出了各種各樣的天線(xiàn)。
可以看出天線(xiàn)的尺寸與波長(zhǎng)相匹配。
波長(zhǎng)和頻率之間有著密切關(guān)系，光速=頻率×波長(zhǎng)()，從1G到5G，使用的頻率越來(lái)越高，波長(zhǎng)越小，對(duì)應(yīng)天線(xiàn)的尺寸越小，這就是為什么手機(jī)的天線(xiàn)可以藏到手機(jī)里面了。
由于天線(xiàn)理論比較復(fù)雜，此處就不再詳述，如果感興趣可以自行學(xué)習(xí)。
天線(xiàn)的分類(lèi)
為了滿(mǎn)足各種各樣的實(shí)際需求，工程師發(fā)明了各種各樣的天線(xiàn)，前文提到的形態(tài)各異的設(shè)備，真的都是天線(xiàn)，下面給出天線(xiàn)的一個(gè)大致分類(lèi)圖。
天線(xiàn)指標(biāo) 之前小伙伴們發(fā)現(xiàn)天線(xiàn)的長(zhǎng)度方向和收音機(jī)，電視的接收效果有某種聯(lián)系，實(shí)際上我們有意無(wú)意對(duì)收音機(jī)或電視天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，拉伸，改變了天線(xiàn)的參數(shù)，影響了對(duì)電磁波的接收。天線(xiàn)的發(fā)送接收效果的好壞與天線(xiàn)的參數(shù)密切相關(guān)，下面我們介紹天線(xiàn)的一些基本參數(shù)。
1. 工作頻段 天線(xiàn)總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內(nèi)工作，其取決于指標(biāo)的要求。滿(mǎn)足指標(biāo)要求的頻率范圍即為天線(xiàn)的工作頻率。各種無(wú)線(xiàn)制式不同，運(yùn)營(yíng)商使用的頻段也不一樣，需要選擇合適頻段的天線(xiàn)。
2.極化方式 天線(xiàn)的極化就是指天線(xiàn)輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)為垂直極化波;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)為水平極化波。
雙極化天線(xiàn)是由極化彼此正交的兩根天線(xiàn)封裝在同一天線(xiàn)罩中組成的。由于性能原因，兩根天線(xiàn)采用±45度的極化方式。
3. 阻抗 對(duì)于線(xiàn)天線(xiàn)，天線(xiàn)輸入端的電壓與電流的比值稱(chēng)為天線(xiàn)的輸入阻抗。
對(duì)于面天線(xiàn)，則常用饋線(xiàn)上電壓駐波比來(lái)表示天線(xiàn)的阻抗特性。
選擇合適的饋線(xiàn)和阻抗匹配器，保證天線(xiàn)的輸入阻抗與饋線(xiàn)的特性阻抗匹配，使輸入天線(xiàn)或從天線(xiàn)輸出的功率最大。
4. 天線(xiàn)的方向性 天線(xiàn)的方向性是指天線(xiàn)向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線(xiàn)而言，方向性表示天線(xiàn)對(duì)不同方向傳來(lái)的電波所具有的接收能力。天線(xiàn)的方向性的特性曲線(xiàn)通常用方向圖來(lái)表示。
(方向圖可用來(lái)說(shuō)明天線(xiàn)在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣。)
5.波瓣寬度(又稱(chēng)波束寬度或主瓣寬度或半功率角) 波瓣寬度是指在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點(diǎn)間的夾角。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。
6.前后比 前后比是指主瓣最大值與背瓣最大值之比。表明了天線(xiàn)對(duì)背瓣抑制的好壞。
7.增益 天線(xiàn)增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。增益與天線(xiàn)方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線(xiàn)增益是用來(lái)衡量天線(xiàn)朝一個(gè)特定方向輻射電磁波的能力。需要注意的是天線(xiàn)本身不增加所輻射信號(hào)的能量，它只是通過(guò)天線(xiàn)振子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一個(gè)方向。
8.傾角 天線(xiàn)的傾角是指電波的傾角，而并不是天線(xiàn)振子本身機(jī)械上的傾角。傾角反映了天線(xiàn)接收哪個(gè)高度角來(lái)的電波最強(qiáng)。
9.隔離度 天線(xiàn)的隔離度指的是兩根天線(xiàn)或者一根雙極化天線(xiàn)的不相關(guān)性，隔離度參數(shù)合格保證了同扇區(qū)天線(xiàn)分集接收的性能。
10.駐波比 天線(xiàn)駐波比是表示天饋線(xiàn)與基站匹配程度的指標(biāo)。它的產(chǎn)生是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€(xiàn)輸入端后未被全部輻射出去，產(chǎn)生反射波，疊加而成的。
此外天線(xiàn)指標(biāo)還需要關(guān)注天線(xiàn)的下傾方式，以及端口數(shù)，接頭，饋線(xiàn)等。 你都見(jiàn)過(guò)什么形 狀的天線(xiàn)?
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