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漫画科普:天线的原理

小时候家里的收音机、电视机,都带着可以灵活转动拉伸的杆子,大家一定对这个可以转来转去的杆子记忆犹新,或许也好奇的发现这个杆子的长度与方向和收音机、电视的接收效果有某种神秘的联系。

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这根杆子实际上是伸缩天线(也叫鞭状天线或者拉杆天线),属于天线的一种。天线是一种比较常见的设备,广泛应用于广播、电视、无线电通信、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等领域。所有通过电磁波传输信号的设备都得带着天线。

我们的手机,也是要有天线,才能接打电话的。于是有小伙伴好奇,为啥我的手机没有带着杆子呢?实际上最初的老式的手机,大都顶着一根天线。后来随着技术的演进,天线藏进手机里面了。

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我们经常在汽车尾巴上看到的“小棍”,就是汽车天线啦!

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我们经常在楼顶或铁塔上看到下面这种样子的设备,就是无线电通信中的天线。

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前面有的天线是一根杆子,有的天线是一块板子,其实还有下面形状的天线。

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我们不禁疑问它们真的都是天线吗???

◆◆天线是什么◆◆

天线是能够有效的向空间某特定方向辐射电磁波或者能够有效的接收空间某特定方向来的的电磁波的装置。

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我们用人与人之间的沟通交流来类比,天线就是我们的耳朵与嘴巴,我们通过嘴巴把声音转换成声波发出去,声波在空气中进行传播,最后被我们的耳朵听到。在通信系统中,天线就起到嘴巴和耳朵的作用,不同的是天线既可以发送电磁波又可以接收电磁波。

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◆◆天线的原理◆◆

天线把传输线上传播的导行波,变换成在自由空间中传播的电磁波,或者进行相反的变换。导行波是全部或绝大部分电磁能量被约束在有限横截面内沿确定方向传输的电磁波。

我们用火车旅行进行类比,乘客好比是电磁波,传输线好比是火车。

乘客上车后,只能在车内活动,乘客随着火车的前进的方向移动,这就好比是导行波,约束在有限横截面内沿确定方向传输。

出站后,乘客可以自由活动,这就好比是电磁波在自由空间传播。这里火车门就类似于天线。

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火车门既可以用于乘客上车,也可以用于乘客下车。

类似的,天线既可以用于将导行波转换为自由空间电磁波,又可以将自由空间的电磁波转换为导行波,这就是天线的互易性原理。

天线是怎么将导行波转换成自由空间的电磁波呢?

1894年,科学家波波夫在一次实验中发现接收机检测电波的距离比平常有明显的增加。经过一番探究,波波夫发现一根导线碰到了金属屑检波器。正是这根导线让实验距离大大增加。这根导线被认为世界上的第一根天线。

波波夫实验中,导线意外碰到了金属屑检波器,无形中改变了传输线的形状。

按照波波夫这次实验的思路继续研究,科学家发现随着传输线张角的增大,辐射电磁波越强。后来又提出了对称振子天线理论,继而发展出了各种各样的天线。

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可以看出天线的尺寸与波长相匹配。

波长和频率之间有着密切关系,光速=频率×波长(),从1G到5G,使用的频率越来越高,波长越小,对应天线的尺寸越小,这就是为什么手机的天线可以藏到手机里面了。

由于天线理论比较复杂,此处就不再详述,如果感兴趣可以自行学习。

◆◆天线的分类◆◆

为了满足各种各样的实际需求,工程师发明了各种各样的天线,前文提到的形态各异的设备,真的都是天线,下面给出天线的一个大致分类图。

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◆◆天线指标◆◆

之前小伙伴们发现天线的长度方向和收音机,电视的接收效果有某种联系,实际上我们有意无意对收音机或电视天线的转动,拉伸,改变了天线的参数,影响了对电磁波的接收。天线的发送接收效果的好坏与天线的参数密切相关,下面我们介绍天线的一些基本参数。

1. 工作频段天线总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作,其取决于指标的要求。满足指标要求的频率范围即为天线的工作频率。各种无线制式不同,运营商使用的频段也不一样,需要选择合适频段的天线。
2.极化方式天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。

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双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的。由于性能原因,两根天线采用±45度的极化方式。

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3. 阻抗对于线天线,天线输入端的电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。

对于面天线,则常用馈线上电压驻波比来表示天线的阻抗特性。

选择合适的馈线和阻抗匹配器,保证天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配,使输入天线或从天线输出的功率最大。

4. 天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言,方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。

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(方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣。)

5.波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)波瓣宽度是指在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低 3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。

6.前后比前后比是指主瓣最大值与背瓣最大值之比。表明了天线对背瓣抑制的好坏。

7.增益天线增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。增益与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向辐射电磁波的能力。需要注意的是天线本身不增加所辐射信号的能量,它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一个方向。

8.倾角天线的倾角是指电波的倾角,而并不是天线振子本身机械上的倾角。倾角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。

9.隔离度天线的隔离度指的是两根天线或者一根双极化天线的不相关性,隔离度参数合格保证了同扇区天线分集接收的性能。

10.驻波比天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去,产生反射波,叠加而成的。

此外天线指标还需要关注天线的下倾方式,以及端口数,接头,馈线等。

你都见过什么形状的天线?

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