天線的原理詳解

小時候家里的收音機、電視機，都帶著可以靈活轉(zhuǎn)動拉伸的桿子，大家一定對這個可以轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去的桿子記憶猶新，或許也好奇的發(fā)現(xiàn)這個桿子的長度與方向和收音機、電視的接收效果有某種神秘的聯(lián)系。

這根桿子實際上是伸縮天線(也叫鞭狀天線或者拉桿天線)，屬于天線的一種。天線是一種比較常見的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于廣播、電視、無線電通信、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等領(lǐng)域。所有通過電磁波傳輸信號的設(shè)備都得帶著天線。

我們的手機，也是要有天線，才能接打電話的。于是有小伙伴好奇，為啥我的手機沒有帶著桿子呢?實際上最初的老式的手機，大都頂著一根天線。后來隨著技術(shù)的演進，天線藏進手機里面了。

我們經(jīng)常在汽車尾巴上看到的“小棍”，就是汽車天線啦!

我們經(jīng)常在樓頂或鐵塔上看到下面這種樣子的設(shè)備，就是無線電通信中的天線。

前面有的天線是一根桿子，有的天線是一塊板子，其實還有下面形狀的天線。

我們不禁疑問它們真的都是天線嗎???

◆◆天線是什么◆◆

天線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的的電磁波的裝置。

我們用人與人之間的溝通交流來類比，天線就是我們的耳朵與嘴巴，我們通過嘴巴把聲音轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)出去，聲波在空氣中進行傳播，最后被我們的耳朵聽到。在通信系統(tǒng)中，天線就起到嘴巴和耳朵的作用，不同的是天線既可以發(fā)送電磁波又可以接收電磁波。

◆◆天線的原理◆◆

天線把傳輸線上傳播的導(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>

我們用火車旅行進行類比，乘客好比是電磁波，傳輸線好比是火車。

乘客上車后，只能在車內(nèi)活動，乘客隨著火車的前進的方向移動，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，這就好比是電磁波在自由空間傳播。這里火車門就類似于天線。

火車門既可以用于乘客上車，也可以用于乘客下車。

類似的，天線既可以用于將導(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，這就是天線的互易性原理。

天線是怎么將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成自由空間的電磁波呢?

1894年，科學家波波夫在一次實驗中發(fā)現(xiàn)接收機檢測電波的距離比平常有明顯的增加。經(jīng)過一番探究，波波夫發(fā)現(xiàn)一根導(dǎo)線碰到了金屬屑檢波器。正是這根導(dǎo)線讓實驗距離大大增加。這根導(dǎo)線被認為世界上的第一根天線。

波波夫?qū)嶒炛?，?dǎo)線意外碰到了金屬屑檢波器，無形中改變了傳輸線的形狀。

按照波波夫這次實驗的思路繼續(xù)研究，科學家發(fā)現(xiàn)隨著傳輸線張角的增大，輻射電磁波越強。后來又提出了對稱振子天線理論，繼而發(fā)展出了各種各樣的天線。

可以看出天線的尺寸與波長相匹配。

波長和頻率之間有著密切關(guān)系，光速=頻率×波長()，從1G到5G，使用的頻率越來越高，波長越小，對應(yīng)天線的尺寸越小，這就是為什么手機的天線可以藏到手機里面了。

由于天線理論比較復(fù)雜，此處就不再詳述，如果感興趣可以自行學習。

◆◆天線的分類◆◆

為了滿足各種各樣的實際需求，工程師發(fā)明了各種各樣的天線，前文提到的形態(tài)各異的設(shè)備，真的都是天線，下面給出天線的一個大致分類圖。

◆◆天線指標◆◆

之前小伙伴們發(fā)現(xiàn)天線的長度方向和收音機，電視的接收效果有某種聯(lián)系，實際上我們有意無意對收音機或電視天線的轉(zhuǎn)動，拉伸，改變了天線的參數(shù)，影響了對電磁波的接收。天線的發(fā)送接收效果的好壞與天線的參數(shù)密切相關(guān)，下面我們介紹天線的一些基本參數(shù)。

1. 工作頻段

天線總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內(nèi)工作，其取決于指標的要求。滿足指標要求的頻率范圍即為天線的工作頻率。各種無線制式不同，運營商使用的頻段也不一樣，需要選擇合適頻段的天線。

2.極化方式

天線的極化就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波;當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。

雙極化天線是由極化彼此正交的兩根天線封裝在同一天線罩中組成的。由于性能原因，兩根天線采用±45度的極化方式。

3. 阻抗

對于線天線，天線輸入端的電壓與電流的比值稱為天線的輸入阻抗。

對于面天線，則常用饋線上電壓駐波比來表示天線的阻抗特性。

選擇合適的饋線和阻抗匹配器，保證天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗匹配，使輸入天線或從天線輸出的功率最大。

4. 天線的方向性

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示。

(方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。)

5.波瓣寬度(又稱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)，輻射強度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點間的夾角。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。

6.前后比

前后比是指主瓣最大值與背瓣最大值之比。表明了天線對背瓣抑制的好壞。

7.增益

天線增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。增益與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向輻射電磁波的能力。需要注意的是天線本身不增加所輻射信號的能量，它只是通過天線振子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一個方向。

8.傾角

天線的傾角是指電波的傾角，而并不是天線振子本身機械上的傾角。傾角反映了天線接收哪個高度角來的電波最強。

9.隔離度

天線的隔離度指的是兩根天線或者一根雙極化天線的不相關(guān)性，隔離度參數(shù)合格保證了同扇區(qū)天線分集接收的性能。

10.駐波比

天線駐波比是表示天饋線與基站匹配程度的指標。它的產(chǎn)生是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端后未被全部輻射出去，產(chǎn)生反射波，疊加而成的。

此外天線指標還需要關(guān)注天線的下傾方式，以及端口數(shù)，接頭，饋線等。

你都見過什么形狀的天線?