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            天线的基本知识

             
             
             
             
             
             

            天线是一种用来发射或接收无线电波——或更广泛来讲——电磁波的电子器件。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常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。
            天线(英语:antenna)是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。
            概述
            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:
            1. 全向天线(在平面中均匀辐射)
            2. 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用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装置(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元件。
            天线参数
            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
            “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。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
            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[1]。偶极子天线也常用作参考天线(这是由于完美全向参考天线无法制造),这种情况下天线的增益以dBd为单位。
            天线增益是无源现象,天线并不增加激励,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
            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,尖端变细的天线元件(如馈电喇叭中),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
            “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、巴伦、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
            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/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。
            天线的作用与地位
            无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。
            天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

            天线的分类
            * 按用途分类: 可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等;
            * 按工作频段分类: 可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。
            * 按方向性分类: 可分为全向天线、定向天线等;
            * 按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等
            * 按工作性质分类:可分为发射天线和接收天线。
            * 按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线
            一维天线:由许多电线组成,这些电线或者像手机上用到的直线,或者是一些灵巧的形状,就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线。
            二维天线:变化多样,有片状(一块正方形金属)、阵列状(组织好的二维模式的一束片)、喇叭状、碟状。
            * 天线根据使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。
            手持台天线:就是个人使用手持对讲机的天线,常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。
            车载天线:是指原设计安装在车辆上通讯天线,最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。
            基地台天线:在整个通讯系统中具有非常关键的作用,尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线(八环阵天线)、定向天线。


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