電磁波在我們現(xiàn)在生活中應(yīng)用極其廣泛，只要是用到無(wú)線鏈接的，目前電磁波還是最佳的選擇，常常也是唯一的選擇。那么，無(wú)論是電磁波的發(fā)射，還是接收，都離不開(kāi)天線。可以說(shuō)天線是無(wú)線設(shè)備的眼睛，天線的性能是整個(gè)無(wú)線設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵。
如果無(wú)線電天線性能不佳，那么它將限制整個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)或任何使用它的無(wú)線系統(tǒng)的性能。因此，最大化天線的性能非常重要。了解基本的無(wú)線電天線理論將有助于從任何天線系統(tǒng)中獲得最大收益。
深入的天線理論可能會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，但定性和簡(jiǎn)化的理論解釋有助于理解實(shí)際發(fā)生的情況、無(wú)線電天線的工作原理以及如何優(yōu)化它們。這在建立無(wú)線電通信系統(tǒng)或鏈路時(shí)可能是關(guān)鍵。
天線的種類(lèi)多種多樣，應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。今天我們一起學(xué)習(xí)一下天線的基礎(chǔ)理論。
天線是如何工作的
無(wú)線電天線的目的是以射頻交流信號(hào)的形式將施加在其上的功率轉(zhuǎn)換為電磁波。該電磁波能夠穿過(guò)發(fā)射無(wú)線電天線和接收天線之間的空間。在接收端，電磁波從電磁波轉(zhuǎn)換回可應(yīng)用于無(wú)線電接收器輸入的射頻信號(hào)。
以這種方式，無(wú)線電天線能夠向其施加功率，從該功率發(fā)射電磁波形式的信號(hào)。類(lèi)似地，當(dāng)電磁波入射到天線上時(shí)，它會(huì)從電磁波轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，該信號(hào)可以傳送到接收設(shè)備的輸入端。
關(guān)于天線工作方式的基本理論可以用麥克斯韋方程來(lái)解釋。他們?cè)敿?xì)介紹了電流或電荷沿天線移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電磁波的方式。
從更定性的方法來(lái)看天線是如何工作的，可以想象一個(gè)與射頻信號(hào)一致振蕩的點(diǎn)電荷。由于電荷的振蕩，所產(chǎn)生的電場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，這種變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生位移電流。反過(guò)來(lái)，由于安培定律，該電流將產(chǎn)生磁場(chǎng)。
鑒于電荷的振蕩產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，然后產(chǎn)生磁場(chǎng)，它們都一起變化。
應(yīng)用法拉第定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。反過(guò)來(lái)，該電場(chǎng)將再次產(chǎn)生磁場(chǎng)，并重復(fù)該過(guò)程。這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)波構(gòu)成了從原始點(diǎn)電荷向外傳播的電磁波。
原始振蕩點(diǎn)電荷的能量被轉(zhuǎn)換為電磁波的能量——換句話(huà)說(shuō)，進(jìn)入天線的功率被轉(zhuǎn)換為電磁波的能量。還可以看出，是天線上信號(hào)的電流分量產(chǎn)生了輻射的電磁波。
發(fā)送和接收互易
任何無(wú)線電天線的關(guān)鍵方面之一是它是否會(huì)以相同的方式接收和發(fā)射。任何無(wú)源天線，即不使用諸如有源天線之類(lèi)的嵌入式電子電路的天線都將以相同的方式發(fā)射和接收。
它將具有相同的增益、相同的方向圖、極化、相同的阻抗以及發(fā)射和接收的其他方面。
通常使用傳輸信號(hào)的圖像更容易可視化增益和方向圖等因素，但天線在接收時(shí)也將具有相同的增益和方向圖等。
關(guān)鍵天線理論主題
有幾個(gè)基本主題是所有無(wú)線電天線類(lèi)型共有的，它們構(gòu)成了基本天線理論的一部分。
極化： 無(wú)線電天線對(duì)極化很敏感。就像電磁波可以極化一樣，天線也是如此?？梢钥闯?，一些天線的元件是垂直的，而另一些是水平的。這是為了適應(yīng)垂直和水平極化的電磁波。
垂直和水平極化天線接收具有相同極化的電磁波 - 電磁屋檐的極化由包含電場(chǎng)的平面定義。如果波的極化未對(duì)齊，則信號(hào)電平將降低 - 交叉極化天線將不會(huì)接收到另一個(gè)發(fā)射的任何信號(hào)。因此，確保無(wú)線電通信系統(tǒng)中天線的極化相同是很重要的。
除了線性極化，電磁波還可以以圓形方式極化——顯然有兩個(gè)方向，即順時(shí)針和逆時(shí)針。與線極化類(lèi)似，圓極化天線必須具有相同的極化方向才能接收對(duì)方發(fā)射的信號(hào)。
諧振和帶寬： 諧振和帶寬是天線理論的關(guān)鍵問(wèn)題。本質(zhì)上，天線的帶寬是天線在其規(guī)格范圍內(nèi)工作的頻帶。盡管這似乎是一個(gè)模糊的定義，但它實(shí)際上是最有用的定義，因?yàn)樵诓煌膱?chǎng)景中，不同的天線通常有不同的標(biāo)準(zhǔn)。
天線性能的兩個(gè)方面可能會(huì)限制帶寬。一個(gè)是反射功率，另一個(gè)是增益。
由于許多天線作為諧振天線工作，它們只能在有限的頻帶上工作。在這些限制之外，反射功率的水平會(huì)增加，它們可能無(wú)法有效地運(yùn)行。
另一個(gè)常見(jiàn)的限制是增益。許多天線像八木一樣，通常用作電視天線。這些天線在其給定帶寬內(nèi)運(yùn)行良好。在此之外，方向模式將會(huì)改變，并且它們不會(huì)那么有效。
天線的帶寬可能很重要。對(duì)于某些應(yīng)用，需要非常寬的帶寬。例如，電視天線通常需要寬帶寬——不僅傳輸占用相當(dāng)寬的帶寬，更重要的是不同的電視信號(hào)可以在寬頻帶上間隔開(kāi)，并且天線需要能夠接收他們。對(duì)于其他應(yīng)用，例如各種無(wú)線系統(tǒng)，系統(tǒng)可以使用窄帶傳輸在單一頻率上運(yùn)行，并且對(duì)于這些應(yīng)用，天線帶寬可能很窄。
增益和方向性： 天線不會(huì)在所有方向上均等地輻射 - 只有各向同性源在所有方向上均等地輻射，這只是一個(gè)理論實(shí)體。在某些方向上，實(shí)際天線表現(xiàn)出增益，其中可用功率集中在特定方向上，并且它們具有方向圖。方向性和增益的天線理論在許多領(lǐng)域都很重要，無(wú)論是對(duì)于各種無(wú)線系統(tǒng)、無(wú)線電通信還是廣播。
饋電阻抗和匹配： 天線的輸入連接對(duì)其所連接的饋線呈現(xiàn)阻抗。為了獲得最佳功率傳輸源和負(fù)載，應(yīng)匹配。因此，與饋電阻抗相關(guān)的天線理論對(duì)于天線的最佳操作很重要。
與饋電阻抗相關(guān)的因素有很多，并且有多種方法可以確保為任何特定天線獲得良好的饋電和匹配，以確保優(yōu)化其性能。
盡管無(wú)線電天線理論可能看起來(lái)令人生畏，但對(duì)天線工作原理和一些關(guān)鍵概念的實(shí)際理解非常有用。在設(shè)置無(wú)線電通信系統(tǒng)或鏈路時(shí)，甚至對(duì)于安裝廣播接收天線或用于多種應(yīng)用中的任何一種的無(wú)線電天線時(shí)，它都是非常寶貴的。
