天線的基礎(chǔ)原理及種類介紹

天線是無線傳輸必不可少的部分，除了我們用光纖、電纜、網(wǎng)線等傳輸有線信號，只要是在空中使用電磁波傳播的信號，均需要各種形式的天線。

天線的基本原理

天線的基本原理就是高頻電流在其周圍產(chǎn)生變化的電場和磁場，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，“變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場”，這樣不斷激發(fā)下去，就實現(xiàn)了無線信號的傳播。

增益系數(shù)

天線總輸入功率的比值，稱該天線的最大增益系數(shù)。它是比天線方向性系數(shù)更全面的反映天線對總的射頻功率的有效利用程度。并用分貝數(shù)表示?？梢杂脭?shù)學(xué)推證，天線最大增益系數(shù)等于天線方向性系數(shù)和天線效率的乘積。

天線效率

它是指天線輻射出去的功率（即有效地轉(zhuǎn)換電磁波部分的功率）和輸入到天線的有功功率之比。是恒小于1的數(shù)值。

天線極化波

電磁波在空間傳播時，若電場矢量的方向保持固定或按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)，這種電磁波便叫極化波，又稱天線極化波，或偏振波。通常可分為平面極化（包括水平極化和垂直極化）、圓極化和橢圓極化。

極化方向

極化電磁波的電場方向稱為極化方向。

極化面

極化電磁波的極化方向與傳播方向所構(gòu)成的平面稱為極化面。

垂直極化

無線電波的極化，常以大地作為標(biāo)準面。凡是極化面與大地法線面（垂直面）平行的極化波稱為垂直極化波。其電場方向與大地垂直。

水平極化

凡是極化面與大地法線面垂直的極化波稱為水平極化波。其電場方向與大地相平行。

平面極化

如果電磁波的極化方向保持在固定的方向上，稱為平面極化，也稱線極化。在電場平行于大地的分量（水平分量）和垂直于大地表面的分量，其空間振幅具有任意的相對大小，可以得到平面極化。垂直極化和水平極化都是平面極化的特例。

圓極化

當(dāng)無線電波的極化面與大地法線面之間的夾角從0～360°周期的變化，即電場大小不變，方向隨時間變化，電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個圓時，稱為圓極化。在電場的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90°或270°時，可以得到圓極化。圓極化，若極化面隨時間旋轉(zhuǎn)并與電磁波傳播方向成右螺旋關(guān)系，稱右圓極化；反之，若成左螺旋關(guān)系，稱左圓極化。

橢圓極化

若無線電波極化面與大地法線面之間的夾角從0～2π周期地改變，且電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個橢圓時，稱為橢圓極化。當(dāng)電場垂直分量和水平分量的振幅和相位具有任意值時（兩分量相等時例外），均可得到橢圓極化。

長波天線、中波天線

是工作于長波及中波波段的發(fā)射天線或接收天線的統(tǒng)稱。長、中波是以地波和天波傳播的，而天波則連續(xù)反射于電離層和大地之間。根據(jù)此傳播特性，長、中波天線應(yīng)能產(chǎn)生垂直極化的電波。在長、中波天線中，應(yīng)用較廣的的有垂直型、倒L型、T型、傘型垂直接地天線。長、中波天線應(yīng)有良好的地網(wǎng)。長、中波天線存在著許多技術(shù)上的問題，如有效高度小、輻射電阻小、效率低、通頻帶窄、方向性系數(shù)小等。為了解決這些問題，天線結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，非常龐大。

短波天線

工作于短波波段的發(fā)射或接收天線，統(tǒng)稱為短波天線。短波主要是借助于電離層反射的天波傳播的，是現(xiàn)代遠距離無線電通信的重要手段之一。短波天線形式很多，其中應(yīng)用最多的有對稱天線、同相水平天線、倍波天線、角型天線、V型天線、菱形天線、魚骨形天線等。和長波天線比較，短波天線的有效高度大，輻射電阻大，效率高，方向性良好，增益高，通頻帶寬。

超短波天線

工作于超短波波段的發(fā)射和接收天線稱為超短波天線。超短波主要靠空間波傳播。這種天線的形式很多，其中應(yīng)用最多的有八木天線、盤錐形天線、雙錐形天線、“蝙蝠翼”電視發(fā)射天線等 。

微波天線

工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的發(fā)射或接收天線，統(tǒng)稱為微波天線。微波主要靠空間波傳播，為增大通信距離，天線架設(shè)較高。在微波天線中，應(yīng)用較廣的有拋物面天線、喇叭拋物面天線、喇叭天線、透鏡天線、開槽天線、介質(zhì)天線、潛望鏡天線等。

定向天線

定向天線是指在某一個或某幾個特定方向上發(fā)射及接收電磁波特別強，而在其它的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小的一種天線。采用定向發(fā)射天線的目的是增加輻射功率的有效利用率，增加保密性；采用定向接收天線的主要目的是增加抗干擾能力。

不定向天線

在各個方向上均勻輻射或接收電磁波的天線，稱為不定向天線，如小型通信機用的鞭狀天線等。

寬頻帶天線

方向性、阻抗和極化特性在一個很寬的波段內(nèi)幾乎保持不變的天線，稱為寬頻帶天線。早期的寬頻帶天線有菱形天線、V形天線、倍波天線、盤錐形天線等，新的寬頻帶天線有對數(shù)周期天線等。

調(diào)諧天線

僅在一個很窄的頻帶內(nèi)才具有預(yù)定方向性的天線，稱為調(diào)諧天線或稱調(diào)諧的定向天線。通常，調(diào)諧天線僅在它的調(diào)諧頻率附近5%的波段內(nèi)，其方向性才保持不變，而在其它頻率上，方向性變化非常厲害，以致使通信遭到破壞。調(diào)諧天線不適于頻率多變的短波通信。同相水平天線、折合天線、曲折天線等均屬于調(diào)諧天線。

垂直天線

垂直天線是指與地面垂直放置的天線。它有對稱與不對稱兩種形式，而后者應(yīng)用較廣。對稱垂直天線常常是中心饋電的。不對稱垂直天線則在天線底端與地面之間饋電，其最大輻射方向在高度小于1/2波長的情況下，集中在地面方向，故適應(yīng)于廣播。不對稱垂直天線又稱垂直接地天線。

倒L天線

在單根水平導(dǎo)線的一端連接一根垂直引下線而構(gòu)成的天線。因其形狀象英文字母L倒過來，故稱倒L形天線。俄文字母的Γ字正好是英文字母L的倒寫。故稱Γ型天線更方便。它是垂直接地天線的一種形式。為了提高天線的效率，它的水平部分可用幾根導(dǎo)線排在同一水平面上組成，這部分產(chǎn)生的輻射可忽略，產(chǎn)生輻射的是垂直部分。 倒L天線一般用于長波通信。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)方便；缺點是占地面積大、耐久性差。

T形天線

在水平導(dǎo)線的中央，接上一根垂直引下線，形狀象英文字母T，故稱T形天線。它是最常見的一種垂直接地的天線。它的水平部分輻射可忽略，產(chǎn)生輻射的是垂直部分。為了提高效率，水平部分也可用多根導(dǎo)線組成。T形天線的特點與倒L形天線相同。它一般用于長波和中波通信。

傘形天線

在單根垂直導(dǎo)線的頂部，向各個方向引下幾根傾斜的導(dǎo)體，這樣構(gòu)成的天線形狀象張開的雨傘，故稱傘形天線。它也是垂直接地天線的一種形式。其特點和用途與倒L形、T形天線相同。

鞭狀天線

鞭狀天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長度一般為1/4或1/2波長。大多數(shù)鞭狀天線都不用地線而用地網(wǎng)。小型鞭狀天線常利用小型電臺的金屬外殼作地網(wǎng)。有時為了增大鞭狀天線的有效高度，可在鞭狀天線的頂端加一些不大的輻狀葉片或在鞭狀天線的中端加電感等。鞭狀天線可用于小型通信機、步談機、汽車收音機等。

對稱天線

兩部分長度相等而中心斷開并接以饋電的導(dǎo)線，可用作發(fā)射和接收天線，這樣構(gòu)成的天線叫做對稱天線。因為天線有時也稱為振子，所以對稱天線又叫對稱振子，或偶極天線?？傞L度為半個波長的對稱振子，叫做半波振子，也叫做半波偶極天線。它是最基本的單元天線，用得也最廣泛，很多復(fù)雜天線是由它組成的。半波振子結(jié)構(gòu)簡單，饋電方便，在近距離通信中應(yīng)用較多。

籠形天線

是一種寬波段弱定向天線。它是把幾根導(dǎo)線圍成的空心圓柱體代替對稱天線中的單導(dǎo)線輻射體而成的，因其輻射體呈籠形，故稱籠形天線?；\形天線的工作波段寬，易于調(diào)諧。它適應(yīng)于近距離的干線通信。

角形天線

屬于對稱天線的一類，但它的兩臂不排列在一條直線上，而成90°或120°角，故稱角形天線。這種天線一般是水平裝置的，它的方向性是不顯著的。為了得到寬波段特性，角形天線的雙臂也可采用籠形結(jié)構(gòu)，稱角籠形天線。

折合天線

將振子彎折成相互平行的對稱天線稱為折合天線。有雙線折合天線、三線折合天線及多線折合天線幾種形式，彎折時，應(yīng)使各線上各對應(yīng)點的電流同相，從遠處看，整個天線如同一對稱天線。但折合天線與對稱天線比較，輻射增強。輸入阻抗增大，便于與饋線耦合。折合天線是一種調(diào)諧天線，工作頻率較窄。它在短波和超短波波段獲得廣泛應(yīng)用。

V形天線

是由彼此成一角度的兩條導(dǎo)線組成，形狀象英文字母V的一種天線。它的終端可以開路，也可以接有電阻，其電阻的大小等于天線的特性阻抗。V形天線具有單向性，最大發(fā)射方向在分角線方向的垂直平面內(nèi)。它的缺點是效率低、占地面積大。

菱形天線

是一種寬頻帶天線。它由一個水平的菱形懸掛在四根支柱上構(gòu)成，菱形的一只銳角接在饋線上，另一只銳角接一與菱形天線特性阻抗相等的終端電阻。在指向終端電阻方向的垂直平面內(nèi)，具有單向性。

菱形天線的優(yōu)點是增益高、方向性強、使用波段寬、易于架設(shè)和維護；缺點是占地面積大。菱形天線經(jīng)過變形之后，又有雙菱形天線、回授式菱形天線及折式菱形天線三種形式。菱形天線一般用于大中型短波收信電臺。

盤錐形天線

是一種超短波天線。頂部為一圓盤（即輻射體），由同軸線的心線饋電，下面為一圓錐，接同軸線的外導(dǎo)體。圓錐的作用與無限大的地面相似，改變圓錐的傾斜角度，就能改變天線的最大輻射方向。它有極寬的頻帶。

魚骨形天線

魚骨形天線又叫邊射天線，是一種專用短波接收天線。由在兩根集合線上每隔一定距離連接一個對稱振子組成，這些對稱振子都是經(jīng)過一很小的電容器接到集合線上的。在集合線的末端，即對著通信方向的一端，接上一個與集合線特性阻抗相等的電阻，另一端則通過饋線接到接收機上。與菱形天線相比較，魚骨形天線的優(yōu)點是副瓣小（也就是主瓣方向接收能力強，在其它方向接收較弱），各天線之間相互影響小，占地較??；缺點是效率低，安裝和使用均較復(fù)雜。

八木天線

又叫引向天線。它有幾根金屬棒組成，其中一根是輻射器，輻射器后面一根較長的為反射器，前面數(shù)根較短的是引向器。輻射器通常用折迭式半波振子。天線最大輻射方向與引向器的指向相同。八木天線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、輕便堅固、饋電方便；缺點頻帶窄、抗干擾性差。在超短波通信和雷達中應(yīng)用。

扇形天線

它有金屬板式和金屬導(dǎo)線式兩種形式。其中，是扇形金屬板式，是扇形金屬導(dǎo)線式。這種天線由于加大了天線斷面積，所以加寬了天線頻帶。線式扇形天線可以用三根、四根或五根金屬導(dǎo)線。扇形天線用于超短波接收。

雙錐形天線

雙錐形天線由兩個錐頂相對的圓錐體組成，在錐頂饋電。圓錐可以用金屬面、金屬線或金屬網(wǎng)構(gòu)成。正象籠形天線一樣，由于天線的斷面積增大，天線頻帶也隨之加寬。雙錐形天線主要用于超短波接收。

拋物面天線

拋物面天線是一種定向微波天線，由拋物面反射器和輻射器組成，輻射器裝在拋物面反射器的焦點或焦軸上。輻射器發(fā)出的電磁波經(jīng)過拋物面的反射，形成方向性很強的波束。

拋物面反射器由導(dǎo)電性很好的金屬做成，主要有以下四種方式：旋轉(zhuǎn)拋物面、柱形拋物面、割截旋轉(zhuǎn)拋物面及橢圓形邊緣拋物面，最常用的是旋轉(zhuǎn)拋物面和柱形拋物面。輻射器一般采用半波振子、開口波導(dǎo)、開槽波導(dǎo)等。

拋物面天線具有結(jié)構(gòu)簡單、方向性強、工作頻帶較寬等優(yōu)點。缺點是：由于輻射器位于拋物面反射器的電場中，因而反射器對輻射器的反作用大，天線與饋線很難得到良好匹配；背面輻射較大；防護度較差；制作精度高。在微波中繼通信、對流層散射通信、雷達及電視中廣泛應(yīng)用這種天線。

喇叭拋物面天線

喇叭拋物面天線由喇叭和拋物面兩部分組成。拋物面蓋在喇叭上，而喇叭的頂點位于拋物面的焦點上。喇叭是輻射器，它向拋物面輻射電磁波，電磁波經(jīng)過拋物面反射，聚焦成窄波束發(fā)射出去。 喇叭拋物面天線的優(yōu)點是：反射器對輻射器沒有反作用，輻射器對反射電波沒有遮擋作用，天線與饋電裝置匹配較好；背面輻射??；防護度較高；工作頻帶非常寬；結(jié)構(gòu)簡單。喇叭拋物面天線在干線中繼通信中用的很廣泛。

喇叭天線

又稱號角天線。它是由一段均勻波導(dǎo)和一段截面慢慢增大的喇叭狀波導(dǎo)組成。喇叭天線有三種形式：扇形喇叭天線、角錐形喇叭天線及圓錐形喇叭天線。喇叭天線是最常用的微波天線之一，一般用作輻射器。其優(yōu)點是工作頻帶寬；缺點是體積較大，而且就同一口徑來說，它的方向性不及拋物面天線尖銳。

喇叭透鏡天線

由喇叭及裝在喇叭口徑上的透鏡組成，故稱為喇叭透鏡天線。透鏡的原理參見透鏡天線，這種天線具有相當(dāng)寬的工作頻帶，而且比拋物面天線具有更高的防護度，它在波道數(shù)較多的微波干線通信中用得很廣泛。

透鏡天線

在厘米波段，許多光學(xué)原理可以用于天線方面。在光學(xué)中，利用透鏡能使放在透鏡焦點上的點光源輻射出的球面波，經(jīng)過透鏡折射后變?yōu)槠矫娌?。透鏡天線就是利用這一原理制作而成的。它由透鏡和放在透鏡焦點上的輻射器組成。透鏡天線有介質(zhì)減速透鏡天線和金屬加速透鏡天線兩種。透鏡是用低損耗高頻介質(zhì)制成，中間厚，四周薄。從輻射源發(fā)出的球面波經(jīng)過介質(zhì)透鏡時受到減速。所以球面波在透鏡中間部分受到減速的路徑長，在四周部分受到減速的路徑短。因此，球面波經(jīng)過透鏡后就變成平面波，也就是說，輻射變成定向的。 透鏡由許多塊長度不同的金屬板平行放置而成。金屬板垂直于地面，愈靠近中間的金屬板愈短。電波在平行金屬板

中傳播時受到加速。從輻射源發(fā)出的球面波經(jīng)過金屬透鏡時，愈靠近透鏡邊緣，受到加速的路徑愈長，而在中間則受到加速的路徑就短。因此，經(jīng)過金屬透鏡后的球面波就變成平面波。

透鏡天線具有下列優(yōu)點：

1、旁瓣和后瓣小，因而方向圖較好；

2、制造透鏡的精度不高，因而制造比較方便。其缺點是效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。透鏡天線用于微波中繼通信中。

開槽天線

在一塊大的金屬板上開一個或幾個狹窄的槽，用同軸線或波導(dǎo)饋電，這樣構(gòu)成的天線叫做開槽天線，也稱裂縫天線。為了得到單向輻射，金屬板的后面制成空腔，開槽直接由波導(dǎo)饋電。開槽天線結(jié)構(gòu)簡單，沒有凸出部分，因此特別適合在高速飛機上使用。它的缺點是調(diào)諧困難。

介質(zhì)天線

介質(zhì)天線是一根用低損耗高頻介質(zhì)材料（一般用聚苯乙烯）作成的圓棒，它的一端用同軸線或波導(dǎo)饋電。2是同軸線的內(nèi)導(dǎo)體的延伸部分，形成一個振子，用以激發(fā)電磁波；3是同軸線；4是金屬套筒。套筒的作用除夾住介質(zhì)棒外，更主要的是反射電磁波，從而保證由同軸線的內(nèi)導(dǎo)體激勵電磁波，并向介質(zhì)棒的自由端傳播。介質(zhì)天線的優(yōu)點是體積小，方向性尖銳；缺點是介質(zhì)有損耗，因而效率不高。

潛望鏡天線

在微波中繼通信中，天線往往安置在很高的支架上，因此，給天線饋電就得用很長的饋線。饋線過長會產(chǎn)生許多困難，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量損耗大，由于在饋線接頭處的能量反射而引起失真等。為了克服這些困難，可采用一種潛望鏡天線，潛望鏡天線由安置在地面上的下鏡輻射器和安裝在支架上的上鏡反射器組成。下鏡輻射器一般是拋物面天線，上鏡反射器為金屬平板。下鏡輻射器向上發(fā)射電磁波，經(jīng)過金屬平板反射出去。潛望鏡天線的優(yōu)點是能量損耗小、失真小、效率高。主要用于容量不大的微波中繼通信中。

螺旋天線

是一種具有螺旋形狀的天線。它由導(dǎo)電性能良好的金屬螺旋線組成，通常用同軸線饋電，同軸線的心線和螺旋線的一端相連接，同軸線的外導(dǎo)體則和接地的金屬網(wǎng)（或板）相連接。螺旋天線的輻射方向與螺旋線圓周長有關(guān)。當(dāng)螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強的方向垂直于螺旋軸；當(dāng)螺旋線圓周長為一個波長的數(shù)量級時，最強輻射出現(xiàn)在螺旋旋軸方向上。

天線調(diào)諧器

連接發(fā)射機與天線的一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，叫做天線調(diào)諧器。天線輸入阻抗隨頻率而發(fā)生很大的變化，而發(fā)射機輸出阻抗是一定的，若發(fā)射機與天線直接連接，當(dāng)發(fā)射機頻率改變時，發(fā)射機與天線之間阻抗不匹配，就會降低輻射功率。使用天線調(diào)諧器，就能使發(fā)射機與天線之間阻抗匹配，從而使天線在任何頻率上有最大的輻射功率。天線調(diào)諧器廣泛用于地面、車載、艦載及航空短波電臺中。

對數(shù)周期天線

是一種寬頻帶天線，或者說是一種與頻率無關(guān)的天線。其中，是一種簡單的對數(shù)周期天線，它的偶極子長度和間隔符合下列關(guān)系：τ偶極子由一均勻雙線傳輸線來饋電，傳輸線在相鄰偶極子之間要調(diào)換位置。這種天線有一個特點：凡在f頻率上具有的特性，在由τ?f給出的一切頻率上將重復(fù)出現(xiàn)，其中n為整數(shù)。這些頻率畫在對數(shù)尺上都是等間隔的，而周期等于τ的對數(shù)。對數(shù)周期天線之稱即由此而來。對數(shù)周期天線只是周期地重復(fù)輻射圖和阻抗特性。但是這樣結(jié)構(gòu)的天線，若τ不是遠小于1，則它的特性在一個周期內(nèi)的變化是十分小的，因而基本上是與頻率無關(guān)的。 對數(shù)周期天線種類很多，有對數(shù)周期偶極天線和單極天線、對數(shù)周期諧振V形天線、對數(shù)周期螺旋天線等形式，其中最普遍的是對數(shù)周期偶極天線。這些天線廣泛地用于短波及短波以上的波段。