天線是如何工作的？為什么有不同類型的天線？

本文原刊登于Ansys Blog：《An Introduction to Common Antenna Designs》

作者：Arien Sligar | Ansys高級首席產(chǎn)品專家

如果您正在手機或是筆記本電腦上閱讀這篇文章，這背后一定有天線的功勞。天線是連接我們生活密不可分的一個組成部分，從電子游戲，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)到探測深空小行星，天線使得這一切成為可能。然而，雖然天線已無處不在，但天線的設(shè)計和應(yīng)用卻千差萬別。

天線是如何工作的？

從簡單的線偶極子天線到多輸入多輸出（MIMO）相控陣，所有天線都做著相同的工作——發(fā)送和接收電磁信號。為了做到這一點，電信號被轉(zhuǎn)換為可傳播的電磁波，然后，信息以特定波長被發(fā)送至空中，由另一個天線在預(yù)期目的地接收和解壓縮。

喇叭天線示例

天線發(fā)送的信號穿透空間，使我們能夠以光速進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。這種無線連接對于各個行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步至關(guān)重要，包括醫(yī)療、航空航天、通信和移動等行業(yè)。隨著天線應(yīng)用的不斷增漲，各種應(yīng)用需要的天線類型也在不斷增加。

為什么有不同類型的天線？

多種因素決定了特定應(yīng)用的最佳天線類型，如覆蓋范圍和可用空間。例如，用于使飛機與控制塔保持聯(lián)系的天線與藍(lán)牙咖啡杯中的天線形式迥然不同。兩者都需要具有全向功能的天線，但飛機需要更大的覆蓋范圍，而咖啡杯只需要一種適用于很小空間內(nèi)的天線。

天線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

帶寬：特定信號的頻率范圍

極化：天線輻射的電場方向

方向性：輻射集中在單個方向的程度

物理空間：天線安裝的空間大小

增益：在最大輻射方向上傳輸?shù)墓β?/p>

效率：天線的輻射功率與其傳輸功率之比

常見天線類型

了解常見天線類型的一般特性，將有助于您為實際應(yīng)用選擇合適的天線。

從左到右的天線類型示例：喇叭天線、縫隙天線、八木天線和矩形貼片天線

半波偶極子天線

半波偶極子基于偶極子天線，后者是由兩根導(dǎo)電棒或?qū)Ь€制成的最簡單的實用天線?！鞍氩ā币辉~是指天線的物理尺寸是工作波長的一半。

由于半波偶極子天線易于設(shè)計和制造，因此十分常見。事實上，幾乎所有的天線都基于這種設(shè)計，它具有干凈的線性極化和旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖。

半波偶極子天線由長度L = l/2的直線導(dǎo)電元件組成，通常在其長度的一半處插入間隙進(jìn)行饋電。雖然它們通常被認(rèn)為是窄帶天線，但增加用于形成天線主體的導(dǎo)線半徑是增加帶寬的有效方法。

PIFA天線

平面倒F（PIFA）天線在手機和幾乎所有電子設(shè)備中都可以找到。這些天線是偶極子的一種變體，制造成本非常低，可以打印成許多變體以實現(xiàn)不同的帶寬，使其成為符合小空間的良好選擇。

喇叭天線

喇叭天線通常用于需要極高方向性的應(yīng)用，如雷達(dá)槍。它們具有相當(dāng)簡單的幾何結(jié)構(gòu)，能夠以較少的損耗處理更高的功率。

喇叭天線由一段波導(dǎo)組成，波導(dǎo)在末端向外張開，結(jié)束于一個開放的孔徑。喇叭的目的是增加天線的方向性并縮小喇叭平面上的波束寬度。

為了形成天線的喇叭，喇叭天線可以只在電場方向（E平面扇形喇叭）、只在磁場方向（H平面扇形喇叭），或在兩個方向（金字塔形喇叭）上張開。

喇叭天線通常都具有甚寬頻帶，在波導(dǎo)的截止頻率以上工作，并輻射出與波導(dǎo)中電場方向相同的線性極化波。

八木宇田天線

八木宇田天線有時簡稱為“八木”天線，由單個偶極子天線組成，在其他未激勵的直線導(dǎo)電元件陣列中工作。這些天線在高方向性的關(guān)鍵應(yīng)用中非常有效，并且經(jīng)常用作電視接收天線。

八木天線中反射器和引向器的確切數(shù)量各不相同，但典型的設(shè)計包括單個“反射器”元件和三個“引向器”元件。反射器元件比偶極子稍長，而引向器元件比偶極子略短。

與具有旋轉(zhuǎn)對稱輻射方向圖的隔離偶極子不同，八木天線具有很強的方向性，其最大輻射指向引向器，遠(yuǎn)離反射器。

像偶極子一樣，八木天線是窄帶天線并具有線性極化，其電場方向與偶極子一致。

縫隙天線

縫隙天線基于與偶極子天線相同的概念，但它們使用了一組不同的電流——磁流而非電流，在飛機的整流罩和電路板上可以找到它們的身影。

縫隙天線由平面導(dǎo)體中的矩形半波長“縫隙”組成。根據(jù)巴比涅原理，其操作類似于半波偶極子天線。輻射場也大致類似于半波偶極子天線的輻射場，但電場和磁場的極化大致互換。

縫隙天線的輻射方向圖近似于偶極子天線，但由于地平面的截斷而產(chǎn)生了輕微的不對稱性?？p隙天線的帶寬隨縫隙的寬度而變化，并且具有線性極化，其電場方向垂直于縫隙的長度。

矩形貼片天線

矩形貼片天線是薄型應(yīng)用最常見的選擇，可打印在平坦的空間上，比如手機。雖然貼片天線的概念很簡單，但它可以輕松修改為在更寬的頻段下工作，增加隔離或在多個頻率上工作。

矩形貼片天線由寬度（W）和長度（L）的矩形導(dǎo)電元件組成，該元件位于厚度（d）和相對介電常數(shù)（er）的介電層板表面，帶有導(dǎo)電背襯。?

貼片天線的輻射是由于貼片下空腔中的場共振而產(chǎn)生的。當(dāng)天線的長度略小于導(dǎo)波長度的一半時，就會產(chǎn)生這種共振，因為貼片兩端的磁場邊緣會使貼片“看起來”比實際長度長。

矩形貼片天線通常由微帶或穿過電介質(zhì)的同軸探針饋電、或通過與諧振腔或其他近似諧振器的耦合進(jìn)行饋電。

為了幫助確定在其項目中使用最佳的天線類型，工程師使用Ansys HFSS等仿真軟件來測試和驗證他們的設(shè)計。無論是衛(wèi)星、PCB還是其他先進(jìn)的高頻電子設(shè)備，仿真都可以顯示不同天線配置的性能。

審核編輯：黃飛

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