天线的原理、分类及要求

2021年6月21日 1点热度 0条评论 来源: 迎客松88

一、天线作用和互易性
天线是一种辐射与接收无线电波的装置。
常见的天线有移动基站天线、广播天线、雷达天线、WIFI天线、手机天线等。

天线的作用
1、能量转换:天线主要完成导行波(或高频电流)与自由空间波之间的能量转换,因此称天线为能量转化器。发射天线将导行波转换为自由空间波;接收天线将自由空间波转换成导行波。硬件电路输出的信号以高频电流的形式传输至天线,经过天线变换为自由空间波,将信号以无线电波的形式发射到自由空间中。接收天线将接收到的自由空间波转换高频电流,再通过硬件电路的处理将信号恢复出来。
2、定向辐射:天线具有一定的方向性,一般发射天线尽可能只向需要的方向辐射电磁波,接收天线也只接收指定方向的来波,尽量减小其他方向的干扰和噪音。

天线的互易性
任意类型的天线用作发射和接收时,其阻抗、方向图、极化、有效长度等特性均相同。因此,一般不用单独设计发射和接收天线,可以收发共用一支天线。 例如,路由器天线就是收发共用天线。
以路由器为例,对天线来说,其上行和下行时的性能是没有区别的。我司部分路由器测试中会出现上下行速率有差异的情况,这并非天线造成的,而是和软件处理有关系。
二、天线的辐射原理
导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射。若两导线的距离很近,两导线产生的感应场反向抵消,因而辐射很微弱;将两导线张开,两导线产生的感应电场同向叠加,因而辐射较强。
辐射的能力与导线的长度和形状有关,当导线的长度 L 远小于波长 λ 时,辐射很微弱;导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。导线长度是半波长的整数倍时,天线处于谐振状态,辐射较强。
无线电波频率范围在300MHz~300GHz的无线电波称为微波,微波又细分为不同的波段,不同波段具有不同的传播特性。
无线电波和光波类似,它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。
我们用 C = 3 ∗ 1 0 8 C=3*10^{8} C=3108m/s表示。在媒质中的传播速度为: V = C / ( ε r ) 1 2 V=C/(\varepsilon _{r})^{\frac{1}{2}} V=C/(εr)21 ,式中 ε r \varepsilon _{r} εr 为传播媒质的相对介电常数。
无线电波类似一个池塘上的波纹,在传播时波会逐渐减弱。

图2.1 水波衰减示意
无线电波是一种能量传输形式,在传播过程中,电场和磁场在空间是相互垂直的,同时这两者又
都垂直于传播方向。

图2.2 无线电波传播模型
常用的天线为两臂长度相等的振子叫做对称振子(又称偶极子)。对称振子是一种经典的、最基本的、迄今为止使用最广泛的天线。对称振子可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。单个对称振子可简单地单独立地使用,也可采用多个对称振子组成天线阵。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子(又叫半波偶极子) 。

三、天线分类
为了适应不同用途,有各种不同形式的天线。对这些天线也有不同的分类方法。包括按频段的分类、按用途的分类、按极化方式的分类、按增益的分类等。目前采用较多的是按原理的分类,把天线分为线天线和面天线。线天线是由导线组成的,导线长度比横截面大很多。面天线则由整块金属板或导线栅格组成。

四、天线的基本要求
高效率:
天线作为能量转化器,我们希望它能将输入功率尽可能多地辐射出去,即天线的辐射效率越高越好。
方向性:
很多时候,我们并不需要电磁波能量在整个空间中均匀分布,而只希望在需要的方向有较强的能量,而在不需要的方向能量较弱。这就要求天线具有一定的方向性,将能量辐射到需要的方向上。

    原文作者:迎客松88
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