天線

目錄
·概述
·天線參數(shù)




antenna -- 天線

天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波——或更廣泛來講——電磁波的電子器件。天線應用于廣播和電視、點對點無線電通信、雷達和空間探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。

從物理學上講，天線是一個或多個導體的組合，由它可因施加的交變電壓和相關聯(lián)交變電流而產(chǎn)生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，由于場的感應而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。


概述
基于特定三維（通常指水平或垂直）平面，可以把天線分為兩大基本類型：

全向天線（在平面中均勻輻射）
定向天線（又稱指向天線，在某方向輻射較多）

在自由空間內(nèi)，任何天線都向各個方向輻射能量，但是特定的架構會使天線在某個方向上獲得較大方向性，而其它方向的能量輻射則可以忽略。

通過增加附加導體棒或線圈（稱之為單元）并改變其長度、間距和方位（或者改變天線波束方向），可以制造出擁有既定特性的天線，如八木天線。“天線陣列”或“天線陣”是指相當數(shù)量的有源天線共享源或負載來產(chǎn)生定向的天線輻射方向圖。天線的空間關系通常也會影響其方向性�！坝性磫卧�”是指此天線單元的能量輸出由該單元內(nèi)部的能量源所決定（而不是僅由通過電路的信號能量）或者該單元能量輸出的能量源由信號輸入所控制�！疤炀�引入線”是在信號源和有源天線之間傳輸信號能量的傳導裝置（如傳輸線或饋線）。它由有源天線延伸出來直達源。“天線饋電”則是指有源天線和放大器之間的元件。


天線參數(shù)
影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設計過程中可以進行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。

諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度乘以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。
天線可以在與目標波長成分數(shù)關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

增益

天線設計中，“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi [1]。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關�？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ�”截面形狀，是二維的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

阻抗

“阻抗”類似于光學中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡，或者如伽馬匹配的匹配段。

輻射方向圖

半波雙極子天線輻射方向圖（線性）

半波雙極子天線（同上）增益（dBi）

輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數(shù)個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。

不同的天線供應商/使用者對于方向圖有著不同的標準和制圖格式。

• 通信詞典解釋