天線背后的科學(xué)

天線廣泛用于電信領(lǐng)域，我們知道它們有許多應(yīng)用。天線接收電磁波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或者接收電信號(hào)并將其作為電磁波輻射。在本文中，我們將研究天線背后的科學(xué)。

波動(dòng)電磁場(chǎng)與輻射電磁場(chǎng)的區(qū)別

我們有電信號(hào)，那么我們?nèi)绾螌⑵滢D(zhuǎn)換為電磁波呢？您可能會(huì)想到一個(gè)簡(jiǎn)單的答案。也就是說(shuō)，使用閉合導(dǎo)體，并借助電磁感應(yīng)原理，您將能夠產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)和圍繞它的電場(chǎng)，如圖1A所示。但是，源周圍的這種波動(dòng)場(chǎng)在傳輸信號(hào)時(shí)沒(méi)有用。這里的電磁場(chǎng)不傳播；相反，它只是圍繞源波動(dòng)。在天線中，電磁波需要與源分開，并且它們應(yīng)該傳播（圖：1B）。在研究天線的制造方法之前，讓我們了解波分離背后的物理原理。

振蕩偶極子和輻射背后的物理學(xué)

考慮一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷分開放置。這種布置被稱為偶極子，并且它們顯然會(huì)產(chǎn)生如圖2A所示的電場(chǎng)?，F(xiàn)在，假設(shè)這些電荷正在振蕩，如圖2B所示。在其路徑的中點(diǎn)，速度將為最大，而在其路徑的末端，速度將為零。由于該速度變化，帶電粒子經(jīng)歷連續(xù)的加速和減速。

1. t = 0時(shí)的電場(chǎng)線

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找出電場(chǎng)由于這種運(yùn)動(dòng)而如何變化。讓我們只關(guān)注一條電場(chǎng)線（圖3）。

圖：3電場(chǎng)在t = 0處顯示

2.在t = T / 8處的電場(chǎng)線

在零個(gè)時(shí)間段形成的波前擴(kuò)展并在一個(gè)時(shí)間段的八分之一后如圖所示變形（圖4A）。這令人驚訝；您可能已經(jīng)預(yù)料到一個(gè)簡(jiǎn)單的電場(chǎng)，如該位置所示。為什么電場(chǎng)會(huì)拉伸并形成這樣的場(chǎng)？如圖4B所示，這是因?yàn)榧铀倩驕p速電荷會(huì)產(chǎn)生具有一定記憶效應(yīng)的電場(chǎng)。舊的電場(chǎng)不容易適應(yīng)新的條件。我們需要花一些時(shí)間來(lái)了解電場(chǎng)的作用，即加速或減速電荷的扭結(jié)。

3.在t = T / 4處的電場(chǎng)線

如果我們以相同的方式繼續(xù)進(jìn)行分析，我們可以看到在四分之一的時(shí)間段內(nèi)，波前結(jié)束點(diǎn)在單個(gè)點(diǎn)處相遇（圖5）。

圖：5在t = T / 4處，電場(chǎng)的末端在單個(gè)點(diǎn)處匯合，發(fā)生分離和傳播

此后，發(fā)生波前的分離和傳播。如果繪制電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化，您會(huì)發(fā)現(xiàn)波的傳播本質(zhì)上是正弦的（圖6）。有趣的是，如此產(chǎn)生的傳播波長(zhǎng)恰好是偶極子長(zhǎng)度的兩倍。稍后我們將回到這一點(diǎn)。請(qǐng)注意，這種變化的電場(chǎng)將自動(dòng)產(chǎn)生垂直于它的變化的磁場(chǎng)。這正是我們天線所需要的。簡(jiǎn)而言之，如果可以安排使正負(fù)電荷振蕩的話，就可以制造天線。

圖：6偶極子中的電磁輻射

天線中的輻射如何發(fā)生？

實(shí)際上，這種振蕩電荷的產(chǎn)生非常容易。取一根在中心彎曲的導(dǎo)電棒，并在中心施加電壓信號(hào)（7A）。假設(shè)這是您施加的信號(hào)，隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)?？紤]零時(shí)的情況。由于電壓的影響，電子將從偶極子的右側(cè)移出，并在左側(cè)積聚。這意味著失去電子的另一端會(huì)自動(dòng)帶正電（7B）。這種布置產(chǎn)生了與先前的偶極電荷情況相同的效果，即導(dǎo)線末端的正電荷和負(fù)電荷。隨著電壓隨時(shí)間的變化，正電荷和負(fù)電荷將往返移動(dòng)。

簡(jiǎn)單的偶極天線也會(huì)產(chǎn)生與上一節(jié)相同的現(xiàn)象，并且會(huì)發(fā)生波傳播?，F(xiàn)在我們已經(jīng)看到了天線如何作為發(fā)射器。發(fā)射信號(hào)的頻率將與施加的電壓信號(hào)的頻率相同。由于傳播以光速傳播，因此我們可以輕松計(jì)算傳播的波長(zhǎng)（圖8）。為了實(shí)現(xiàn)完美的傳輸，天線的長(zhǎng)度應(yīng)為波長(zhǎng)的一半。

? 天線 = ? 輸入

C = ? 天線 X ? 天線

圖：8天線以光速輻射電磁波

天線如何接收信號(hào)？

天線的操作是可逆的，如果傳播的電磁場(chǎng)撞擊到天線，它可以用作接收器。讓我們?cè)敿?xì)看看這種現(xiàn)象。

再次使用同一根天線并施加電場(chǎng)。此時(shí)，電子將在棒的一端積聚。這與電偶極子相同。隨著施加電場(chǎng)的變化，正負(fù)電荷會(huì)在另一端累積。變化的電荷累積意味著在天線的中心產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)。如圖9所示，當(dāng)天線用作接收器時(shí)，該電壓信號(hào)就是輸出。輸出電壓信號(hào)的頻率與接收電磁波的頻率相同。從電場(chǎng)配置可以明顯看出，為了獲得完美的接收效果，天線的尺寸應(yīng)為波長(zhǎng)的一半。在所有這些討論中，我們已經(jīng)看到天線是開路的。

圖9：如果傳播的電磁場(chǎng)撞擊到天線，天線可以用作接收器

天線類型

現(xiàn)在，讓我們看一些實(shí)用的天線及其工作原理。

1.八木宇田天線

過(guò)去，偶極天線用于電視接收。彩色條充當(dāng)偶極子并接收信號(hào)，如圖所示。偶極子是它的主要驅(qū)動(dòng)元件。這種天線也需要反射器和指向矢，以將信號(hào)聚焦在偶極子上。反射器元件總是比從動(dòng)元件更長(zhǎng)，導(dǎo)向器元件總是比從動(dòng)元件短。這種完整的結(jié)構(gòu)稱為八木宇田天線（圖10A）。八木天線是由兩位日本科學(xué)家八木秀久和宇田慎太郎發(fā)明的。它是定向天線，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。被驅(qū)動(dòng)元件或偶極天線將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這些電信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)诫娨晢卧▓D10B）。

2.詳細(xì)的碟形天線

如今，我們已轉(zhuǎn)向碟形電視天線。它們由兩個(gè)主要部分組成，一個(gè)拋物線形反射器和一個(gè)低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器。拋物面天線從衛(wèi)星接收電磁信號(hào)，并將其聚焦在LNBF上，如圖11所示。拋物線的形狀經(jīng)過(guò)特別精確的設(shè)計(jì)。

圖：11在碟形天線中，入射信號(hào)通過(guò)拋物面反射器聚焦到LNBF

LNBF由饋電喇叭，波導(dǎo)，PCB和探針（12A）組成。進(jìn)入的信號(hào)通過(guò)饋電喇叭和波導(dǎo)聚焦到探頭上。正如我們?cè)诤?jiǎn)單偶極子情況下所看到的，在探頭處感應(yīng)出電壓。如此生成的電壓信號(hào)被饋送到PCB進(jìn)行信號(hào)處理，例如濾波，從高頻到低頻的轉(zhuǎn)換以及放大。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，這些電信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)诫娨晢卧▓D12B）。

如果打開LNB，則很可能會(huì)找到2個(gè)探針而不是一個(gè)，第二個(gè)探針垂直于第一個(gè)。2探頭排列意味著通過(guò)發(fā)送水平或垂直極化波可以將可用頻譜使用兩次。如圖13所示，一個(gè)探頭檢測(cè)水平極化信號(hào)，另一個(gè)探頭檢測(cè)垂直極化信號(hào)。

圖13：水平探頭和垂直探頭分別檢測(cè)水平極化信號(hào)和垂直極化信號(hào)。

3.微帶天線或貼片天線

您手中的手機(jī)使用完全不同類型的天線，稱為貼片天線（圖14A）。這些類型的天線價(jià)格便宜，并且易于制造在印刷電路板上。貼片天線由放置在接地平面上的金屬貼片或金屬條組成，中間有一塊介電材料。在此，金屬貼片用作輻射元件。金屬貼片的長(zhǎng)度應(yīng)為適當(dāng)傳輸和接收的波長(zhǎng)的一半（圖14B）。請(qǐng)注意，我們?cè)诖颂幷f(shuō)明的貼片天線的描述非?；A(chǔ)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：動(dòng)畫+圖文解析|天線如何工作？原理是怎樣的？

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