天線(無線電)

天線
一堆“魚骨”和Yagi – Uda電視天線
工作準則電磁輻射
發明海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)
首次生產1886
電子符號
關於天線工作的電影

無線電工程中,天線美國英語)或空中英式英語)是通過太空傳播的無線電波與在金屬導體中移動的電流(與發射器接收器一起使用)之間的接口。在傳輸中,無線電發射器將電流提供到天線的端子,並且天線從電流中輻射為電磁波(無線電波)的能量。在接收中,天線攔截了無線電波的某些功率,以便在其末端產生電流,該電流應用於接收器以進行擴增。天線是所有無線電設備的重要組成部分。

天線是導體元素)的陣列,是電的電源連接到接收器或發射器的。天線可以設計為在所有水平方向(全向天線)或優先沿特定方向(方向性或高增生或“束”天線)均等地傳輸和接收無線電波。天線可能包括與發射器連接的成分,拋物線反射器寄生元件,這些元件可將無線電波引導到光束或其他所需的輻射模式中。通過尺寸小於半波長的天線,很難實現強大的方向性和良好的效率。

第一個天線是由德國物理學家海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)在他的開創性實驗中建造的,以證明詹姆斯·克萊克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)電磁理論所預測的波浪的存在。赫茲將偶極天線放置在拋物線反射器的焦點,以進行傳輸和接收。從1895年開始, Guglielmo Marconi開始開髮長途無線電報的天線實用,為此,他獲得了諾貝爾獎。

半波偶極天線接收無線電波:傳入波的電場(E)來回推桿中的電子,並振盪電流(黑色箭頭)流過接收器。
天線輻射無線電波:發射器將交替的電流(紅色箭頭)應用於桿,該電流交流電(紅色箭頭)交替充電,它們交替地為正極和負,發射電場的循環。每當電流變化極性時,環的箭頭都會逆轉。

術語

天線的電子符號

天線空中單​​詞可互換使用。有時,等效項“空中”用於特異性表示高架水平線天線。天線相對於無線設備的起源歸因於意大利無線電先驅Guglielmo Marconi 。 1895年夏天,馬可尼(Marconi)開始在博洛尼亞(Bologna)附近的父親遺產上測試他的無線系統,並很快開始嘗試從桿子上懸掛的長電線“空中”。在意大利語中,一個帳篷桿被稱為l'antenna Centrale ,帶有電線的桿子被簡單地稱為l'antenna 。在此之前,無線輻射傳輸和接收元件被簡單地稱為“終端”。由於他的突出聲音,馬可尼(Marconi)對天線(Antenna)一詞的使用在無線研究人員和發燒友中傳播,後來又在公眾中傳播給了公眾。

天線還可以廣泛地指整個組件,包括支撐結構,外殼(如果有)等,除了實際的RF電流攜帶組件外。接收天線不僅包括被動金屬接收元件,還包括集成的前置放大器或混合器,尤其是在微波爐頻率和更高時。

概述

Atacama大型毫米/亞毫米陣列的天線

任何無線電接收器或發射器都需要天線才能將其與電磁場的電連接搭配。無線電波是電磁波,以光速(幾乎沒有傳輸損失)以空氣(或通過太空)攜帶信號。

汽車的鞭子天線,這是全向天線的常見示例

天線可以分類為全向,在所有水平方向或方向上均勻地輻射能量,其中無線電波集中在某個方向上。所謂的梁天線是單向的,設計用於在另一個站點的方向上最大的響應,而許多其他天線旨在容納各個方向的站點,但並非真正的全向。由於天線遵守互惠,因此相同的輻射模式適用於傳播以及無線電波的接收。一個假設的天線在所有垂直方面和所有水平角度都稱為各向同性散熱器,但是這些天線在實踐中不可能存在,也不是特別需要。對於大多數陸地通信而言,在降低向天空或地面的輻射方面有利於水平方向是有優勢的。面向偶極天線的水平方向沿導體的方向發送沒有能量 - 這稱為天線null - 但在大多數其他方向上都是可用的。許多這樣的偶極子元素可以合併到天線陣列中,例如Yagi -uda ,以偏愛單個水平方向,因此稱為梁天線。

半波偶極天線

偶極天線是大多數天線設計的基礎,是一個平衡的組件,其兩個端子在其兩個端子上施加相反但相反的電壓和電流。垂直天線是單極天線,相對於地面不平衡。地面(或任何大型導電錶面)扮演單極的第二導體的作用。由於單極天線依賴於導電錶面,因此它們可以用接地平面安裝,以近似安裝在地球表面上的效果。

傳輸過程中偶極天線)輻射的電場藍色)和磁場紅色)圖

更複雜的天線增加了天線的方向性。天線結構中不必直接連接到接收器或發射器的其他元素增加了其方向性。天線“增益”描述了輻射功率濃度到特定的實體空間角度。與放大器“增益”相比,“增益”也許是一個選擇的術語,這意味著功率的淨增加。相比之下,對於天線“增益”,在所需方向上的功率增加的代價是在不希望的方向上降低功率。與放大器不同,天線是節省總功率的電氣“被動”設備,並且總功率沒有從電源(發射器)傳遞的總功率增加,僅改善了該固定總數的分佈。

相分陣列由兩個或多個簡單的天線組成,它們通過電氣網絡連接在一起。這通常涉及許多具有一定間距的平行偶極天線。根據網絡引入的相對相位,偶極天線的相同組合可以作為“寬邊數組”(與連接元素連接的線路的方向態度)或作為“端形射線陣列”(沿著連接線連接的線路連接的端形陣列)的組合。元素)。天線陣列可以採用任何基本的(全向或弱方向性)天線類型,例如偶極子,環或插槽天線。這些元素通常是相同的。

對數週期和頻率無關的天線採用自相似性,以便在各種帶寬範圍內進行操作。最熟悉的示例是對數週期偶極子數組,可以將其視為一個連接的偶極元素的數字(通常為10至20),在末端火數陣列中具有漸進的長度,從而使其相當方向性。它發現尤其是用作電視接收的屋頂天線。另一方面, Yagi -Uda天線(或簡單的“ Yagi”)具有相似的外觀,只有一個帶有電連接的偶極子元件。其他寄生元件與電磁場相互作用,以實現高方向天線,但帶寬狹窄。

可以使用孔子天線(例如拋物線反射器角天線)獲得更大的方向性。由於天線中的高定向性取決於它與波長相比,因此高方向天線(因此具有高天線增益)在較高的頻率下( UHF及以上)變得更加實用。

在低頻(例如AM廣播)下,垂直塔陣列用於實現方向性,它們將佔據大片土地。對於接收,長飲料天線可以具有明顯的方向性。對於非方向便攜式使用,短垂直天線或小環形天線效果很好,主要的設計挑戰是阻抗匹配的挑戰。使用垂直天線,可以使用天線底部的載荷線圈來取消阻抗的反應性成分。為此,將小環形天線與平行電容器調節。

天線引線是傳輸線進料線,它將天線連接到發射器或接收器。 “天線進料”可以指連接天線與發射器或接收器的所有組件,例如除傳輸線外的阻抗匹配網絡。在所謂的“光圈天線”中,例如喇叭或拋物線盤,“進料”也可以指嵌入整個反射元件系統中的基本輻射天線(通常是在拋物線菜餚的焦點或處於拋物線的焦點處角的喉嚨)可以將其視為該天線系統中的一個活動元件。微波天線也可以直接從波導代替(導電)傳輸線中饋入。

手機基站天線

天線反平底接地平面是導電材料的結構,可改善或替代地面。它可以與自然地相連或與自然地相連。在單極天線中,這有助於自然地面的功能,尤其是在自然地面特徵的變化(或局限性)中,會干擾其適當的功能。這種結構通常連接到不平衡傳輸線的返回連接,例如同軸電纜的盾牌。

某些光圈天線中的電磁波折射率是一個組件,由於其形狀和位置函數可在電磁波中有選擇地延遲或前進部分通過它。折射率改變了一側相對於另一側的波的空間特性。例如,它可以使波浪焦點或以其他方式改變波沿,通常是為了最大程度地提高天線系統的方向性。這相當於光學鏡頭

天線耦合網絡是一個被動網絡(通常是電感電容電路元件的組合),用於在天線與發射器或接收器之間進行阻抗匹配。這可以用來通過降低傳輸線的常駐波比,並以其最佳操作所需的標準電阻阻抗來呈現發射機或接收器,以最大程度地減少進料線上的損失。選擇了進料點位置,並且天線元件與調諧器的電氣相似,可以在天線結構本身中摻入,以改善匹配項

互惠

天線的基本特性是天線的大多數電特性,例如下一節中描述的天線(例如輻射模式阻抗帶寬諧振頻率極化)是相同的或接收。例如,當用於接收的天線時, “接收模式” (對傳入信號的敏感性)在驅動時與天線的輻射模式相同,即使電流和電流和電流和散熱器都相同天線本身上的電壓分佈在接收和發送時有所不同。這是電磁學互惠定理的結果。因此,在對天線特性的討論中,通常在接收和傳輸術語之間沒有區別,並且天線可以被視為傳輸或接收,以更方便的為準。

上述互惠特性的必要條件是天線和透射介質中的材料是線性和倒數的。倒數(或雙邊)意味著材料對一個方向的電流或磁場具有相同的響應,與對相反方向的磁場或電流的響應相同。天線中使用的大多數材料都符合這些條件,但是一些微波天線使用高科技組件(例如隔離器循環器) ,由非氯顆粒材料(例如鐵液)製成。這些可用於使天線在接收方面具有不同的行為,與傳輸相比,這在雷達等應用中很有用。

共振天線

大多數天線設計基於共振原理。這取決於移動電子的行為,這些行為反映了介電常數變化的表面,這種方式類似於光在光學特性變化時反映的方式。在這些設計中,反射表面是由導體的末端創建的,通常是薄的金屬線或桿,在最簡單的情況下,在最簡單的情況下,它的進料點在一端連接到傳輸線。導體或元素與所需信號的電場對齊,通常意味著它垂直於從天線到源到源的線(或在廣播天線的情況下接收器)。

無線電信號的電氣組件在導體中誘導電壓。這會導致電流開始沿信號瞬時場的方向流動。當產生的電流到達導體的末端時,它反映了相當於相位的180度變化。如果導體是波長1/4 ,來自進料點的電流將在到達導體末端時經歷90度相變,然後通過180度反射,然後在回流後再進行90度。這意味著它已經進行了總共360度相變,將其返回到原始信號。因此,元素中的電流添加到當時從源創建的電流。此過程在導體中產生常駐波,在進料處的最大電流。

普通的半波偶極子可能是最廣泛使用的天線設計。它由端對端排列的兩個1/4波長元件組成,並沿著基本相同的軸(或共線)組成,每個軸(或collinear )均饋入兩導體傳輸線的一側。這兩個元素的物理佈置使它們偏置180度,這意味著,在任何給定的瞬間,其中一個元素都將電流驅動到傳輸線中,而另一個元素將其拉出。單子天線本質上是半波偶極子的一半,一個單個1/4波長元件,另一側連接到地面或等效的地面平面(或倒置)。單孔是偶極子大小的一半,對於長波長無線電信號很常見,在該信號中,偶極子將不切實際。另一個常見的設計是折疊的偶極子,該偶極子由兩個(或更多)半波偶極子並排放置並在其末端連接,但只有一個是驅動的。

在設計工作頻率, f O和天線以這種所需模式的形式形成了這種所需的模式,通常設計為如此尺寸。但是,用3 f o (其波長1 / 3的元素)也將導致駐波模式。因此,當天線元件的長度為波長的3 / 4時,天線元件也會產生共鳴。對於1/4波長的所有奇數倍數都是如此。這可以從天線長度和進料點方面進行一些靈活性。已知以這種方式使用的天線是和諧操作的。諧振天線通常使用線性導體(或元素)或一對此類元素,每個元素大約是長度波長的四分之一(奇數的四分之一波長也將是共鳴的)。與波長犧牲效率相比,所需的天線必須很小,並且不能是非常方向性的。由於波長在較高的頻率( UHF微波爐)上交易性能以獲得較小的物理尺寸的波長通常不需要。

電流和電壓分佈

半波偶極子上以諧振頻率驅動的站立波。波通過顏色條(電壓, V藍色的紅色, i )的圖形顯示,其寬度與天線上相應點的數量幅度成正比。

四分之一波元素由於導體沿著常駐波而模仿串聯的電元件。在諧振頻率下,常駐波在進料處具有電流峰和電壓節點(最小值)。用電氣術語,這意味著在該位置,該元素具有最小阻抗幅度,從而為最小電壓產生最大電流。這是理想的情況,因為它會為最小輸入產生最大輸出,從而產生最高的效率。與理想的(無損)串聯迴路相反,由於天線的抗輻射性以及任何產生熱量的常規電氣損失,有限的電阻仍然存在(對應於進料點的相對較小的電壓)。

回想一下,當材料的電性能發生變化時,電流將反映。為了有效地將接收的信號傳遞到傳輸線中,很重要的是,傳輸線的阻抗與天線上的連接點相同,否則某些信號將反射到天線的身體中。同樣,如果饋線與天線相連的電阻抗發生變化,則發射機信號功率的一部分將反映回發射器。這導致了阻抗匹配的概念,天線和傳輸線的整體系統的設計,因此阻抗盡可能接近,從而減少了這些損失。阻抗匹配是通過稱為天線調諧器或發射器和天線之間的阻抗匹配網絡來完成的。饋線和天線之間的阻抗匹配是通過饋線上稱為駐波比(SWR)的參數來測量的。

考慮一個半波動的偶極子,設計用於使用波長為1 m的信號,這意味著天線從尖端到尖端約為50 cm。如果該元素的長度與直徑比為1000,則其固有阻抗約為63歐姆電阻。使用適當的傳輸線或Balun,我們匹配該電阻以確保最小信號反射。以1安培的電流為準的天線將需要63伏,並且天線將輻射63瓦(忽略的損失)射頻功率。現在考慮餵食天線的情況,波長為1.25 m;在這種情況下,信號誘導的電流將帶有信號的遠程饋電點,從而導致淨電流下降,而電壓保持不變。在電上,這似乎是很高的阻抗。天線和傳輸線不再具有相同的阻抗,並且信號將反射回天線,從而減少輸出。這可以通過更改天線和傳輸線之間的匹配系統來解決,但是該解決方案只能在新的設計頻率下效果很好。

結果是,僅當源信號的頻率接近天線的設計頻率或一個共振倍數時,諧振天線才能有效地將信號饋入傳輸線。這使得天線設計固有地狹窄:僅適用於圍繞共振的少量頻率。

電天線短

帶有加載線圈的典型中心裝載的移動CB天線

可以使用簡單的阻抗匹配技術來分別1/41/2單極或偶極天線使用,它們在其上具有共鳴。隨著這些天線的變短(對於給定的頻率),它們的阻抗就會由串聯電容(負)電抗主導。通過添加適當的尺寸加載線圈 - 具有相等和相反(正)電抗的串聯電感 - 天線的電容電抗可以被取消,僅留下純電阻。

有時,使用電長的概念來描述這種系統的產生(較低)電氣共振頻率(天線加匹配網絡),因此,以低於其諧振頻率的天線被稱為電氣短天線

例如,在30 MHz(10 m波長)下,真正的諧振1/4單極的長度將近2.5米,並且使用僅1.5米高的天線需要添加載荷線圈。然後可以說,線圈已延長了天線以達到2.5米的電長度。但是,所產生的電阻阻抗將比真正的1/4諧振)單極的電阻低得多,通常需要進一步的阻抗匹配(變壓器)到所需的傳輸線。永遠較短的天線(需要更大的“電氣延長”)輻射阻力傾斜(大約根據天線長度的平方),以便由於淨電抗引起的不匹配遠離電氣共振而變化。或者也可以說,天線系統的等效諧振電路具有較高的Q因子,因此帶寬降低,甚至可能對傳輸信號的頻譜變得不足。相對於輻射電阻降低而導致的電阻損失需要降低的電效率,這對於傳輸天線可能非常關注,但是帶寬是將天線大小設置為1 MHz和較低頻率的主要因素。

陣列和反射器

屋頂電視Yagi – Udalog-periodic (“魚骨”)陣列天線(如此堆棧)在VHFUHF頻率上廣泛使用。

輻射通量與傳輸天線的距離的函數根據反平方定律而變化,因為這描述了傳輸波的幾何差異。對於給定的傳入通量,接收天線獲得的功率與其有效區域成正比。該參數比較了接收天線捕獲的功率與傳入波的通量相比(根據信號的功率密度以每平方米的瓦數為單位)。從寬邊方向看半波偶極子的有效面積約為0.13λ2 。如果需要更高的增益,則不能簡單地使天線更大。由於對下面詳細介紹的接收天線的有效區域的限制,人們認為對於已經有效的天線設計,增加增益的唯一方法是減少天線在另一個方向上的增益。

如果半波偶極子沒有連接到外部電路,而是在進料點處短路,則它變成了一個共振的半波元件,該元件有效地產生了構成撞擊無線電波的靜態波。由於沒有負載可以吸收該功率,因此它可以重新啟動所有功能,可能具有相移,這主要取決於元素的確切長度。因此,可以安排這樣的導體以傳輸發射機信號的第二副本,以影響電氣連接到發射器的元件的輻射模式(和進料點阻抗)。以這種方式使用的天線元件稱為被動輻射器

Yagi – UDA陣列使用被動元素在一個方向上大大增加增益(以其他方向為代價)。許多平行的大約半波元素(非常具體的長度)沿著繁榮的特定位置平行地位於彼此之間。該動臂僅用於支撐,而不涉及電氣。其中只有一個元素是電到發射器或接收器的,而其餘元素是被動的。 Yagi產生相當大的增益(取決於被動元件的數量),並被廣泛用作帶有天線轉子的定向天線,以控制其樑的方向。它的帶寬相當有限,將其用於某些應用程序。

與其使用一個驅動的天線元件以及被動輻射器,還可以構建一個陣列天線,其中多個元素通過發射機通過功率拆分器系統和相對相的傳輸線驅動,以將RF濃縮在單個中濃縮方向。更重要的是,可以將階段的陣列“可通道”,也就是說,通過更改應用於每個元素的相位,可以移動輻射模式而無需物理移動天線元件。另一個常見的陣列天線是對數週期偶極陣列陣列,其外觀與Yagi相似(沿繁榮的許多平行元素),但由於所有元素都在電氣連接到相鄰元件,並且相位逆轉,因此操作完全不同。 ;使用對數週期原理,它獲得了在非常大的帶寬上保持其性能特徵(增益和阻抗)的獨特屬性。

當無線電波撞擊大型導電紙時,它會被反射(電場的相位相反),就像鏡子反射光一樣。將這樣的反射器放在原本非方向的天線後面,可以確保將其方向朝向所需方向的功率重定向,從而將天線的增益提高至少為2。同樣,角反射器可以確保確保一個角度的反射器確保所有天線的功率僅集中在一個像限的空間(或更少)中,因此增益增加。實際上,反射器不必是固體金屬板,而是由與天線的極化對齊的桿窗簾組成。這大大減少了反射器的重量和風負載。無線電波的鏡面反射也用於拋物線反射器天線中,其中彎曲的反射表面效應將傳入波朝向所謂的飼料天線的表面效應。這導致具有與反射器本身大小相當的有效區域的天線系統。幾何光學器件的其他概念也用於天線技術,例如透鏡天線

特徵

天線的功率增益(或簡單地“增益”)也考慮了天線的效率,並且通常是優點的主要數字。天線的特徵是用戶在選擇或設計特定應用程序的天線時會關注的許多性能指標。天線周圍空間中定向特性的圖是其輻射模式

帶寬

天線功能良好的頻率範圍或帶寬可能非常寬(如在對數週期天線中)或狹窄(如在小環形天線中所示);在此範圍之外,天線阻抗與傳輸線和發射器(或接收器)的匹配差。使用天線遠離其設計頻率會影響其輻射模式,從而減少其指令增益。

通常,天線不會具有與傳輸線相匹配的進料點阻抗。天線端子和傳輸線之間的匹配網絡將改善對天線的功率傳遞。不可調節的匹配網絡很可能會進一步限制天線系統的可用帶寬。可能需要使用管狀元件而不是細絲製成天線。這些將允許更大的帶寬。或者,可以將幾根細絲分組在籠子中以模擬較厚的元素。這擴大了共鳴的帶寬。

在幾個頻帶上運行的業餘無線電天線彼此廣泛分離可能會在並聯的那些不同頻率上連接元素。發射器的大部分功率將流入共振元件,而其他發射器的阻抗具有很高的阻抗。另一種解決方案使用陷阱,平行的諧振電路,這些電路策略性地放置在長天線元件中產生的斷裂中。當在陷阱的特定諧振頻率上使用時,陷阱會出現很高的阻抗(平行共振),可有效地截斷陷阱位置的元素。如果正確定位,則截短的元件在陷阱頻率下會使適當的諧振天線。在基本較高或更低的頻率下,陷阱允許使用損壞元件的全長,但隨著陷阱添加的淨電抗性的轉移頻率移動。

可以根據其Q來表徵諧振天線元件的帶寬特性,其中所涉及的電阻是輻射電阻,這代表了從諧振天線到自由空間的能量發射。

窄帶天線的Q可以高達15。另一方面,使用厚元元件的相同諧波頻率的電抗較小,因此導致Q低至5。這兩個天線可以在諧振頻率下進行等效性,但是第二個天線將在帶寬上執行的寬度是由薄導體組成的天線的3倍。

使用進一步的技術實現了在更廣泛的頻率範圍內使用的天線。原則上,調整匹配網絡可以允許以任何頻率匹配任何天線。因此,內置在大多數AM廣播(中波)接收器中的小環形天線具有非常狹窄的帶寬,但使用平行電容調節,該電容是根據接收器調整進行調整的。另一方面,對數週期天線在任何頻率上都不是共鳴的,但原則上可以(原則上)在任何頻率範圍內實現相似的特徵(包括進料點阻抗)。因此,這些是通常使用的(以定向對數週期偶極陣列的形式)作為電視天線。

獲得

增益是一個測量天線輻射模式定向性程度的參數。高增益天線會沿特定方向輻射其大部分功率,而低增益天線將在廣角上輻射。天線增益或天線的功率增益定義為強度的比率(單位表面積的功率) 由天線沿其最大輸出方向輻射,以任意距離除以強度假設各向同性天線在相同距離處輻射,該天線在所有方向上都輻射相等的功率。這種無量綱比率通常在分貝以對數表示,這些單位稱為分貝 - 異分(DBI)

用於測量增益的第二個單元是天線輻射的功率與半波偶極天線輻射的功率之比 ;這些單元稱為Descibels-Dipole (DBD)

由於半波偶極子的增益為2.15 dbi,並且產品的對數是添加劑,因此DBI的增益僅為2.15分貝,大於DBD的增益

高增益天線具有更長范圍和更好的信號質量的優勢,但必須仔細針對其他天線。高增生天線的一個例子是拋物線菜,例如衛星電視天線。低增益天線的範圍較短,但天線的方向相對不重要。低增益天線的一個例子是在便攜式收音機和無繩電話上發現的鞭子天線。天線增益不應與放大器增益相混淆,放大器增益是一個單獨的參數,該參數測量了由於放置在系統前端(例如低噪聲放大器)的放大設備而引起的信號功率的增加。

有效區域或孔徑

接收天線的有效面積或有效孔徑表示天線向其末端傳遞的電磁波功率的一部分,它以等效面積表示。例如,如果通過給定位置的無線電波的通量為1 pw / m 2 (10 -12瓦每平方米),並且天線的有效面積為12 m 2 ,則天線將提供12 pw的RF。向接收器供電(以75歐姆為單位的30微伏RMS )。由於接收天線對從各個方向接收的信號並不同樣敏感,因此有效區域是源方向的函數。

由於互惠性(上文討論),用於傳輸的天線的增益必須與其用於接收的有效區域成正比。考慮一個沒有損失的天線,即,其電效率為100%的天線。可以證明,其在所有方向上平均的有效面積必須等於λ2 /4π ,波長平方除以 。定義增益使得具有100%電效率的天線的所有方向的平均增益等於1。因此,有效面積A EFF在給定方向上的增益G表示:

對於效率小於100%的天線,有效面積和增益都降低了相同的量。因此,上述收益與有效領域之間的關係仍然存在。因此,這些是表達相同數量的兩種不同的方式。如上面的示例所示,當計算指定增益的天線將接收到的冪時,EFF尤其方便。

輻射模式

(虛擬)Yagi – Uda天線的水平橫截面的極性圖。大綱以相等的場功率連接點。

天線的輻射模式是遠場在不同角度發出的無線電波的相對場強度的圖。它通常由三維圖或水平和垂直橫截面的極性圖表示。理想的各向同性天線的模式在各個方向上均等輻射,看起來像個球體。許多非方向天線,例如單子機偶極子,都在所有水平方向上發出相等的功率,其功率在較高和較低的角度下降。這稱為全向圖案,當繪製時看起來像圓環或甜甜圈。

許多天線的輻射在各個角度顯示出最大值或“裂片”的模式,這些角度被“ nulls ”隔開,輻射落到零的角度。這是因為由天線的不同部分發出的無線電波通常會干擾,從而在無線電波到達遙遠的角度的角度引起最大值,而無線電波從相位出現的其他角度則零輻射。在設計用於沿特定方向的無線電波的定向天線中,沿該方向的葉設計比其他方向更大,被稱為“主葉”。其他裂片通常代表不需要的輻射,稱為“側凸”。通過主葉的軸稱為“主軸”或“”。

如果將天線調諧到較窄的頻率範圍,例如,與寬帶相比,將天線調諧為較窄的頻率範圍,則Yagi天線的極性圖(以及效率和增益)更緊密。同樣,水平極化Yagis的極性圖比垂直極化的Yagis更緊密。

現場區域

天線周圍的空間可以分為三個同心區域:反應性近場(也稱為電感近場),輻射近場(菲涅爾區域)和遠場(Fraunhofer)區域。儘管它們之間的過渡是逐漸的,但這些區域對於確定每個區域的結構很有用。沒有明確的界限。

遠場區域距天線足夠遠,可以忽略其大小和形狀:可以假設電磁波純粹是輻射平面波(電場和磁場處於相位,彼此垂直於彼此的方向,並且傳播)。這簡化了輻射場的數學分析。

效率

傳輸天線的效率是實際輻射(在各個方向)與天線末端吸收的功率之比。未輻射的天線端子提供的功率將轉換為熱量。這通常是通過天線導體中的損失性,或者是拋物線天線的反射器和進料號角之間的損失。

天線效率與阻抗匹配是分開的,這也可以減少使用給定發射器輻射的功率量。如果SWR儀表讀取150 W的入射力和50 W的反射功率,則意味著100 W實際上已被天線吸收(忽略傳輸線損耗)。實際上,無法通過(或之前)天線末端的電測量值直接確定了多少功率,但(例如)需要仔細測量場強度。通過將天線強度與供應到天線的功率進行比較,可以計算天線的損耗阻力和效率。

損失阻力通常會影響進料點的阻抗,從而增加其電阻組件。該電阻將包括輻射電阻R RAD的總和和電阻R損失。如果電流I被輸送到天線的端子,則輻射I 2 R RAD的功率將被輻射,並且I 2 R損失的功率將損失為熱量。因此,天線的效率等於r rad / r rad + r損耗 。只能直接測量總電阻R RAD + R損耗

根據互惠性,用作接收天線的天線的效率與上述傳輸天線的效率相同。天線將輸送到接收器的功率(具有適當的阻抗匹配)的功率減少了相同的量。在某些接收應用程序中,效率低下的天線可能對性能幾乎沒有影響。例如,在低頻下,大氣或人造噪聲會掩蓋天線效率低下。例如,CCIRREP。258-3表示在40 MHz的住宅環境中的人造噪聲約為熱噪聲底部約28 dB。因此,具有20 dB損失的天線(由於效率低下)對系統噪聲性能的影響很小。天線內的損耗將影響預期的信號和噪聲/干擾,從而導致信號與噪聲比(SNR)的降低。

由於其較小的輻射性較小,因此不占波長的顯著比例的天線不可避免地效率低下。 AM廣播收音機包括一個用於接收的小環形天線,其效率極差。這對接收器的性能幾乎沒有影響,但僅需要對接收器的電子設備進行更大的擴增。將這個微小的組成部分與AM廣播站使用的巨大且非常高的塔樓進行對比,以在相同的頻率下傳輸,在同一頻率中,天線效率降低的每個百分比都需要大量成本。

天線增益功率增益的定義已經包括天線效率的影響。因此,如果一個人試圖使用給定功率的發射器向接收器輻射信號,則只需要比較各種天線的增益,而不必考慮效率。對於非常高(尤其是微波)頻率的接收天線而言,這同樣是正確的,與接收器的噪聲溫度相比,該點是接收信號強的。但是,在用於接收信號的方向天線的情況下,目的是拒絕從不同方向進行干擾,因此不再關注天線效率,如上所述。在這種情況下,與其引用天線增益,更關心指令的增益,或者只是指導性,而不是包括天線(IN)效率的效果。天線的指令增益可以從已發布的增益除以天線的效率分配。以方程式形式,增益=方向性×效率。

極化

天線的方向和物理結構決定了它傳輸的無線電波的電場的極化。例如,由線性導體(例如偶極子鞭子天線)組成的天線將導致垂直極化。如果旋轉側面,則相同的天線的極化將是水平的。

反射通常會影響極化。從電離層反射的無線電波可以改變波浪的極化。對於視線通信接地波的傳播,水平或垂直極化的傳輸通常保持接收位置的極化狀態大約相同。使用垂直極化天線接收水平極化波(或反之亦然)導致相對較差的接收。

天線的極化有時可以直接從其幾何形狀中推斷出來。當從參考位置觀察的天線導體沿一條線出現時,天線的極化將在非常方向上線性。在更一般的情況下,必須通過分析確定天線的極化。例如,從地球上遙遠的位置從水平安裝的旋轉門天線(與往常一樣)顯示為水平線段,因此收到的輻射是水平極化的。但是,從飛機上以向下的角度看,相同的天線符合此要求。實際上,當從該方向看時,其輻射是橢圓極化的。在某些天線中,極化狀態將隨傳播頻率而變化。商業天線的極化是必不可少的規範

在最普遍的情況下,極化是橢圓化的,這意味著在每個循環中,電場向量軌跡軌跡軌跡遠離橢圓。如上所述,兩種特殊情況是線性極化(橢圓形成一條線)和圓極化(橢圓的兩個軸相等)。在線性極化中,無線電波的電場沿一個方向振盪。在圓形極化中,無線電波的電場圍繞傳播軸旋轉。圓形或橢圓極化的無線電波使用“朝向傳播方向”規則指定為右手或左撇子。請注意,對於循環極化,光學研究人員使用了與無線電工程師使用的右手規則相反的右手規則

接收天線最好與傳輸波的極化相匹配,以達到最佳接收。否則,信號強度將喪失:當線性極化天線以θ相對角度接收線性極化輻射時,則將有COS2θ的功率損耗。圓形極化天線可用於良好匹配垂直或水平線性極化,並具有3 dB信號的降低。但是,它將視而不見相反方向的圓兩極化信號。

阻抗匹配

最大功率傳遞需要將天線系統的阻抗(如看到傳輸線)與接收器或發射器阻抗的複合偶聯物相匹配。但是,在發射機的情況下,所需的匹配阻抗可能不完全對應於分析作為源阻抗的發射器的動態輸出阻抗,而是設計值(通常為50歐姆),以便有效且安全地進行傳輸操作電路。預期的阻抗通常具有電阻性,但是發射器(和某些接收器)可能有限的其他調整以取消一定量的電壓,以“調整”比賽。

當天線和發射器(或接收器)之間使用傳輸線時,人們通常想要一個天線系統,其阻抗具有抵抗力,並且與該傳輸線的特徵阻抗幾乎相同,此外還可以使發射器的阻抗匹配(或接收者)期望。試圖將比賽的幅度最小化,以最大程度地減少常勢(通過駐波比; SWR測量),而不匹配在線上升高,並且傳輸線的增加所帶來的增加。

天線調節天線

天線調節,從嚴格修改天線本身的嚴格意義上,通常僅指取消在天線末端看到的任何電抗,僅留下一種電阻阻抗,這可能是可能或可能完全不完全是所需的阻抗(可用透射線的) 。

儘管天線的設計可能僅在一個頻率下具有純電阻的進料點阻抗(例如偶極子97%的半波長),但在最終使用天線的其他頻率下,這很可能並不完全正確。在大多數情況下,原則上可以“修剪”天線的物理長度以獲得純電阻,儘管這很少方便。另一方面,添加相反的電感或電容可以分別用於取消殘留的電容或電感電抗性,並且比降低,修剪或擴展天線,然後將其懸掛回去,可能更方便。

可以使用集總元件(例如電容器電感器)在電流穿越天線(通常在進料點附近)或通過將電容性或電感結構摻入天線的電導物體以取消進料點反應的主要路徑,或將天線電抗去除。作為開放式的“輻條”徑向電線或循環平行線,因此真正將天線調節以共振。除了那些不中和的附加組件外,任何類型的天線都可以在其進料點上包括變壓器和 /或變壓器Balun ,以改變阻抗的電阻部分,以使進食線的特徵阻抗幾乎匹配。

電台的線路匹配

通過阻抗匹配的設備(某種程度上命名為“天線調諧器”或較舊的,更合適的術語傳輸)執行的寬鬆的天線調諧超越僅僅消除了電抗性,還包括將剩餘的電阻轉換以匹配約中和無線電。

另一個問題是將剩餘的電阻與傳輸線的特性阻抗相匹配:一般阻抗匹配網絡(“天線調諧器”或ATU)至少具有兩個可調節元件,以糾正兩個阻抗的組件。任何匹配的網絡用於傳輸時都會具有功率損耗和功率限制。

商業天線通常設計為在標準頻率下大致匹配標準的50歐姆同軸電纜;設計的期望是,匹配的網絡將僅用於“調整”任何殘留不匹配。

充滿小天線的極端例子

在某些情況下,匹配是以更極端的方式進行的,而不僅僅是取消少量殘留電抗性,而是使一個天線的共鳴頻率與預期的操作頻率完全不同。

短垂直“鞭子”
例如,出於實際原因,“鞭子天線”可以比四分之一波長明顯短,然後使用所謂的載荷線圈進行共鳴。
天線底部的物理上的電感器具有電感電抗,這與短垂直天線在所需的工作頻率下具有的電容式相反。結果是在載荷線圈的進料點上看到的純電阻。儘管沒有進一步的措施,阻力將比與商業同軸電纜相匹配的所需要低。
小“磁性”環
當使用一個小的環形天線(通常但並非總是為了接收)時,會發生另一種極端阻抗匹配的情況,在相對較低的頻率下,它幾乎是純電感器。當這樣的電感器通過在其進料點的平行連接的電容器通過平行連接的電容器引起共鳴時,電容器不僅取消電抗性,而且很大程度上放大了一個小環的非常小的輻射電阻,以產生更好匹配的進料點的耐藥性。
這是大多數便攜式AM廣播接收器中使用的天線類型(除了汽車收音機之外):標準AM天線是圍繞鐵氧體桿周圍的電線纏繞(“循環桿天線”)。循環通過耦合的調諧電容器進行共鳴,該調音電容器配置為匹配接收器的調諧,以使天線共振劑保持在AM廣播頻段上所選的接收頻率處。

地面的效果

地面反射是多徑的常見類型之一。

天線的輻射模式甚至駕駛點阻抗都可能受到附近物體的介電常數,尤其是電導率的影響。對於陸生天線,地面通常就是這樣重要的對象。然後,天線的高度在地面上方以及地面的電特性(介電常數和電導率)可能很重要。同樣,在單極天線的特殊情況下,地面(或人造地面平面)是天線電流的返回連接,因此具有額外的效果,尤其是對進料線所見的阻抗。

根據菲涅爾係數,當電磁波撞擊平面表面(例如地面)時,一部分波被傳輸到地面並反映了一部分。如果地面是一個非常好的導體,則幾乎所有的波都反映了(相位180°),而以(損失)介電模型建模的地面可以吸收大量波浪的功率。在反射波中保留的功率,以及反射時的相移,很大程度上取決於波浪的入射角極化。介電常數和電導率(或簡單的複雜介電常數)取決於土壤類型,並且是頻率的函數。

對於非常低的頻率高頻率(<30 MHz),地面的表現為有損的介電,因此地面的特徵是通過電導率介電率(介電常數)來測量給定土壤(但受到波動影響)水分水平)或可以從某些地圖估算。在下部中波頻率下,地面主要充當良好的導體,該導體廣播(0.5-1.7 MHz)天線取決於。

在3-30 MHz之間的頻率下,來自水平極化天線的很大一部分能量在地面上反射,幾乎在放牧角上幾乎完全反射對於地面波傳播很重要。反射的波及其相位逆轉,可以取消或加強直接波,具體取決於天線高度的波長和高度角度(對於天空波)。

另一方面,除了放牧的發生率或高度高度傳導的表面(如海水)外,垂直極化的輻射無法很好地反映。然而,使用垂直極化的放牧角反射對地面波傳播很重要,與直接波相同,可提供高達6 dB的提升,如下所述。

地球反射的波可以被視為圖像天線發出。

在VHF及以上(> 30 MHz),地面變成較差的反射器。但是,對於短波頻率,尤其是低於15 MHz的頻率,它仍然是一個很好的反射器,尤其是用於水平極化和放牧的入射角。這很重要,因為這些較高的頻率通常取決於水平的視線傳播(衛星通信除外),然後地面幾乎是鏡子。

地面反射的淨質量取決於表面的地形。當表面的不規則性比波長小得多時,主要的狀態是鏡面反射的狀態,而接收器則看到了實際天線和由於反射而在地下的天線的圖像。但是,如果與波長相比,地面的不規則性並不小,則反射不會連貫,而是隨機階段的變化。隨著波長較短(較高的頻率),通常情況就是這種情況。

每當將接收或傳輸天線放置在地面上方的顯著高度(相對於波長)上時,地面散發反射的波就會比直接波更長的距離,從而誘導相移有時可能是顯著的。當這樣的天線發射天空波時,除非天線非常接近地面(與波長相比,否則相移總是很重要的。

電磁波反射的相位取決於入射波的極化。考慮到與空氣相比( n = 1)的地面的折射率較大(通常為n≈2),在反射後( π弧度的相位移位或180°)時,水平極化輻射相位逆轉。另一方面,波浪的電場的垂直成分大約在相位的放牧角度反映。這些相移也適用於建模為良好電導體的接地。

當反射在放牧角時,天線中的電流在相反的相位出現。這會導致相反的相位,用於通過水平極化天線(中心)發出的波,但不能用於垂直極化天線(左)。

這意味著接收天線“看到”發射天線的圖像,但如果發射天線的水平取向(因此水平極化),則具有“反向”電流(方向和相反)。但是,如果發射天線垂直極化,則接收的電流將處於相同的絕對方向和相位。

然後,正在傳輸原始波的實際天線也可能會從其地面上從其自己的圖像中接收強信號。這將誘導天線元件中的額外電流,從而改變給定進料點電壓的進料點處的電流。因此,由於天線靠近地面的距離,由於進料點電壓與電流之比給出的天線阻抗會改變。當天線在地面的一兩個波長內時,這可能是很大的效果。但是,隨著天線高度的增加,反射波的降低(由於平方法逆)使天線能夠接近其漸近進料點阻抗。在較低的高度下,對天線阻抗的影響非常敏感到與地面的確切距離,因為這會影響反射波相對於天線中的電流的相。將天線的高度更改為四分之一波長,然後將反射的相變為180°,對天線的阻抗有完全不同的影響。

地面反射對垂直平面的淨遠場輻射模式具有重要影響,即作為高度角度的函數,因此在垂直和水平偏振天線之間有所不同。考慮在地面上方H高度H處的天線,並在高度角度θ上傳輸波浪。對於垂直極化的透射,直射射線產生的電磁波的電場的大小加上反射射線為:

因此,接收到的功率可以高達4倍,即僅在餘弦的平方之後,僅由於直接波(例如θ = 0時)引起的功率。水平極化發射反射的符號反轉導致:

在哪裡:

  • 如果沒有地面,則是直接波接收的電場。
  • θ是考慮波的高度角度。
  • 波長
  • 是天線的高度(天線及其圖像之間的距離的一半)。
天線的輻射模式及其圖像由地面反映。在左側,極化是垂直的,並且總有θ = 0的最大值。如果極化是水平的,則θ = 0總是零。

為了在地面附近的傳輸和接收天線之間的水平傳播彼此相距遙遠,直接和反射射線的距離幾乎相同。幾乎沒有相對相移。如果發射是垂直極化的,則兩個字段(直接和反射)添加,並且最大接收信號。如果信號水平兩極化,則兩個信號減去和接收的信號在很大程度上被取消。垂直平面輻射模式顯示在右圖的圖像中。使用垂直極化, θ = 0始終有一個最大值,水平傳播(左圖)。對於水平極化,以該角度取消。上面的公式和這些圖將地面視為完美的導體。這些輻射模式的圖對應於天線及其圖像2.5λ之間的距離。隨著天線高度的增加,葉的數量也增加。

對於θ = 0的情況,上述因素的差異是大多數廣播(旨在公開傳播)使用垂直極化的原因。對於地面附近的接收器,水平極化的傳輸遭到取消。為了獲得最佳接收,這些信號的接收天線同樣垂直極化。在某些應用中,接收天線必須在任何位置工作,例如在手機中,基站天線使用混合極化,例如以角度(垂直和水平成分)或圓形極化為角度極化

另一方面,模擬電視傳輸通常是水平兩極化的,因為在城市地區,建築物可以反映電磁波並因多徑傳播而創建幽靈圖像。使用水平極化,降低了幽靈,因為建築物側面水平極化中的反射量通常小於垂直方向。垂直兩極化的模擬電視已在某些農村地區使用。在數字地面電視中,由於二進制傳輸的魯棒性和誤差校正,這種反射的問題較小。

用線方程建模天線

在第一個近似值中,薄天線中的電流分佈
與傳輸線一樣。 - SchelkunoffFriis (1952)

電線天線中電流的流量與單個導體傳輸線中的反傳播波的解決方案相同,可以使用電報機方程求解。通過數值方法更方便,更準確地獲得了沿天線元件的電流溶液,因此傳輸線技術在很大程度上被放棄用於精確建模,但它們仍然是廣泛使用的有用,簡單近似的來源,這些近似值很好地描述天線。

與傳輸線不同,天線中的電流為輻射部分電磁場貢獻了動力,該電磁場可以使用輻射電阻進行建模。

天線元件的末端對應於單個指導器傳輸線的未終止(開放)端,從而導致反射波與入射波相同,其電壓與入射波及其電流相對相對相反階段)(因此,淨零電流,畢竟沒有進一步的導體)。就像在傳輸線中一樣,入射和反射波的組合形成了帶有電流節點在導體末端的電流的常規波,而電壓節點是從末端開始的(如果元素至少為那個元素) 。

諧振天線中,天線的進料點位於這些電壓節點之一。由於與傳輸線模型的簡化版本的差異差異,與當前節點的電壓一四分之一波長並不完全為零,但與導體端處的大型電壓相比,它的電壓很小,而且很小。因此,在該點匹配天線的進料點需要相對較小的電壓,但電流較大(兩個波的電流在那裡增加了相相),從而具有相對較低的進料點阻抗。

在其他點餵食天線涉及大電壓,因此是一個較大的阻抗,通常是一個主要是反應性(低功率因數)的電壓,這是與可用傳輸線的可怕阻抗匹配。因此,通常需要天線作為諧振元件運行,每個導體的長度為四分之一波長(或四分之一波長的任何其他奇數倍數)。

例如,半波偶極子具有大約四分之一波長的兩個這樣的元素(一個連接到平衡傳輸線的每個導體)。根據導體的直徑,採用了與此長度的小偏差,以達到天線電流和(小的)進料點電壓完全處於相位的位置。然後,天線具有純電阻阻抗,理想情況下是接近可用傳輸線的特徵阻抗

儘管有這些有用的屬性,但共振天線的缺點是,它們僅在基本頻率下以及其某些諧波時就達到共振(純電阻式饋電位阻抗),並且在高階共振下,飼料電阻更大。因此,根據共振的Q ,共振天線只能在有限的帶寬內實現其良好的性能。

天線之間的相互阻抗和相互作用

從驅動天線元件發出的電場和磁場通常會影響附近天線,天線元件或其他導體的電壓和電流。當受影響的導體是一個頻率大約相同的頻率的共振元件(半波長的倍數)時,這尤其如此,就像導體均為相同活性或被動天線陣列的一部分一樣。

因為受影響的導體位於近場,所以不能將兩個天線視為根據Friis傳輸公式傳輸和接收信號,而必須計算同時考慮電壓和電流的相互阻抗矩陣(相互作用)通過電場和磁場)。因此,使用針對特定幾何形狀計算的相互阻抗,可以求解Yagi -uda天線的輻射模式或分階段陣列的每個元素的電流和電壓。這種分析還可以通過接地平面角反射器詳細描述無線電波的反射,以及它們對其附近天線的阻抗(和輻射模式)的影響。

這種近場相互作用通常是不希望的和有害的。在傳輸天線附近的隨機金屬物體中的電流通常會在導體較差中,除了無法預測地改變天線的特性外,還會導致RF功率損失。通過仔細的設計,可以減少附近導體之間的電氣相互作用。例如,組成旋轉柵極天線之間的兩個偶極之間的90度角可以確保它們之間的相互作用,從而可以獨立驅動它們(但實際上在旋轉門天線設計中具有相同的信號中的相同信號)。

天線類型

天線可以按操作原理或其應用程序進行分類。不同的當局將天線置於較窄或更廣泛的類別中。通常這些包括

這些天線類型和其他天線類型在概述文章,天線類型以及上面列表中的每條鏈接文章中,以及這些鏈接到鏈接的文章中更詳細的概述。

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