解鎖無(wú)線通信：天線的魅力

天線是通信系統(tǒng)的眼睛和耳朵。它是一種幫助電磁能量在電子設(shè)備和空氣之間傳播的裝置。因此，天線就像是一座連接電子電路和電波的橋梁。設(shè)備通過(guò)這種連接，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的發(fā)送和接收。在日常生活中，天線普遍存在于眾多設(shè)備中，例如手機(jī)和 Wi-Fi。不同天線的用途也不盡相同。

偶極天線

偶極天線通常用于傳輸廣播和電視信號(hào)。它是一種射頻天線。這種天線有兩個(gè)棒狀或線狀的導(dǎo)電元件。這些導(dǎo)電元件的長(zhǎng)度大約是該工作頻率在自由空間中的最大波長(zhǎng)值的一半。絕緣材料從天線中心將這兩種導(dǎo)電材料分開(kāi)。下圖所示為偶極天線。這種天線可以水平放置，也可以垂直放置。

圖1 偶極天線

射頻電壓源位于天線的中間。兩個(gè)導(dǎo)電元件提供電壓和電流。這些元件可產(chǎn)生電磁信號(hào)或無(wú)線電信號(hào)，并會(huì)輻射到天線外部。天線中心的電壓最小，電流最大。而偶極天線兩端的電流最小，電壓最大。這就是偶極天線分配電流的方式。

圖 2 所示為垂直于天線軸線的偶極天線方向圖。天線的輻射特性通過(guò)輻射方向圖以圖形方式描繪出來(lái)。此模式描述了天線如何向空間發(fā)射能量。

圖2 輻射方向圖

因此，這款天線會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻電磁信號(hào)。這些信號(hào)在發(fā)射端發(fā)射，并在接收端將射頻電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

環(huán)形天線

這種類(lèi)型的天線是將線圈或粗細(xì)均勻的電線彎曲成環(huán)形制成的。簡(jiǎn)而言之，就是將射頻載流線圈彎曲成圓形、方形、矩形和橢圓形等形狀。

這些天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉且用途廣泛。它們的應(yīng)用非常多，通常用于AM廣播和低頻應(yīng)用。

圖3 環(huán)形天線

在所有形狀的天線中，環(huán)形天線的應(yīng)用最為廣泛。這是因?yàn)榄h(huán)形天線在構(gòu)造和分析方面都非常簡(jiǎn)單。

環(huán)形天線也稱(chēng)為輻射線圈，截面為單線圈或多線圈。具有兩圈或更多線圈的環(huán)形天線稱(chēng)為框架。環(huán)形天線允許的工作頻率范圍在300 MHZ到3 GHz之間。

喇叭天線

喇叭天線是一種孔徑天線。它專(zhuān)為微波頻率 (300 MHz – 30 GHz) 而設(shè)計(jì)。天線的末端呈喇叭形狀。這種形狀具有更強(qiáng)的方向性，因此發(fā)射的信號(hào)可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

圖4 喇叭天線

拋物面碟形天線

拋物面天線收集或投射能量，例如電磁波。這種天線經(jīng)常出現(xiàn)在雷達(dá)工程中。

圖5 拋物面天線

圓形拋物面反射器由金屬制成。這種結(jié)構(gòu)通常是內(nèi)側(cè)覆蓋著金屬網(wǎng)的框架。金屬網(wǎng)槽的寬度必須小于 λ/10 。這種金屬覆蓋物即反射器，充當(dāng)反射雷達(dá)能量的鏡子。

圓形拋物面碟形天線可產(chǎn)生筆形射束。如果反射器是橢圓形的，則會(huì)產(chǎn)生扇形射束。監(jiān)視雷達(dá)在水平面和垂直平面上采用了兩種不同的曲率，從而實(shí)現(xiàn)方位角上所需的筆形射束，以及仰角上的經(jīng)典余割平方扇形射束。

拋物面碟形天線具有很強(qiáng)的方向性，通常用于射電天文學(xué)和衛(wèi)星通信。

八木宇田天線

八木宇田天線（又名八木天線）是一種方向性很強(qiáng)的天線，具有兩個(gè)或多個(gè)平行諧振天線組件作為半波偶極子。該天線由三個(gè)部分組成：反射器、驅(qū)動(dòng)元件和導(dǎo)向器。單驅(qū)動(dòng)元件通過(guò)傳輸線路或其他寄生元件連接發(fā)射器或接收器。在大多數(shù)情況下，反射器和一些導(dǎo)向器（較長(zhǎng)的元件）都是寄生元件。

圖6 八木宇田天線

這些寄生元件（較短的元件）充當(dāng)無(wú)源諧振器。它們與驅(qū)動(dòng)元件一起工作，并與發(fā)射器或接收器斷開(kāi)電氣連接。八木天線通常在高頻和超高頻范圍內(nèi)工作，即使在最小帶寬下，也可提供介于30 MHz到3 GHz之間的工作頻率。這些天線的獨(dú)特設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)良好的增益值（超過(guò)10dB）。

八木宇田天線具有很強(qiáng)的方向性。它們通常用于接收電視信號(hào)和進(jìn)行無(wú)線電通信。

貼片天線

貼片天線是通過(guò)在介質(zhì)表面上蝕刻出一塊導(dǎo)電材料貼片制成的天線。介質(zhì)材料安裝在接地層上，接地層支撐著整個(gè)結(jié)構(gòu)。連接到貼片的饋線將激發(fā)天線。貼片天線也稱(chēng)為微帶天線或印刷天線，因?yàn)檫@是通過(guò)微帶技術(shù)制造而成的印刷電路板。

圖7 貼片天線

貼片天線通常用于Wi-Fi和無(wú)線通信。

螺旋天線

螺旋天線是最簡(jiǎn)單的天線，廣泛用于超高頻應(yīng)用，工作頻率通常在甚高頻和超高頻范圍內(nèi)。這種天線有一根螺旋形狀的導(dǎo)線。

圖8 螺旋天線

螺旋天線具有高帶寬、高增益和圓極化等獨(dú)特特性。這種天線的頻率范圍為在30MHz -3GHz之間，常用于空間通信、衛(wèi)星通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

鞭形天線

鞭形天線常見(jiàn)于單極無(wú)線電天線。這意味著要更換一根天線，而不是兩根天線并排運(yùn)行或形成環(huán)路。這些天線被廣泛用于手機(jī)和手持式無(wú)線電等設(shè)備中。

鞭形天線的長(zhǎng)度決定了它的潛在波長(zhǎng)。負(fù)載線圈可以安裝在天線長(zhǎng)度范圍內(nèi)的任何位置，以縮短鞭形天線的長(zhǎng)度。因此，可以在不增加鞭長(zhǎng)的情況下增加電感。最常見(jiàn)的鞭形天線是半波長(zhǎng)鞭形天線和四分之一波長(zhǎng)鞭形天線。

鞭形天線為垂直極化，因?yàn)樗谴怪卑惭b在底部載具上。鞭形天線通常被稱(chēng)為全向鞭形天線，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谒矫嫔舷蚋鱾€(gè)方向輻射信號(hào)。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非如此，因?yàn)樗斜扌翁炀€都有一個(gè)頂部錐形盲區(qū)。

單頻和雙頻天線

天線可以分為單頻天線和雙頻天線，具體取決于天線是可以在單頻段中工作還是在多頻段中工作。

單頻天線可在特定頻率下工作。這一工作范圍通常較窄。僅需一個(gè)頻段的應(yīng)用會(huì)使用這種天線。傳統(tǒng)的電視系統(tǒng)和廣播音頻使用單頻天線。這種類(lèi)型的天線可以針對(duì)特定頻率進(jìn)行修改，以獲得最高效率和增益。鞭形天線、單極天線、環(huán)形天線、喇叭天線和螺旋天線都是單頻天線。

而雙頻天線可在兩個(gè)不同的頻率下工作。這些天線為每個(gè)頻段配備了單獨(dú)的元件或饋電點(diǎn)。通常，需要多個(gè)頻段的應(yīng)用會(huì)使用雙頻天線。移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的就是雙頻天線。這種類(lèi)型的天線可以在各種頻段上運(yùn)行，而無(wú)需分隔天線。偶極天線、貼片天線、八木天線和對(duì)數(shù)周期天線等就是雙頻天線。

單頻和雙頻天線的主要區(qū)別

單頻天線和雙頻天線的區(qū)別在于其設(shè)計(jì)，在于其各自工作頻段的數(shù)量。

以下是這兩種天線在設(shè)計(jì)上的一些主要區(qū)別：

單頻天線設(shè)計(jì)為在特定頻率下產(chǎn)生振動(dòng)。天線的物理尺寸決定了這種振動(dòng)。天線的長(zhǎng)度決定了其工作頻率。這些天線的帶寬很窄，只能在共振和附近頻率下工作。

雙頻天線設(shè)計(jì)為具有兩個(gè)不同的共振頻率。這些頻率通常用于兩個(gè)不同的頻段。雙頻天線為每個(gè)頻段配備了單獨(dú)的元件或饋電點(diǎn)，使天線能夠在兩個(gè)不同的頻率下運(yùn)行。 如果使用不同的物理尺寸來(lái)設(shè)計(jì)每個(gè)頻段的天線元件，則可以針對(duì)每個(gè)頻率范圍優(yōu)化性能。

單頻和雙頻天線的性能特點(diǎn)

在性能方面，單頻和雙頻天線各有優(yōu)缺點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)取決于應(yīng)用。性能對(duì)比如下表所示：

單頻和雙頻天線的應(yīng)用

在選擇是使用單頻天線還是雙頻天線時(shí)，頻率要求是關(guān)鍵。以下是每種天線的常見(jiàn)用例：

單頻天線

●   手機(jī)信號(hào)塔

●   GPS系統(tǒng)

●   衛(wèi)星通信

●   雷達(dá)系統(tǒng)

●   廣播和電視信號(hào)發(fā)送

雙頻天線

●   Wi-Fi路由器

●   RFID系統(tǒng)

●   藍(lán)牙設(shè)備

●   無(wú)線接入點(diǎn)

●   手機(jī)

影響單雙頻天線性能的因素

安放單頻和雙頻天線的位置十分重要。良好的位置保證了更出色的性能。這些因素包括：

1.位置：在視線范圍內(nèi)，天線和目標(biāo)必須在一條線上，且沒(méi)有遮擋。不應(yīng)有干擾的建筑物或惡劣的環(huán)境條件。

2.方向：天線的方向至關(guān)重要。定向天線對(duì)方向錯(cuò)誤更為敏感。為了獲得更強(qiáng)的信號(hào)，天線必須指向目標(biāo)。但是，全向天線等天線則沒(méi)有特定的方向要求。

3.干擾：單頻和雙頻天線的性能可能會(huì)因不同來(lái)源的干擾而下降。所選位置應(yīng)盡可能避免干擾。可以使用濾波器或屏蔽器來(lái)減少干擾。

4. 電纜損耗：將天線連接到通信系統(tǒng)的電纜會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損耗。高質(zhì)量的電纜有助于最大限度地提高信號(hào)強(qiáng)度。

天線成本（單頻和雙頻）

單頻和雙頻天線的成本因多種因素而異，例如：

制造材料

●   天線可以由不同的材料制成。這些材料可能會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生重大影響。例如，使用銅或鋁等優(yōu)質(zhì)材料可能比鋼制天線更加昂貴。

●   用于制造天線材料的供應(yīng)情況和產(chǎn)地也會(huì)影響其價(jià)格。

尺寸

●   天線的尺寸也會(huì)影響成本。由于材料和制造成本的增加，大天線比小天線貴。

●   但是，天線尺寸還取決于工作頻率。更高的頻率通常需要更小的天線。

性能水平

●   為提高性能而優(yōu)化的天線可能比性能較低的天線更加昂貴。例如，帶寬更寬的天線或效率更高的天線比性能較低的天線價(jià)格更高。

單頻天線

●   單頻天線通常比雙頻天線便宜。這是因?yàn)檫@些天線針對(duì)單一頻段進(jìn)行了優(yōu)化。

●   單頻天線的成本取決于其優(yōu)化的頻段、天線的尺寸以及性能。

雙頻天線

●   雙頻天線的價(jià)格通常高于單頻天線，因?yàn)殡p頻天線能夠在兩個(gè)不同的頻段上運(yùn)行。

●   優(yōu)化的頻段、尺寸和性能等各種因素都決定了雙頻天線的成本。

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