解鎖無線通信：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)備通過這種連接，實現(xiàn)了信號的發(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。它是一種射頻天線。這種天線有兩個棒狀或線狀的導(dǎo)電元件。這些導(dǎo)電元件的長度大約是該工作頻率在自由空間中的最大波長值的一半。絕緣材料從天線中心將這兩種導(dǎo)電材料分開。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。兩個導(dǎo)電元件提供電壓和電流。這些元件可產(chǎn)生電磁信號或無線電信號，并會輻射到天線外部。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輻射方向圖以圖形方式描繪出來。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，這款天線會將電信號轉(zhuǎn)換為射頻電磁信號。這些信號在發(fā)射端發(fā)射，并在接收端將射頻電磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。

環(huán)形天線

這種類型的天線是將線圈或粗細均勻的電線彎曲成環(huán)形制成的。簡而言之，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)簡單、價格低廉且用途廣泛。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。這是因為環(huán)形天線在構(gòu)造和分析方面都非常簡單。

環(huán)形天線也稱為輻射線圈，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。它專為微波頻率 (300 MHz – 30 GHz) 而設(shè)計。天線的末端呈喇叭形狀。這種形狀具有更強的方向性，因此發(fā)射的信號可以輕而易舉地實現(xiàn)遠距離傳輸。

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，則會產(chǎn)生扇形射束。監(jiān)視雷達在水平面和垂直平面上采用了兩種不同的曲率，從而實現(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）是一種方向性很強的天線，具有兩個或多個平行諧振天線組件作為半波偶極子。該天線由三個部分組成：反射器、驅(qū)動元件和導(dǎo)向器。單驅(qū)動元件通過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)無源諧振器。它們與驅(qū)動元件一起工作，并與發(fā)射器或接收器斷開電氣連接。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。這些天線的獨特設(shè)計可實現(xiàn)良好的增益值（超過10dB）。

八木宇田天線具有很強的方向性。它們通常用于接收電視信號和進行無線電通信。

貼片天線

貼片天線是通過在介質(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，接地層支撐著整個結(jié)構(gòu)。連接到貼片的饋線將激發(fā)天線。貼片天線也稱為微帶天線或印刷天線，因為這是通過微帶技術(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和無線通信。

螺旋天線

螺旋天線是最簡單的天線，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)星通信和無線網(wǎng)絡(luò)。

鞭形天線

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

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

鞭形天線為垂直極化，因為它是垂直安裝在底部載具上。鞭形天線通常被稱為全向鞭形天線，因為它們能夠在水平面上向各個方向輻射信號。但嚴格來說并非如此，因為所有鞭形天線都有一個頂部錐形盲區(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。僅需一個頻段的應(yīng)用會使用這種天線。傳統(tǒng)的電視系統(tǒng)和廣播音頻使用單頻天線。這種類型的天線可以針對特定頻率進行修改，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不同的頻率下工作。這些天線為每個頻段配備了單獨的元件或饋電點。通常，需要多個頻段的應(yīng)用會使用雙頻天線。移動通信系統(tǒng)使用的就是雙頻天線。這種類型的天線可以在各種頻段上運行，而無需分隔天線。偶極天線、貼片天線、八木天線和對數(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，在于其各自工作頻段的數(shù)量。

以下是這兩種天線在設(shè)計上的一些主要區(qū)別：

單頻天線設(shè)計為在特定頻率下產(chǎn)生振動。天線的物理尺寸決定了這種振動。天線的長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)計為具有兩個不同的共振頻率。這些頻率通常用于兩個不同的頻段。雙頻天線為每個頻段配備了單獨的元件或饋電點，使天線能夠在兩個不同的頻率下運行。 如果使用不同的物理尺寸來設(shè)計每個頻段的天線元件，則可以針對每個頻率范圍優(yōu)化性能。

單頻和雙頻天線的性能特點

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

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，頻率要求是關(guān)鍵。以下是每種天線的常見用例：

單頻天線

●   手機信號塔

●   GPS系統(tǒng)

●   衛(wèi)星通信

●   雷達系統(tǒng)

●   廣播和電視信號發(fā)送

雙頻天線

●   Wi-Fi路由器

●   RFID系統(tǒng)

●   藍牙設(shè)備

●   無線接入點

●   手機

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。定向天線對方向錯誤更為敏感。為了獲得更強的信號，天線必須指向目標(biāo)。但是，全向天線等天線則沒有特定的方向要求。

3.干擾：單頻和雙頻天線的性能可能會因不同來源的干擾而下降。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減少干擾。

4. 電纜損耗：將天線連接到通信系統(tǒng)的電纜會導(dǎo)致信號損耗。高質(zhì)量的電纜有助于最大限度地提高信號強度。

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。這些材料可能會對成本產(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)地也會影響其價格。

尺寸

●   天線的尺寸也會影響成本。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格更高。

單頻天線

●   單頻天線通常比雙頻天線便宜。這是因為這些天線針對單一頻段進行了優(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

●   雙頻天線的價格通常高于單頻天線，因為雙頻天線能夠在兩個不同的頻段上運行。

●   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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