電磁波在我們現(xiàn)在生活中應(yīng)用極其廣泛，只要是用到無線鏈接的，目前電磁波還是最佳的選擇，常常也是唯一的選擇。那么，無論是電磁波的發(fā)射，還是接收，都離不開天線。可以說天線是無線設(shè)備的眼睛，天線的性能是整個無線設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵。
如果無線電天線性能不佳，那么它將限制整個無線電通信系統(tǒng)或任何使用它的無線系統(tǒng)的性能。因此，最大化天線的性能非常重要。了解基本的無線電天線理論將有助于從任何天線系統(tǒng)中獲得最大收益。
深入的天線理論可能會變得相當(dāng)復(fù)雜，但定性和簡化的理論解釋有助于理解實(shí)際發(fā)生的情況、無線電天線的工作原理以及如何優(yōu)化它們。這在建立無線電通信系統(tǒng)或鏈路時可能是關(guān)鍵。
天線的種類多種多樣，應(yīng)用場合也不盡相同。今天我們一起學(xué)習(xí)一下天線的基礎(chǔ)理論。
天線是如何工作的
無線電天線的目的是以射頻交流信號的形式將施加在其上的功率轉(zhuǎn)換為電磁波。該電磁波能夠穿過發(fā)射無線電天線和接收天線之間的空間。在接收端，電磁波從電磁波轉(zhuǎn)換回可應(yīng)用于無線電接收器輸入的射頻信號。
以這種方式，無線電天線能夠向其施加功率，從該功率發(fā)射電磁波形式的信號。類似地，當(dāng)電磁波入射到天線上時，它會從電磁波轉(zhuǎn)換為射頻信號，該信號可以傳送到接收設(shè)備的輸入端。
關(guān)于天線工作方式的基本理論可以用麥克斯韋方程來解釋。他們詳細(xì)介紹了電流或電荷沿天線移動時產(chǎn)生電磁波的方式。
從更定性的方法來看天線是如何工作的，可以想象一個與射頻信號一致振蕩的點(diǎn)電荷。由于電荷的振蕩，所產(chǎn)生的電場也會發(fā)生變化，這種變化的電場會產(chǎn)生位移電流。反過來，由于安培定律，該電流將產(chǎn)生磁場。
鑒于電荷的振蕩產(chǎn)生變化的電場，然后產(chǎn)生磁場，它們都一起變化。
應(yīng)用法拉第定律，變化的磁場會產(chǎn)生電場。反過來，該電場將再次產(chǎn)生磁場，并重復(fù)該過程。這些電場和磁場波構(gòu)成了從原始點(diǎn)電荷向外傳播的電磁波。
原始振蕩點(diǎn)電荷的能量被轉(zhuǎn)換為電磁波的能量——換句話說，進(jìn)入天線的功率被轉(zhuǎn)換為電磁波的能量。還可以看出，是天線上信號的電流分量產(chǎn)生了輻射的電磁波。
發(fā)送和接收互易
任何無線電天線的關(guān)鍵方面之一是它是否會以相同的方式接收和發(fā)射。任何無源天線，即不使用諸如有源天線之類的嵌入式電子電路的天線都將以相同的方式發(fā)射和接收。
它將具有相同的增益、相同的方向圖、極化、相同的阻抗以及發(fā)射和接收的其他方面。
通常使用傳輸信號的圖像更容易可視化增益和方向圖等因素，但天線在接收時也將具有相同的增益和方向圖等。
關(guān)鍵天線理論主題
有幾個基本主題是所有無線電天線類型共有的，它們構(gòu)成了基本天線理論的一部分。
極化： 無線電天線對極化很敏感。就像電磁波可以極化一樣，天線也是如此。可以看出，一些天線的元件是垂直的，而另一些是水平的。這是為了適應(yīng)垂直和水平極化的電磁波。
垂直和水平極化天線接收具有相同極化的電磁波 - 電磁屋檐的極化由包含電場的平面定義。如果波的極化未對齊，則信號電平將降低 - 交叉極化天線將不會接收到另一個發(fā)射的任何信號。因此，確保無線電通信系統(tǒng)中天線的極化相同是很重要的。
除了線性極化，電磁波還可以以圓形方式極化——顯然有兩個方向，即順時針和逆時針。與線極化類似，圓極化天線必須具有相同的極化方向才能接收對方發(fā)射的信號。
諧振和帶寬： 諧振和帶寬是天線理論的關(guān)鍵問題。本質(zhì)上，天線的帶寬是天線在其規(guī)格范圍內(nèi)工作的頻帶。盡管這似乎是一個模糊的定義，但它實(shí)際上是最有用的定義，因?yàn)樵诓煌膱鼍爸校煌奶炀€通常有不同的標(biāo)準(zhǔn)。
天線性能的兩個方面可能會限制帶寬。一個是反射功率，另一個是增益。
由于許多天線作為諧振天線工作，它們只能在有限的頻帶上工作。在這些限制之外，反射功率的水平會增加，它們可能無法有效地運(yùn)行。
另一個常見的限制是增益。許多天線像八木一樣，通常用作電視天線。這些天線在其給定帶寬內(nèi)運(yùn)行良好。在此之外，方向模式將會改變，并且它們不會那么有效。
天線的帶寬可能很重要。對于某些應(yīng)用，需要非常寬的帶寬。例如，電視天線通常需要寬帶寬——不僅傳輸占用相當(dāng)寬的帶寬，更重要的是不同的電視信號可以在寬頻帶上間隔開，并且天線需要能夠接收他們。對于其他應(yīng)用，例如各種無線系統(tǒng)，系統(tǒng)可以使用窄帶傳輸在單一頻率上運(yùn)行，并且對于這些應(yīng)用，天線帶寬可能很窄。
增益和方向性： 天線不會在所有方向上均等地輻射 - 只有各向同性源在所有方向上均等地輻射，這只是一個理論實(shí)體。在某些方向上，實(shí)際天線表現(xiàn)出增益，其中可用功率集中在特定方向上，并且它們具有方向圖。方向性和增益的天線理論在許多領(lǐng)域都很重要，無論是對于各種無線系統(tǒng)、無線電通信還是廣播。
饋電阻抗和匹配： 天線的輸入連接對其所連接的饋線呈現(xiàn)阻抗。為了獲得最佳功率傳輸源和負(fù)載，應(yīng)匹配。因此，與饋電阻抗相關(guān)的天線理論對于天線的最佳操作很重要。
與饋電阻抗相關(guān)的因素有很多，并且有多種方法可以確保為任何特定天線獲得良好的饋電和匹配，以確保優(yōu)化其性能。
盡管無線電天線理論可能看起來令人生畏，但對天線工作原理和一些關(guān)鍵概念的實(shí)際理解非常有用。在設(shè)置無線電通信系統(tǒng)或鏈路時，甚至對于安裝廣播接收天線或用于多種應(yīng)用中的任何一種的無線電天線時，它都是非常寶貴的。
