天线背后的科学-电子发烧友网

天线广泛用于电信领域，我们知道它们有许多应用。天线接收电磁波并将其转换为电信号，或者接收电信号并将其作为电磁波辐射。在本文中，我们将研究天线背后的科学。

波动电磁场与辐射电磁场的区别

我们有电信号，那么我们如何将其转换为电磁波呢？您可能会想到一个简单的答案。也就是说，使用闭合导体，并借助电磁感应原理，您将能够产生波动的磁场和围绕它的电场，如图1A所示。但是，源周围的这种波动场在传输信号时没有用。这里的电磁场不传播；相反，它只是围绕源波动。在天线中，电磁波需要与源分开，并且它们应该传播（图：1B）。在研究天线的制造方法之前，让我们了解波分离背后的物理原理。

振荡偶极子和辐射背后的物理学

考虑一个正电荷和一个负电荷分开放置。这种布置被称为偶极子，并且它们显然会产生如图2A所示的电场。现在，假设这些电荷正在振荡，如图2B所示。在其路径的中点，速度将为最大，而在其路径的末端，速度将为零。由于该速度变化，带电粒子经历连续的加速和减速。

1. t = 0时的电场线

现在的挑战是找出电场由于这种运动而如何变化。让我们只关注一条电场线（图3）。

图：3电场在t = 0处显示

2.在t = T / 8处的电场线

在零个时间段形成的波前扩展并在一个时间段的八分之一后如图所示变形（图4A）。这令人惊讶；您可能已经预料到一个简单的电场，如该位置所示。为什么电场会拉伸并形成这样的场？如图4B所示，这是因为加速或减速电荷会产生具有一定记忆效应的电场。旧的电场不容易适应新的条件。我们需要花一些时间来了解电场的作用，即加速或减速电荷的扭结。

3.在t = T / 4处的电场线

如果我们以相同的方式继续进行分析，我们可以看到在四分之一的时间段内，波前结束点在单个点处相遇（图5）。

图：5在t = T / 4处，电场的末端在单个点处汇合，发生分离和传播

此后，发生波前的分离和传播。如果绘制电场强度随距离的变化，您会发现波的传播本质上是正弦的（图6）。有趣的是，如此产生的传播波长恰好是偶极子长度的两倍。稍后我们将回到这一点。请注意，这种变化的电场将自动产生垂直于它的变化的磁场。这正是我们天线所需要的。简而言之，如果可以安排使正负电荷振荡的话，就可以制造天线。

图：6偶极子中的电磁辐射

天线中的辐射如何发生？

实际上，这种振荡电荷的产生非常容易。取一根在中心弯曲的导电棒，并在中心施加电压信号（7A）。假设这是您施加的信号，随时间变化的电压信号。考虑零时的情况。由于电压的影响，电子将从偶极子的右侧移出，并在左侧积聚。这意味着失去电子的另一端会自动带正电（7B）。这种布置产生了与先前的偶极电荷情况相同的效果，即导线末端的正电荷和负电荷。随着电压随时间的变化，正电荷和负电荷将往返移动。

简单的偶极天线也会产生与上一节相同的现象，并且会发生波传播。现在我们已经看到了天线如何作为发射器。发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同。由于传播以光速传播，因此我们可以轻松计算传播的波长（图8）。为了实现完美的传输，天线的长度应为波长的一半。

ƒ 天线 = ƒ 输入

C = ƒ 天线 X ƛ 天线

图：8天线以光速辐射电磁波

天线如何接收信号？

天线的操作是可逆的，如果传播的电磁场撞击到天线，它可以用作接收器。让我们详细看看这种现象。

再次使用同一根天线并施加电场。此时，电子将在棒的一端积聚。这与电偶极子相同。随着施加电场的变化，正负电荷会在另一端累积。变化的电荷累积意味着在天线的中心产生变化的电压信号。如图9所示，当天线用作接收器时，该电压信号就是输出。输出电压信号的频率与接收电磁波的频率相同。从电场配置可以明显看出，为了获得完美的接收效果，天线的尺寸应为波长的一半。在所有这些讨论中，我们已经看到天线是开路的。

图9：如果传播的电磁场撞击到天线，天线可以用作接收器

天线类型

现在，让我们看一些实用的天线及其工作原理。

1.八木宇田天线

过去，偶极天线用于电视接收。彩色条充当偶极子并接收信号，如图所示。偶极子是它的主要驱动元件。这种天线也需要反射器和指向矢，以将信号聚焦在偶极子上。反射器元件总是比从动元件更长，导向器元件总是比从动元件短。这种完整的结构称为八木宇田天线（图10A）。八木天线是由两位日本科学家八木秀久和宇田慎太郎发明的。它是定向天线，用于点对点通信。被驱动元件或偶极天线将接收到的信号转换为电信号，这些电信号通过同轴电缆传输到电视单元（图10B）。

2.详细的碟形天线

如今，我们已转向碟形电视天线。它们由两个主要部分组成，一个抛物线形反射器和一个低噪声降压转换器。抛物面天线从卫星接收电磁信号，并将其聚焦在LNBF上，如图11所示。抛物线的形状经过特别精确的设计。

图：11在碟形天线中，入射信号通过抛物面反射器聚焦到LNBF

LNBF由馈电喇叭，波导，PCB和探针（12A）组成。进入的信号通过馈电喇叭和波导聚焦到探头上。正如我们在简单偶极子情况下所看到的，在探头处感应出电压。如此生成的电压信号被馈送到PCB进行信号处理，例如滤波，从高频到低频的转换以及放大。经过信号处理后，这些电信号通过同轴电缆传输到电视单元（图12B）。

如果打开LNB，则很可能会找到2个探针而不是一个，第二个探针垂直于第一个。2探头排列意味着通过发送水平或垂直极化波可以将可用频谱使用两次。如图13所示，一个探头检测水平极化信号，另一个探头检测垂直极化信号。

图13：水平探头和垂直探头分别检测水平极化信号和垂直极化信号。

3.微带天线或贴片天线

您手中的手机使用完全不同类型的天线，称为贴片天线（图14A）。这些类型的天线价格便宜，并且易于制造在印刷电路板上。贴片天线由放置在接地平面上的金属贴片或金属条组成，中间有一块介电材料。在此，金属贴片用作辐射元件。金属贴片的长度应为适当传输和接收的波长的一半（图14B）。请注意，我们在此处说明的贴片天线的描述非常基础。