天线的设计和工作原理

一路上

前言

天线不仅仅是连接到每个无线电的简单设备，它们是将来自发射器的电压转换为无线电信号的传感器。他们从空气中拾取无线电信号，并将其转换成电压，以便在接收器中恢复。

天线通常被认为是理所当然的，并在设计中留到最后一刻，但它对于建立和维持可靠的无线电连接至关重要。对于大多数工程师来说，它们可能看起来复杂而神秘，尤其是第一次使用无线应用的 EE，更不用说它们的尺寸和形状似乎有无限多种。然而，对要点的简要回顾可以帮助减轻任何设计担忧。

到底什么是无线电波？

无线电波是与电场成直角的磁场的组合。两者都以特定频率振荡，并且沿垂直于两个场的方向一起行进（图 1）。这些电磁场以光速（约每秒 3 亿米或约每秒 186,400 英里）穿过自由空间。根据著名的麦克斯韦方程，它们一路上互相支持和再生，但随着距离的增加而减弱。

图1. 天线产生彼此垂直且与传播方向垂直的电场和磁场。

无线电波有哪些特征？

主要特征之一是场与地球的方向，这称为极化。如果电场垂直于地球表面，则天线是垂直极化的。如果天线与地球表面水平，则天线为水平极化。

无线电波其他重要特征：一般来说，无线电波有近场和远场。近场靠近天线，通常在几个波长内。远场距离天线大约 10 个波长或更多。远场脱离天线并成为无线电信号。

射频通信 (RFID) 和近场通信 (NFC) 等应用使用近场，这更类似于变压器初级绕组周围的磁场。但总体而言，远场是最有用的无线电波。

天线如何工作？

发射器处的天线产生无线电波，将所需频率的电压施加到天线。天线元件上的电压和通过它们的电流分别产生电波和磁波。在接收器处，穿过天线的电磁波会感应出一个小电压。因此，天线成为接收器输入的信号源。

同一根天线可以同时用于发射和接收吗？

是的，我们称之为天线互易性，任何天线都可以用于发射或接收。在许多无线应用中，天线在发射器和接收器之间切换。

垂直天线会接收水平极化信号吗？

在大多数情况下，是的。现实世界中的天线很少是完全水平或垂直的，因此会收到一些信号。此外，由于反射和其他多径条件，大多数信号在传输路径上都会发生偏振变化。然而，这种天线方向不匹配确实会带来一些衰减。

如果更精确地控制，偏振可以用于在相同频率上复用两个信号。在一些卫星中，垂直极化天线可以发射一个信号，同时在同一频率上在单独的水平极化天线上发射或接收信号。如果偏振是应用中的问题，圆偏振可以提供解决方案。

什么是圆偏振？

顾名思义，极化在传输过程中不断旋转，使得可以使用水平或垂直天线进行接收。为了获得最大的接收效果，需要圆极化接收天线。还可以拥有产生右旋或左旋圆极化（RHCP 或 LHCP）的天线。这再次允许通过在两个不同信号上使用不同极化来重复使用频率。通常，使用由螺旋导体和反射器制成的螺旋天线。圆偏振最常见于卫星。

无线电信号如何从发射器传播到接收器？

根据无线电波的频率，信号以多种方式从一根天线移动到另一根天线。在低频（小于 3 MHz）下，信号通过地波传播，信号紧贴地球表面。距离限制在一百英里左右。AM 无线电波是低频传播的一个很好的例子。

在 3 至 30 MHz 范围内的频率（短波），信号传播 30 至 250 英里进入电离层，在那里它们被折射回地球。这几乎就像辐射信号一样，信号看起来像是从导电表面反射出来的。由于信号可以从地球到电离层多次跳跃并返回多次，因此可以实现很长的距离。

然而，对于当今的大多数无线通信来说，信号范围高于约 100 MHz 至远远超过 10 GHz。这些信号称为天波，就像光波一样沿直线传播。您需要从一根天线到另一根天线的直接视距 (LOS) 路径来建立链路。显然，信号的范围与天线的高度有很大关系。

最常见的天线形式是什么？

偶极子由两个首尾相连的线性导体组成，长度为二分之一波长（λ/2）（图2a）。这里，一个波长是以米为单位的 300/f MHz。以英尺为单位的二分之一波长为 468/f MHz或以英寸为单位的 5616/f MHz。f 项是以兆赫为单位的工作频率。

2. 偶极子结构由两个端对端的 λ/4 元件组成，其中几个元件位于中心，通过传输线 (a)。

谐振时天线看起来是一个 73Ω 的电阻，从上方看，偶极子的水平辐射方向图类似于 8 字形 (b)。

在 3D 中，图案的形状像甜甜圈，最大辐射垂直于天线的长度。

发射器或接收器通常通过同轴电缆等传输线连接到天线的中心。天线的等效电阻阻抗为73Ω。在此刻。然而，这将随着天线的高度而变化，并成为高于或低于工作频率的复阻抗。因此，天线的作用就像一个谐振电路。

偶极子还有哪些其他特征？

通常，偶极子的方向与地球水平，从而产生水平极化波。此外，天线的辐射在所有方向上并不均匀。称为各向同性源的理想天线在所有方向上呈球形或同等程度地辐射。

在偶极子中，辐射方向图的形状像甜甜圈。俯视天线，您会看到形状像 8 字形的辐射图（图 2b）。最大的辐射或最好的接收发生在与天线成直角的位置。这种辐射方向图受附近导电和非导电物体的影响很大。

天线还有哪些其他物理形式？

偶极子的一个流行变体是接地平面或马可尼天线。它由一个垂直安装的 ?/4 元件组成，并与大地或称为接地平面的金属底座一起工作（图 3）。接地平面天线只是偶极子的一半，偶极子的另一个元件由接地平面表示。偏振是垂直的，辐射方向图是圆形或全向的。

图3. 接地平面天线是一个 λ/4 垂直元件，它针对接地平面、大金属表面、大地或在某些情况下针对称为径向的导体阵列工作。

底座的阻抗约为36Ω，通常使用50Ω同轴电缆来驱动它。

还有其他常见的形式吗？是的。贴片或微带天线在微波频率（大于 1 GHz）下很常见。它是一块方形或圆形的导电材料，宽度约为半波长。创建它很容易，因为它通常在印刷电路板 (PCB) 上实现（图 4）。环形天线在一些非关键应用中也很流行。它只是一个由导体、电线或 PCB 走线组成的连续环，周长为 0.1 ? 到 1.0？

图4、PCB上制作贴片或微带天线在微波频率下，很容易制作贴片阵列来形成相控阵，

该相控阵将具有增益、方向性以及结合波束形成和控制的能力。

天线可以表现出增益吗？一定。天线可以有效地增强信号强度，就像信号被电子放大器放大一样。它不会本身放大，但由于信号集中到较窄的波束中而形成增益。天线变得更有方向性。

例如，偶极子将信号集中到两个波瓣中。因此，偶极子的功率增益比各向同性天线高 1.64 dB。它被称为相对于各向同性源的增益（以 dBi 为单位）。但由于现实生活中不存在各向同性源，因此我们通常将天线的任何增益称为偶极子增益 (dBd)。例如，0 dBd = 2.15 dBi。

天线增益如何表示？

它通常以偶极子上的功率 dB 表示。另一种表达方式是有效辐射功率 (ERP)，即偶极子必须辐射才能产生与增益天线相同效果的实际功率量。您可以通过将发射机输出功率乘以天线增益来计算 ERP，其中增益是相当于 dB 增益值的功率比。有时，增益参考是各向同性辐射器而不是偶极子。在这种情况下，合适的术语是有效各向同性辐射功率 (EIRP)。您使用什么样的天线来获得增益？有很多不同的方法可以产生增益。大多数配置依赖于使用多个天线元件，例如多个偶极子或偶极子加上一个或多个不直接施加信号的寄生元件。一个熟悉的例子是流行的八木（图 5）。

图5、八木秀次和宇田慎太郎发明了八木天线，它包括一个连接到驱动元件的中央吊杆、一个反射器和一个或多个导向器 (a)。

元件数量越多，增益和方向性就越大，辐射方向图在靠近导向器的繁荣末端处最强（b）。添加更多导向器可以缩小波束并增加增益。

驱动元件是偶极子。它与一个稍长的元件（称为反射器）和三个较短的元件（称为导向器）一起使用。寄生元件将光束向前聚焦，辐射方向远离导向器。这样的天线可以产生大约10dB的有效功率增益。

通过添加更多的导演，可以获得更高的增益。如果有七个或更多导向器，则增益可达 20 dB。辐射波束宽度非常窄，有助于最大限度地减少附近其他站的干扰。

抛物面或“碟形”天线如何工作？

最终的定向增益天线（碟形天线）使用偶极子或类似天线，但添加了抛物面碟形天线作为反射器。将天线放置在抛物线的焦点处使得碟形天线将输入信号聚焦在天线上，或者从偶极子辐射的信号被碟形天线聚焦成非常窄的波束（图6 ）。

图6、在抛物面天线中，天线放置在焦点处，它可以是偶极子和喇叭或任何其他类型的天线。

抛物面盘将信号聚焦成非常窄的光束，代表着巨大的增益。

小于 1° 的光束宽度很常见。增益可能超过 50 dB，具体取决于碟形天线的直径。这种天线非常适合非常小的信号，例如来自卫星的信号。

还有其他常见的定向天线吗？

另一种优秀的定向增益天线是相控阵，它是一组安装在矩形阵列中的偶极子或等效天线（贴片、缝隙等）。典型的阵列可能是 4 x 4 或 16 x 16。天线由特定长度的传输线馈送，以在天线元件处产生同相信号。添加延迟或相移会在每个天线处产生可以相互帮助或抵消的信号。这允许对整个天线方向图进行整形、移动或以其他方式控制。

通过控制天线的相位，可以在很宽的波束宽度范围内控制辐射方向图。利用特殊的可变移相器，可以使天线波束变宽、变窄或指向特定方向。这称为波束成形。相控阵广泛应用于军用雷达，但蜂窝无线电也采用该技术来控制蜂窝基站天线的方向性，以提高信号质量。

如果天线的作用类似于调谐电路，如何确定它具有必要的带宽？

天线是谐振的，因此它们具有 Q 和相关带宽 (BW)。对于大多数天线，该带宽大约为谐振频率的 10% 到 15%。重要的是，天线具有足够宽的响应以通过所有必要的边带以避免失真。大多数天线都是选择性的，因此它们可以消除噪声和一些谐波，但您不希望出现边带削波。如果您使用的是商用天线，请查看选择性或带宽规格以查看其是否合适。

在天线结构中，物理尺寸会影响带宽；用电线将偶极天线的元件做得非常薄，会产生非常窄的带宽。但是，用管道使它们变宽或将它们扇形展开（例如，采用领结配置）可大大增加带宽。

天线如何连接到发射器或接收器？

传输线将天线连接到发射器或接收器。对于短距离，这可能是 PCB 上的短微带线或带状线。同轴电缆最常用于几英尺或更长的较长距离。传输线阻抗需要与天线和发射器/接收器阻抗相匹配，以确保最大功率传输。

大多数电路设计用于 50-？阻抗，与 50Ω 非常匹配？

使用同轴电缆与微带线，可以使线路具有任何所需的特性阻抗。棘手的部分是将线路与天线相匹配，天线的阻抗可以从几欧姆到几千欧姆，具体取决于类型和其他条件。在大多数应用中，某种形式的 LC 阻抗匹配网络用于将天线与线路或线路与电路进行匹配。

如果阻抗不匹配，就会出现反射和高驻波比 (SWR)，从而产生显着的损耗。另外，尽量避免使用同轴电缆，因为它在微波频率下的衰减非常高。可以使用低损耗电缆，但它仍然会极大地衰减信号。保持长度尽可能短，并在发射器或接收器中通过更大的放大来补偿电缆损耗。

什么是天线效率？

天线效率与一般效率类似，即功率输出与功率输入之比。但是，它有多种不同的指定方式。在大多数情况下，效率会影响 I2R 损耗、任何电介质的损耗以及基于与其他设备耦合的损耗。可能不包括与天线和传输线失配损耗相关的任何损耗，从而导致反射功率和更高的 SWR。
然而，一些衡量效率因素的任何变化都会导致天线辐射电阻的变化。大多数小型天线的效率都不高。任何高于 50% 到 60% 的值通常都很好，但如果可以的话，请始终寻求改进。

结语

如果不是射频工程师，可能不会自己尝试设计天线。天线设计非常专业，而且不仅仅是有点复杂。这也是黑魔法似乎起作用的利基市场之一。天线设计非常理论化，但它很大程度上基于经验工作和大量实验。

如果天线很简单，例如偶极子、接地平面或环路，那么它可能适合您。除此之外，市场上有大量的商用天线产品几乎可以满足任何需求。在大批量应用中，您甚至可以设计特殊的天线。为了获得最佳效果，最好是购买，而不是建造。

Ethertronics 的 Savvi 陶瓷天线适用于大多数无线标准，例如蓝牙、Wi-Fi、WiMAX 和选定的蜂窝频段。长度范围从约4毫米到约14毫米。