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天線 我有新說法

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天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發射或接收的基本特性參數是相同的。這就是天線的互易定理。

發展歷程

天線是由科學家波波夫發明的。

1888年，29歲的波波夫得知德國著名物理學家赫茲發現電磁波的消息后，這位曾經立志推廣電燈的年輕科學家對朋友們說：“我用畢生的精力去安裝電燈，對于廣闊的俄羅斯來說，只不過照亮了很小的一角：假如我能指揮磁波，那就可以飛越整個世界。”

于是，他埋頭研究，向新的目標發起了沖擊。

1894年，波波夫制成了一臺無線電接收機。這臺接收機的核心部分用的是改進了的金屬屑檢波器，波波夫采用電鈴作終端顯示，電鈴的小錘可以把檢波器里的金屬屑震松。電鈴用一個電磁繼電器帶動，當金屬屑檢波器檢測到電磁波時，繼電器接通電源，電鈴就響起來。

有一次，波波夫在實驗中發現，接收機檢測電波的距離突然比往常增大了許多。

“這是怎么回事呢？”波波夫查來查去，一直找不出原因。

一天，波波夫無意之中發現一根導線搭在金屬屑檢波器上。他把導線拿開，電鈴便不響了；他把實驗距離縮小到原來那么近，電鈴又響了起來。

波波夫喜出望外，連忙把導線接到金屬屑檢波器的一頭，并把檢波器的另一頭接上。經過再次試驗，結果表明使用天線后，信號傳遞距離劇增。

無線電天線由此而問世。

天線的定義

我們知道，通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電設備，都是通過無線電波來傳遞信息的，都需要有無線電波的輻射和接收。在無線電設備中，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線為發射機或接收機與傳播無線電波的媒質之間提供所需要的耦合。天線和發射機、接收機一樣，也是無線電設備的一個重要組成部分。

天線的功能

天線輻射的是無線電波，接收的也是無線電波，然而發射機通過饋線送入天線的并不是無線電波，接收天線也不能把無線電波直接經饋線送入接收機，其中必須經過能量轉換過程。下面我們以無線電通信設備為例分析一下信號的傳輸過程，進而說明天線的能量轉換作用。

在發射端，發射機產生的已調制的高頻振蕩電流（能量）經饋電設備輸入發射天線（饋電設備可隨頻率和形式不同，直接傳輸電流波或電磁波），發射天線將高頻電流或導波（能量）轉變為無線電波—自由電磁波（能量）向周圍空間輻射（見圖1）；在接收端，無線電波（能量）通過接收天線轉變成高頻電流或導波（能量）經饋電設備傳送到接收機。從上述過程可以看出，天線不但是輻射和接收無線電波的裝置，同時也是一個能量轉換器，是電路與空間的界面器件。

工作原理

當導體上通以高頻電流時，在其周圍空間會產生電場與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區，中間區，遠區。設R為空間一點距導體的距離，在 R ﹤﹤ λ/2π 時的區域稱近區，在該區內的電磁場與導體中電流,電壓有緊密的聯系。在R﹥﹥λ/2π的區域稱為遠區，在該區域內電磁場能離開導體向空間傳播，它的變化相對于導體上的電流電壓就要滯后一段時間，此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯系了，這區域的電磁場稱為輻射場。

必須指出，當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時，輻射很微弱；導線的長度 L增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。

發射天線正是利用輻射場的這種性質，使傳送的信號經過發射天線后能夠充分地向空間輻射。如何使導體成為一個有效輻射體導系統呢？這里先分析一下傳輸線上的情況，在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射，必須保證兩線結構對稱，線上對應點電流大小和方向相反，且兩線間的距離<π。要使電磁場能有效地輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對稱性，如采用把二導體成一定的角度分開，或是將其中一邊去掉等方法，都能使導體對稱性破壞而產生輻射。

分類

1、按工作性質可分為發射天線和接收天線。

2、按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。

3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。

4、按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。

5、按結構形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。

6、按維數來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線

一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現電纜之前在電視機上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線。

二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片）、喇叭狀、碟狀。

7、天線根據使用場合的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。

手持臺天線：就是個人使用手持對講機的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。

車載天線：是指原設計安裝在車輛上通訊天線，常見應用普遍的是吸盤天線。車載天線結構上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。

基地臺天線：在整個通訊系統中具有非常關鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺站。常用的基地臺天線有玻璃鋼高增益天線、四環陣天線（八環陣天線）、定向天線。

天線測量的典型配置

大多數普通天線的測量是測定其遠場的輻射特性，如方向圖（幅度、相位、極化）、旁瓣電平、增益、頻帶寬度等。本節將定義這些測量的基本概念。

圖4為測量輻射特性的典型配置。基本步驟是將一副發射或接收的源天線放在相對于待測天線（AUT）的遠場位置上，待測天線架設在可旋轉平臺上，旋轉待測天線，借以采集大量方向圖取樣值，實現天線輻射特性的測量。由于天線是電磁開放系統，測試環境對測量結果將產生影響，因此必須合理選擇測試場地，盡量實現無反射的環境，如建造微波暗室等。

天線測量中的互易性

天線測量中被測天線的工作狀態可以是發射狀態，也可以是接收狀態。這可根據測量的內容，測量的設備、場地條件等因素靈活選擇。由天線互易原理得知，兩種工作狀態測量該天線參數的結果應該是一致的。

（1）天線必須是線性的、無源的。

（2）收發系統阻抗匹配要良好。雖然待測天線和源天線之間存在多次反射，但由于自由空間傳播的衰減，這種影響并不嚴重。源天線、饋線、信號源以及待測天線、饋線及接收機，它們相互間的阻抗匹配是滿足互易原理的重要條件。

（3）調換天線時，收發支路無有源器件，如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等。

參考資料

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