解鎖無(wú)線(xiàn)通信：天線(xiàn)的魅力

天線(xiàn)是通信系統的眼睛和耳朵。它是一種幫助電磁能量在電子設備和空氣之間傳播的裝置。因此，天線(xiàn)就像是一座連接電子電路和電波的橋梁。設備通過(guò)這種連接，實(shí)現了信號的發(fā)送和接收。在日常生活中，天線(xiàn)普遍存在于眾多設備中，例如手機和 Wi-Fi。不同天線(xiàn)的用途也不盡相同。

偶極天線(xiàn)

偶極天線(xiàn)通常用于傳輸廣播和電視信號。它是一種射頻天線(xiàn)。這種天線(xiàn)有兩個(gè)棒狀或線(xiàn)狀的導電元件。這些導電元件的長(cháng)度大約是該工作頻率在自由空間中的最大波長(cháng)值的一半。絕緣材料從天線(xiàn)中心將這兩種導電材料分開(kāi)。下圖所示為偶極天線(xiàn)。這種天線(xiàn)可以水平放置，也可以垂直放置。

圖1 偶極天線(xiàn)

射頻電壓源位于天線(xiàn)的中間。兩個(gè)導電元件提供電壓和電流。這些元件可產(chǎn)生電磁信號或無(wú)線(xiàn)電信號，并會(huì )輻射到天線(xiàn)外部。天線(xiàn)中心的電壓最小，電流最大。而偶極天線(xiàn)兩端的電流最小，電壓最大。這就是偶極天線(xiàn)分配電流的方式。

圖 2 所示為垂直于天線(xiàn)軸線(xiàn)的偶極天線(xiàn)方向圖。天線(xiàn)的輻射特性通過(guò)輻射方向圖以圖形方式描繪出來(lái)。此模式描述了天線(xiàn)如何向空間發(fā)射能量。

圖2 輻射方向圖

因此，這款天線(xiàn)會(huì )將電信號轉換為射頻電磁信號。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換為電信號。

環(huán)形天線(xiàn)

這種類(lèi)型的天線(xiàn)是將線(xiàn)圈或粗細均勻的電線(xiàn)彎曲成環(huán)形制成的。簡(jiǎn)而言之，就是將射頻載流線(xiàn)圈彎曲成圓形、方形、矩形和橢圓形等形狀。

這些天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉且用途廣泛。它們的應用非常多，通常用于A(yíng)M廣播和低頻應用。

圖3 環(huán)形天線(xiàn)

在所有形狀的天線(xiàn)中，環(huán)形天線(xiàn)的應用最為廣泛。這是因為環(huán)形天線(xiàn)在構造和分析方面都非常簡(jiǎn)單。

環(huán)形天線(xiàn)也稱(chēng)為輻射線(xiàn)圈，截面為單線(xiàn)圈或多線(xiàn)圈。具有兩圈或更多線(xiàn)圈的環(huán)形天線(xiàn)稱(chēng)為框架。環(huán)形天線(xiàn)允許的工作頻率范圍在300 MHZ到3 GHz之間。

喇叭天線(xiàn)

喇叭天線(xiàn)是一種孔徑天線(xiàn)。它專(zhuān)為微波頻率 (300 MHz – 30 GHz) 而設計。天線(xiàn)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(shí)現遠距離傳輸。

圖4 喇叭天線(xiàn)

拋物面碟形天線(xiàn)

拋物面天線(xiàn)收集或投射能量，例如電磁波。這種天線(xiàn)經(jīng)常出現在雷達工程中。

圖5 拋物面天線(xiàn)

圓形拋物面反射器由金屬制成。這種結構通常是內側覆蓋著(zhù)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，充當反射雷達能量的鏡子。

圓形拋物面碟形天線(xiàn)可產(chǎn)生筆形射束。如果反射器是橢圓形的，則會(huì )產(chǎn)生扇形射束。監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(shí)現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(xiàn)具有很強的方向性，通常用于射電天文學(xué)和衛星通信。

八木宇田天線(xiàn)

八木宇田天線(xiàn)（又名八木天線(xiàn)）是一種方向性很強的天線(xiàn)，具有兩個(gè)或多個(gè)平行諧振天線(xiàn)組件作為半波偶極子。該天線(xiàn)由三個(gè)部分組成：反射器、驅動(dòng)元件和導向器。單驅動(dòng)元件通過(guò)傳輸線(xiàn)路或其他寄生元件連接發(fā)射器或接收器。在大多數情況下，反射器和一些導向器（較長(cháng)的元件）都是寄生元件。

圖6 八木宇田天線(xiàn)

這些寄生元件（較短的元件）充當無(wú)源諧振器。它們與驅動(dòng)元件一起工作，并與發(fā)射器或接收器斷開(kāi)電氣連接。八木天線(xiàn)通常在高頻和超高頻范圍內工作，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(xiàn)的獨特設計可實(shí)現良好的增益值（超過(guò)10dB）。

八木宇田天線(xiàn)具有很強的方向性。它們通常用于接收電視信號和進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電通信。

貼片天線(xiàn)

貼片天線(xiàn)是通過(guò)在介質(zhì)表面上蝕刻出一塊導電材料貼片制成的天線(xiàn)。介質(zhì)材料安裝在接地層上，接地層支撐著(zhù)整個(gè)結構。連接到貼片的饋線(xiàn)將激發(fā)天線(xiàn)。貼片天線(xiàn)也稱(chēng)為微帶天線(xiàn)或印刷天線(xiàn)，因為這是通過(guò)微帶技術(shù)制造而成的印刷電路板。

圖7 貼片天線(xiàn)

貼片天線(xiàn)通常用于Wi-Fi和無(wú)線(xiàn)通信。

螺旋天線(xiàn)

螺旋天線(xiàn)是最簡(jiǎn)單的天線(xiàn)，廣泛用于超高頻應用，工作頻率通常在甚高頻和超高頻范圍內。這種天線(xiàn)有一根螺旋形狀的導線(xiàn)。

圖8 螺旋天線(xiàn)

螺旋天線(xiàn)具有高帶寬、高增益和圓極化等獨特特性。這種天線(xiàn)的頻率范圍為在30MHz -3GHz之間，常用于空間通信、衛星通信和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

鞭形天線(xiàn)

鞭形天線(xiàn)常見(jiàn)于單極無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)。這意味著(zhù)要更換一根天線(xiàn)，而不是兩根天線(xiàn)并排運行或形成環(huán)路。這些天線(xiàn)被廣泛用于手機和手持式無(wú)線(xiàn)電等設備中。

鞭形天線(xiàn)的長(cháng)度決定了它的潛在波長(cháng)。負載線(xiàn)圈可以安裝在天線(xiàn)長(cháng)度范圍內的任何位置，以縮短鞭形天線(xiàn)的長(cháng)度。因此，可以在不增加鞭長(cháng)的情況下增加電感。最常見(jiàn)的鞭形天線(xiàn)是半波長(cháng)鞭形天線(xiàn)和四分之一波長(cháng)鞭形天線(xiàn)。

鞭形天線(xiàn)為垂直極化，因為它是垂直安裝在底部載具上。鞭形天線(xiàn)通常被稱(chēng)為全向鞭形天線(xiàn)，因為它們能夠在水平面上向各個(gè)方向輻射信號。但嚴格來(lái)說(shuō)并非如此，因為所有鞭形天線(xiàn)都有一個(gè)頂部錐形盲區。

單頻和雙頻天線(xiàn)

天線(xiàn)可以分為單頻天線(xiàn)和雙頻天線(xiàn)，具體取決于天線(xiàn)是可以在單頻段中工作還是在多頻段中工作。

單頻天線(xiàn)可在特定頻率下工作。這一工作范圍通常較窄。僅需一個(gè)頻段的應用會(huì )使用這種天線(xiàn)。傳統的電視系統和廣播音頻使用單頻天線(xiàn)。這種類(lèi)型的天線(xiàn)可以針對特定頻率進(jìn)行修改，以獲得最高效率和增益。鞭形天線(xiàn)、單極天線(xiàn)、環(huán)形天線(xiàn)、喇叭天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)都是單頻天線(xiàn)。

而雙頻天線(xiàn)可在兩個(gè)不同的頻率下工作。這些天線(xiàn)為每個(gè)頻段配備了單獨的元件或饋電點(diǎn)。通常，需要多個(gè)頻段的應用會(huì )使用雙頻天線(xiàn)。移動(dòng)通信系統使用的就是雙頻天線(xiàn)。這種類(lèi)型的天線(xiàn)可以在各種頻段上運行，而無(wú)需分隔天線(xiàn)。偶極天線(xiàn)、貼片天線(xiàn)、八木天線(xiàn)和對數周期天線(xiàn)等就是雙頻天線(xiàn)。

單頻和雙頻天線(xiàn)的主要區別

單頻天線(xiàn)和雙頻天線(xiàn)的區別在于其設計，在于其各自工作頻段的數量。

以下是這兩種天線(xiàn)在設計上的一些主要區別：

單頻天線(xiàn)設計為在特定頻率下產(chǎn)生振動(dòng)。天線(xiàn)的物理尺寸決定了這種振動(dòng)。天線(xiàn)的長(cháng)度決定了其工作頻率。這些天線(xiàn)的帶寬很窄，只能在共振和附近頻率下工作。

雙頻天線(xiàn)設計為具有兩個(gè)不同的共振頻率。這些頻率通常用于兩個(gè)不同的頻段。雙頻天線(xiàn)為每個(gè)頻段配備了單獨的元件或饋電點(diǎn)，使天線(xiàn)能夠在兩個(gè)不同的頻率下運行。 如果使用不同的物理尺寸來(lái)設計每個(gè)頻段的天線(xiàn)元件，則可以針對每個(gè)頻率范圍優(yōu)化性能。

單頻和雙頻天線(xiàn)的性能特點(diǎn)

在性能方面，單頻和雙頻天線(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)取決于應用。性能對比如下表所示：

單頻和雙頻天線(xiàn)的應用

在選擇是使用單頻天線(xiàn)還是雙頻天線(xiàn)時(shí)，頻率要求是關(guān)鍵。以下是每種天線(xiàn)的常見(jiàn)用例：

單頻天線(xiàn)

●   手機信號塔

●   GPS系統

●   衛星通信

●   雷達系統

●   廣播和電視信號發(fā)送

雙頻天線(xiàn)

●   Wi-Fi路由器

●   RFID系統

●   藍牙設備

●   無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)

●   手機

影響單雙頻天線(xiàn)性能的因素

安放單頻和雙頻天線(xiàn)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(xiàn)范圍內，天線(xiàn)和目標必須在一條線(xiàn)上，且沒(méi)有遮擋。不應有干擾的建筑物或惡劣的環(huán)境條件。

2.方向：天線(xiàn)的方向至關(guān)重要。定向天線(xiàn)對方向錯誤更為敏感。為了獲得更強的信號，天線(xiàn)必須指向目標。但是，全向天線(xiàn)等天線(xiàn)則沒(méi)有特定的方向要求。

3.干擾：單頻和雙頻天線(xiàn)的性能可能會(huì )因不同來(lái)源的干擾而下降。所選位置應盡可能避免干擾?？梢允褂脼V波器或屏蔽器來(lái)減少干擾。

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

天線(xiàn)成本（單頻和雙頻）

單頻和雙頻天線(xiàn)的成本因多種因素而異，例如：

制造材料

●   天線(xiàn)可以由不同的材料制成。這些材料可能會(huì )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(xiàn)更加昂貴。

●   用于制造天線(xiàn)材料的供應情況和產(chǎn)地也會(huì )影響其價(jià)格。

尺寸

●   天線(xiàn)的尺寸也會(huì )影響成本。由于材料和制造成本的增加，大天線(xiàn)比小天線(xiàn)貴。

●   但是，天線(xiàn)尺寸還取決于工作頻率。更高的頻率通常需要更小的天線(xiàn)。

性能水平

●   為提高性能而優(yōu)化的天線(xiàn)可能比性能較低的天線(xiàn)更加昂貴。例如，帶寬更寬的天線(xiàn)或效率更高的天線(xiàn)比性能較低的天線(xiàn)價(jià)格更高。

單頻天線(xiàn)

●   單頻天線(xiàn)通常比雙頻天線(xiàn)便宜。這是因為這些天線(xiàn)針對單一頻段進(jìn)行了優(yōu)化。

●   單頻天線(xiàn)的成本取決于其優(yōu)化的頻段、天線(xiàn)的尺寸以及性能。

雙頻天線(xiàn)

●   雙頻天線(xiàn)的價(jià)格通常高于單頻天線(xiàn)，因為雙頻天線(xiàn)能夠在兩個(gè)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(xiàn)的成本。

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