天线原理笔记

1天线原理

1.1.天线的作用

任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。

天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。

天线的另一个作用是“能量转换”。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程。即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射；反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题：天线增益越高，则转换效率就越高。

1.2.天线的工作原理

天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。

1.2.1.辐射原理

LC是发信机的振荡回路。电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的围，这就创造了有利于辐射的条件。下图示出了它的演变过程。

导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。

当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

1.2.2.接收原理

电磁波的能量从发信天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在交变电磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压——电动势，其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连，在收信机中就可以获得已调波信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所以称此导线为收信天线。

无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器，“可逆性”是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使用，通信设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统的有效能量输出，又直接影响着收信系统的性能。天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线，收信天线可以用作发信天线，并且表现在天线用作发信天线时的参数，与用作收信天线时的参数保持不变，这就是天线的互易原理。为便于讨论，常将天线作为发信天线来分析，所得结论同样适用于该天线用作收信天线的情况。

1.3.天线辐射单元

1.3.1.对称振子天线（dipole）

对称振子天线（又叫偶极子天线）是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子有半波对称振子和全波对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，是最常用的对称振子，见下图；每臂长度为二分之一波长、全长与波长相等的振子，称全波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见下图。

天线振子是天线上的元器件，具有导向和放大电磁波的作用，天线振子是用导电性较好的金属制造的。振子有的是杆状的形状，也有的结构较复杂，一般是很多个振子平行排列在天线上。振子的尺寸要和接收或发射的频率波长尺寸对应才能达到最大效果,一般用二分之一或四分之一波长设计天线（对应全波振子和半波振子天线？）。

八木天线的振子是全波振子（“王”字的三横都是振子，竖线是支架），一般单根拉杆天线是半波振子。

对称振子也可以做成各式各样的结构，如下图。

1.3.

2.瓷天线（patch）

patch antenna就是各位常说的方形的瓷天线，属于圆极化的天线，因为匹配卫星的圆极化信号，所以信号对接时的极化损耗就小，但是其辐射扇区(方向图）并不那么优秀，至少没有Chip antenna好，chip antenna 就是常见的长条形瓷天线。（chip antenna 和常规工艺如FPC 、冲压钢片等设计的PIF A. Monopole天线设计原理一样，都是线极化天线，全向性辐射，某些设计优秀的chip antenna其圆极化分量和Patch antenna相差并不多，不像有些人说的3dB那么恐怖。）

除此之外，chip antenna的优势还有体积小，容易在小型号的设备中使用，耗材少，成本低、全向性接收信号。在未来，除了在一些很专业的导航领域，chip antenna 肯定会替代patch antenna。

1.3.3.微带天线（microstrip）

微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：1、贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。2、贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。

1.4.天线馈电网络

1.4.1.馈电网络结构

馈电网络的主要结构有：串联馈电、中心馈电(混合) 、共同馈电。结构如下图。