天線廣泛應(yīng)用于電信領(lǐng)域，比如無線電通信、廣播、電視等。

天線接收到電磁波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或接收電信號(hào)并將其作為電磁波輻射。

在這篇文章中，讓我們來看看天線背后的科學(xué)。

如果我們有一個(gè)電信號(hào)，那么我們?nèi)绾螌⑵滢D(zhuǎn)換為電磁波呢？

你的腦海中可能有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案：那就是使用一個(gè)閉合的導(dǎo)線，在電磁感應(yīng)原理的幫助下，將能夠產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)的磁場(chǎng)和周圍的電場(chǎng)。

然而，源周圍的這種波動(dòng)場(chǎng)在信號(hào)的傳輸中是沒有用處的。

這里的電磁場(chǎng)不傳播，它只是波動(dòng)。

在天線中，源周圍的電磁波需要與源分離，它們應(yīng)該傳播。

在研究如何制作天線之前，讓我們先了解一下天線的物理原理。

波分離考慮放置一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷，這種排列很近的一對(duì)電荷稱為偶極子，它們顯然會(huì)產(chǎn)生如圖所示的電場(chǎng)。

假設(shè)這些電荷是如圖所示，在其路徑的中點(diǎn)振蕩，速度將達(dá)到最大值，并且在它們的路徑末端，速度將為零，由于速度的變化，帶電顆粒將經(jīng)歷連續(xù)的加速和減速。

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找出如何使電磁場(chǎng)由于這種運(yùn)動(dòng)而變化。

讓我們只專注于一個(gè)電場(chǎng)線，在時(shí)間為零時(shí)形成的波前擴(kuò)展并變形，在八分之一的時(shí)間段之后。

如圖所示：

你可能會(huì)感到驚訝，期望在此位置顯示一個(gè)如下圖所示的簡(jiǎn)單的電場(chǎng)：

為什么電場(chǎng)擴(kuò)展形成一個(gè)像這樣的電場(chǎng)呢？

是因?yàn)榧铀倩驕p速電荷會(huì)產(chǎn)生一些電場(chǎng)記憶效應(yīng)，舊的電場(chǎng)不容易適應(yīng)新的電場(chǎng)，我們需要花一些時(shí)間來理解這種記憶效應(yīng)電場(chǎng)或扭結(jié)產(chǎn)生的加速或減速電荷，

我們將在另一篇文章中更詳細(xì)地討論這個(gè)有趣的話題。

如果我們繼續(xù)以同樣的方式分析，我們可以看到，在一個(gè)四分之一的時(shí)間周期內(nèi)，波前端在一個(gè)點(diǎn)相遇：

在這之后，波前發(fā)生分離和傳播。

請(qǐng)注意，這種變化的電場(chǎng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)垂直于他的變化的磁場(chǎng)。

如果你畫出電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化，你可以看到波的傳播是本質(zhì)上是正弦的。

有趣的是，所產(chǎn)生的傳播波長(zhǎng)正好是偶極子長(zhǎng)度的兩倍。

這正是我們?cè)谔炀€中所需要的，簡(jiǎn)而言之，如果我們能安排振蕩正電荷和負(fù)電荷，我們就能制造天線。

在實(shí)踐中這種振蕩電荷的生產(chǎn)很容易，取一個(gè)在中心彎曲的導(dǎo)電棒并施加一個(gè)中心的電壓信號(hào)，假定這是隨時(shí)間變化的信號(hào)，考慮這樣一種情況，在時(shí)刻0由于電壓的影響，電子將從偶極子的右邊移出，并且將是積累在左邊。

這意味著失去電子的另一端會(huì)自動(dòng)帶正電。

這種安排產(chǎn)生了與之前的偶極子電荷情況相同的效果，即在導(dǎo)線的末端有正電荷和負(fù)電荷，隨著電壓隨時(shí)間的變化，正電荷和負(fù)電荷會(huì)來回穿梭，從而產(chǎn)生了波的傳播。

我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了天線作為發(fā)射機(jī)的工作原理，發(fā)射信號(hào)的頻率將與施加的電壓信號(hào)的頻率相同：

因?yàn)閭鞑ヒ怨馑賯鞑?，所以我們可以很容易地?jì)算出傳播的波長(zhǎng)：

為了實(shí)現(xiàn)完美的傳輸，天線的長(zhǎng)度應(yīng)該是波長(zhǎng)的一半。天線的操作是可逆的，它可以像接收器一樣工作。

如果傳播的電磁場(chǎng)擊中它，我們將再次使用同一根天線并在此時(shí)施加電場(chǎng)，電子將累積在棒的一端，這和電偶極子是一樣的，當(dāng)外加電場(chǎng)改變正負(fù)電荷在另一端積累時(shí)，變化的電荷積累意味著在天線中心產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓信號(hào)。

該電壓信號(hào)是天線作為接收機(jī)工作時(shí)的輸出，輸出電壓信號(hào)的頻率與接收到的a.m.波的頻率相同。

從電場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以清楚地看出，為了獲得理想的接受效果，天線的尺寸應(yīng)該是波長(zhǎng)的一半。

在所有這些討論中，我們已經(jīng)看到天線是一個(gè)開路，現(xiàn)在讓我們看看一些實(shí)際的天線和它們是如何工作的。

在過去，電視接收用的是偶極子接收天線，彩色條作為偶極子接收天線，這種天線還需要一個(gè)反射器和導(dǎo)向器來將信號(hào)聚集在偶極子上，這種完整的結(jié)構(gòu)被稱為Yagi-Uda天線。

偶極天線將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些電信號(hào)通過同軸電纜傳送到電視單元。

如今，我們已經(jīng)轉(zhuǎn)向Dish電視天線，其中包括兩個(gè)主要組成，一個(gè)拋物面狀反射鏡和一個(gè)低噪聲塊下變頻器。

拋物面接收來自衛(wèi)星的電磁信號(hào)并將它們聚焦到lnbf上，拋物線的形狀很特別，經(jīng)過專門且精確設(shè)計(jì)。

lnbf由一個(gè)饋電喇叭、波導(dǎo)、PCB和探頭組成。

在下圖中，你可以看到傳入的信號(hào)是如何通過饋電喇叭和波導(dǎo)聚焦到探頭上的。

就像我們?cè)诤?jiǎn)單偶極子情況下看到的那樣，會(huì)感應(yīng)出電壓，如此生成的電壓信號(hào)會(huì)饋送到PCB進(jìn)行信號(hào)處理。

例如從高頻到低頻的濾波轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后的放大，這些電信號(hào)通過一個(gè)同軸電纜傳送到電視單元。

如果你打開一個(gè)Lnb你很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)探測(cè)器而不是一個(gè)，第二個(gè)探針垂直于第一個(gè)探針，意味著可用頻譜可以使用兩次通過發(fā)送水平或者垂直極化。

一個(gè)探頭檢測(cè)水平極化信號(hào)，另一個(gè)探頭檢測(cè)垂直極化信號(hào)。

你手中的手機(jī)使用完全不同的天線，稱為貼片天線，貼片天線由放置在接地面上的金屬貼片或條組成，中間有一塊介電材料，這里金屬貼片用作輻射元件，金屬貼片的長(zhǎng)度應(yīng)為適當(dāng)發(fā)射和接收的波長(zhǎng)的一半。

請(qǐng)注意，我們?cè)诖颂幷f明的貼片天線的描述是非?；镜摹?/p>

出品丨EDA365電子論壇

譯制丨巢影字幕組

排版編輯丨巢妹