解锁无线通信：天线的魅力

作者：e络盟技术团队

天线是通信系统的眼睛和耳朵。它是一种帮助电磁能量在电子设备和空气之间传播的装置。因此，天线就像是一座连接电子电路和电波的桥梁。设备通过这种连接，实现了信号的发送和接收。在日常生活中，天线普遍存在于众多设备中，例如手机和 Wi-Fi。不同天线的用途也不尽相同。

偶极天线

偶极天线通常用于传输广播和电视信号。它是一种射频天线。这种天线有两个棒状或线状的导电元件。这些导电元件的长度大约是该工作频率在自由空间中的最大波长值的一半。绝缘材料从天线中心将这两种导电材料分开。下图所示为偶极天线。这种天线可以水平放置，也可以垂直放置。


图1：偶极天线

射频电压源位于天线的中间。两个导电元件提供电压和电流。这些元件可产生电磁信号或无线电信号，并会辐射到天线外部。天线中心的电压最小，电流最大。而偶极天线两端的电流最小，电压最大。这就是偶极天线分配电流的方式。

图 2 所示为垂直于天线轴线的偶极天线方向图。天线的辐射特性通过辐射方向图以图形方式描绘出来。此模式描述了天线如何向空间发射能量。


图2：辐射方向图

因此，这款天线会将电信号转换为射频电磁信号。这些信号在发射端发射，并在接收端将射频电磁信号转换为电信号。

环形天线

这种类型的天线是将线圈或粗细均匀的电线弯曲成环形制成的。简而言之，就是将射频载流线圈弯曲成圆形、方形、矩形和椭圆形等形状。

这些天线结构简单、价格低廉且用途广泛。它们的应用非常多，通常用于AM广播和低频应用。


图3：环形天线

在所有形状的天线中，环形天线的应用最为广泛。这是因为环形天线在构造和分析方面都非常简单。

环形天线也称为辐射线圈，截面为单线圈或多线圈。具有两圈或更多线圈的环形天线称为框架。环形天线允许的工作频率范围在300 MHZ到3 GHz之间。

喇叭天线

喇叭天线是一种孔径天线。它专为微波频率 (300 MHz – 30 GHz) 而设计。天线的末端呈喇叭形状。这种形状具有更强的方向性，因此发射的信号可以轻而易举地实现远距离传输。


图4：喇叭天线

抛物面碟形天线

抛物面天线收集或投射能量，例如电磁波。这种天线经常出现在雷达工程中。


图5：抛物面天线

圆形抛物面反射器由金属制成。这种结构通常是内侧覆盖着金属网的框架。金属网槽的宽度必须小于 λ/10 。这种金属覆盖物即反射器，充当反射雷达能量的镜子。

圆形抛物面碟形天线可产生笔形射束。如果反射器是椭圆形的，则会产生扇形射束。监视雷达在水平面和垂直平面上采用了两种不同的曲率，从而实现方位角上所需的笔形射束，以及仰角上的经典余割平方扇形射束。

抛物面碟形天线具有很强的方向性，通常用于射电天文学和卫星通信。

八木宇田天线

八木宇田天线（又名八木天线）是一种方向性很强的天线，具有两个或多个平行谐振天线组件作为半波偶极子。该天线由三个部分组成：反射器、驱动元件和导向器。单驱动元件通过传输线路或其他寄生元件连接发射器或接收器。在大多数情况下，反射器和一些导向器（较长的元件）都是寄生元件。


图6：八木宇田天线

这些寄生元件（较短的元件）充当无源谐振器。它们与驱动元件一起工作，并与发射器或接收器断开电气连接。八木天线通常在高频和超高频范围内工作，即使在最小带宽下，也可提供介于30 MHz到3 GHz之间的工作频率。这些天线的独特设计可实现良好的增益值（超过10dB）。

八木宇田天线具有很强的方向性。它们通常用于接收电视信号和进行无线电通信。

贴片天线

贴片天线是通过在介质表面上蚀刻出一块导电材料贴片制成的天线。介质材料安装在接地层上，接地层支撑着整个结构。连接到贴片的馈线将激发天线。贴片天线也称为微带天线或印刷天线，因为这是通过微带技术制造而成的印刷电路板。


图7：贴片天线

贴片天线通常用于Wi-Fi和无线通信。

螺旋天线

螺旋天线是最简单的天线，广泛用于超高频应用，工作频率通常在甚高频和超高频范围内。这种天线有一根螺旋形状的导线。


图8：螺旋天线

螺旋天线具有高带宽、高增益和圆极化等独特特性。这种天线的频率范围为在30MHz -3GHz之间，常用于空间通信、卫星通信和无线网络。

鞭形天线

鞭形天线常见于单极无线电天线。这意味着要更换一根天线，而不是两根天线并排运行或形成环路。这些天线被广泛用于手机和手持式无线电等设备中。

鞭形天线的长度决定了它的潜在波长。负载线圈可以安装在天线长度范围内的任何位置，以缩短鞭形天线的长度。因此，可以在不增加鞭长的情况下增加电感。最常见的鞭形天线是半波长鞭形天线和四分之一波长鞭形天线。

鞭形天线为垂直极化，因为它是垂直安装在底部载具上。鞭形天线通常被称为全向鞭形天线，因为它们能够在水平面上向各个方向辐射信号。但严格来说并非如此，因为所有鞭形天线都有一个顶部锥形盲区。

单频和双频天线

天线可以分为单频天线和双频天线，具体取决于天线是可以在单频段中工作还是在多频段中工作。

单频天线可在特定频率下工作。这一工作范围通常较窄。仅需一个频段的应用会使用这种天线。传统的电视系统和广播音频使用单频天线。这种类型的天线可以针对特定频率进行修改，以获得最高效率和增益。鞭形天线、单极天线、环形天线、喇叭天线和螺旋天线都是单频天线。

而双频天线可在两个不同的频率下工作。这些天线为每个频段配备了单独的元件或馈电点。通常，需要多个频段的应用会使用双频天线。移动通信系统使用的就是双频天线。这种类型的天线可以在各种频段上运行，而无需分隔天线。偶极天线、贴片天线、八木天线和对数周期天线等就是双频天线。

单频和双频天线的主要区别

单频天线和双频天线的区别在于其设计，在于其各自工作频段的数量。

以下是这两种天线在设计上的一些主要区别：

单频天线设计为在特定频率下产生振动。天线的物理尺寸决定了这种振动。天线的长度决定了其工作频率。这些天线的带宽很窄，只能在共振和附近频率下工作。

双频天线设计为具有两个不同的共振频率。这些频率通常用于两个不同的频段。双频天线为每个频段配备了单独的元件或馈电点，使天线能够在两个不同的频率下运行。 如果使用不同的物理尺寸来设计每个频段的天线元件，则可以针对每个频率范围优化性能。

单频和双频天线的性能特点

在性能方面，单频和双频天线各有优缺点。这些优点取决于应用。性能对比如下表所示：


      参数  单频天线  双频天线
  增益  单频天线的设计使其只能在一个频率下工作。与具有此特定频率的双频天线相比，这些天线的信号更强。与双频天线相比，单频天线可获得更多增益。  双频天线在两个频段运行。相对而言，它们的信号接收能力较差。
  带宽  如果需要使用更宽的频谱，就会出现问题，因为单频天线限制为只能在一个特定的频率工作。  由于在两个不同的频段运行，双频天线的总带宽会增加。在支持多个频段方面有优势。
  效率  单频天线信号稳定，信号损耗可忽略不计，在共振频率下可实现最高效率。相比之下，双频天线在两个不同的频段运行，效率较低。  由于双频天线在两种不同的频率工作，因此其性能无法与单频天线相媲美。这就导致其信号较弱，不适合于某些情况。

单频和双频天线的应用

在选择是使用单频天线还是双频天线时，频率要求是关键。以下是每种天线的常见用例：

单频天线
        手机信号塔
        GPS系统
        卫星通信
        雷达系统
        广播和电视信号发送

双频天线
        Wi-Fi路由器
        RFID系统
        蓝牙设备
        无线接入点
        手机

影响单双频天线性能的因素

安放单频和双频天线的位置十分重要。良好的位置保证了更出色的性能。这些因素包括：

1.        位置：在视线范围内，天线和目标必须在一条线上，且没有遮挡。不应有干扰的建筑物或恶劣的环境条件。
2.        方向：天线的方向至关重要。定向天线对方向错误更为敏感。为了获得更强的信号，天线必须指向目标。但是，全向天线等天线则没有特定的方向要求。
3.        干扰：单频和双频天线的性能可能会因不同来源的干扰而下降。所选位置应尽可能避免干扰。可以使用滤波器或屏蔽器来减少干扰。
4.        电缆损耗：将天线连接到通信系统的电缆会导致信号损耗。高质量的电缆有助于最大限度地提高信号强度。

天线成本（单频和双频）

单频和双频天线的成本因多种因素而异，例如：

制造材料
        天线可以由不同的材料制成。这些材料可能会对成本产生重大影响。例如，使用铜或铝等优质材料可能比钢制天线更加昂贵。
        用于制造天线材料的供应情况和产地也会影响其价格。

尺寸
        天线的尺寸也会影响成本。由于材料和制造成本的增加，大天线比小天线贵。
        但是，天线尺寸还取决于工作频率。更高的频率通常需要更小的天线。

性能水平
        为提高性能而优化的天线可能比性能较低的天线更加昂贵。例如，带宽更宽的天线或效率更高的天线比性能较低的天线价格更高。

单频天线
        单频天线通常比双频天线便宜。这是因为这些天线针对单一频段进行了优化。
        单频天线的成本取决于其优化的频段、天线的尺寸以及性能。

双频天线
        双频天线的价格通常高于单频天线，因为双频天线能够在两个不同的频段上运行。
        优化的频段、尺寸和性能等各种因素都决定了双频天线的成本。

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