天線理論 - 快速指南

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天線理論 - 基礎知識

需要表達思想、觀點或疑問的人，可以透過語音通訊來實現。

下圖顯示了兩個人互相交流。在這裡，通訊透過聲波進行。但是，如果兩個人相距較遠，則必須將這些聲波轉換成電磁波。將所需資訊訊號轉換成電磁波的裝置稱為天線。

什麼是天線？

天線是一種換能器，它將電能轉換為電磁波，反之亦然。

天線可以用作發射天線或接收天線。

• 發射天線將電訊號轉換成電磁波並輻射出去。

• 接收天線將接收到的電磁波轉換成電訊號。

• 在雙向通訊中，可以使用同一根天線進行發射和接收。

天線也可以稱為天線（Aerial）。其複數形式是天線（antennae）或天線（antennas）。如今，天線根據其尺寸和形狀進行了許多改進。根據其各種應用，存在許多不同型別的天線。

以下圖片是不同型別天線的示例。

在本章中，您將學習天線的基本概念、規格和不同型別的天線。

天線的需求

在通訊系統領域，只要需要無線通訊，就需要天線。天線能夠傳送或接收電磁波進行通訊，在無法鋪設線路系統的地方，天線是必不可少的。以下場景對此進行了說明。

場景

為了聯絡偏遠地區，必須沿著整個路線鋪設線路，穿過山谷、山脈、崎嶇的小路、隧道等，才能到達偏遠地區。無線技術的興起使整個過程變得非常簡單。天線是這項無線技術的關鍵要素。

在上圖中，天線幫助在整個區域建立通訊，包括山谷和山脈。這個過程顯然比在整個區域鋪設線路系統更容易。

輻射機制

天線的唯一功能是功率輻射或接收。天線（無論是發射、接收還是兩者兼備）都可以透過傳輸線連線到基站的電路。天線的功能取決於傳輸線的輻射機制。

旨在以最小損耗傳輸大距離電流的導體稱為傳輸線。例如，連線到天線的導線。以均勻速度傳導電流且長度無限的直線傳輸線不會輻射功率。

為了使傳輸線成為波導或輻射功率，必須對其進行相應的處理。

• 如果需要輻射功率，即使電流傳導速度均勻，導線或傳輸線也應該彎曲、截斷或終端。

• 如果該傳輸線具有隨時間變化的常數而加速或減速的電流，則即使導線是直的，它也會輻射功率。

• 如果彎曲或終端的裝置或管子輻射能量，則稱為波導。這些尤其用於微波傳輸或接收。

透過觀察下圖可以很好地理解這一點：

上圖表示一個充當天線的波導。來自傳輸線的功率透過具有孔徑的波導傳播，以輻射能量。

天線的基本型別

天線可以根據以下方面分為多種型別：

• 天線的物理結構。

• 工作頻率範圍。

• 應用模式等。

物理結構

以下是根據物理結構分類的天線型別。您將在後面的章節中瞭解這些天線。

• 線天線
• 孔徑天線
• 反射天線
• 透鏡天線
• 微帶天線
• 陣列天線

工作頻率

以下是根據工作頻率分類的天線型別。

• 甚低頻 (VLF)
• 低頻 (LF)
• 中頻 (MF)
• 高頻 (HF)
• 甚高頻 (VHF)
• 超高頻 (UHF)
• 特高頻 (SHF)
• 微波
• 無線電波

應用模式

以下是根據應用模式分類的天線型別：

• 點對點通訊
• 廣播應用
• 雷達通訊
• 衛星通訊

天線理論 - 基本引數

本章討論了基本的通訊引數，以便更好地瞭解使用天線的無線通訊。無線通訊以波的形式進行。因此，我們需要了解通訊中波的特性。

在本章中，我們將討論以下引數：

• 頻率
• 波長
• 阻抗匹配
• 駐波比和反射功率
• 頻寬
• 百分比頻寬
• 輻射強度

現在，讓我們詳細瞭解它們。

頻率

根據標準定義，“在特定時間段內波的重複率稱為頻率”。

簡單來說，頻率指的是事件發生的頻率。週期波每T秒（週期）重複一次。週期波的頻率只是週期的倒數 (T)。

數學表示式

數學上，它寫成如下所示。

$$f = \frac{1}{T}$$

其中

• f 是週期波的頻率。

• T 是波重複的週期。

單位

頻率的單位是赫茲，縮寫為Hz。

上圖表示正弦波，這裡繪製的是毫伏電壓對毫秒時間的曲線。該波每 2t 毫秒重複一次。因此，週期 T=2t 毫秒，頻率 $f = \frac{1}{2T}KHz$

波長

根據標準定義，“兩個連續最大點（波峰）之間或兩個連續最小點（波谷）之間的距離稱為波長”。

簡單來說，兩個相鄰正峰或兩個相鄰負峰之間的距離就是該波的長度。它可以稱為波長。

下圖顯示了一個週期性波形。圖中表示了波長 (λ) 和振幅。頻率越高，波長越短，反之亦然。

數學表示式

波長的公式是：

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

其中

• λ 是波長

• c 是光速（$3 * 10^{8}$ 米/秒）

• f 是頻率

單位

波長λ以長度單位表示，例如米、英尺或英寸。常用的單位是米。

阻抗匹配

根據標準定義，“當發射機的阻抗近似值等於接收機的阻抗近似值，反之亦然時，這稱為阻抗匹配”。

天線和電路之間需要進行阻抗匹配。天線、傳輸線和電路的阻抗應匹配，以便在天線和接收器或發射器之間實現最大功率傳輸。

匹配的必要性

諧振器是在一定窄帶頻率下提供更好輸出的器件。天線就是這樣一種諧振器，如果其阻抗匹配，則會提供更好的輸出。

• 如果天線阻抗與自由空間阻抗匹配，則天線輻射的功率將得到有效輻射。

• 對於接收天線，天線的輸出阻抗應與接收器放大器電路的輸入阻抗匹配。

• 對於發射天線，天線的輸入阻抗應與發射器放大器的輸出阻抗以及傳輸線的阻抗匹配。

單位

阻抗 (Z) 的單位是歐姆。

駐波比 (VSWR) & 反射功率

根據標準定義，“駐波中的最大電壓與最小電壓之比稱為電壓駐波比。”

如果天線、傳輸線和電路的阻抗不匹配，則功率將不能有效輻射。相反，部分功率將反射回。

主要特徵如下：

• 表示阻抗不匹配的術語是VSWR。

• VSWR代表電壓駐波比 (Voltage Standing Wave Ratio)。它也稱為SWR。

• 阻抗失配越大，VSWR的值越高。

• 為了有效輻射，VSWR的理想值為1:1。

• 反射功率是前向功率中浪費的功率。反射功率和VSWR都表示相同的事物。

頻寬

根據標準定義，“在波長中，為特定通訊指定的頻率範圍稱為頻寬。”

訊號在傳輸或接收時，是在一定頻率範圍內進行的。這個特定的頻率範圍分配給特定的訊號，以便其他訊號不會干擾其傳輸。

• 頻寬是指訊號傳輸的較高頻率和較低頻率之間的頻率範圍。

• 一旦分配了頻寬，其他人就不能使用。

• 整個頻譜被劃分為不同的頻寬，分配給不同的發射器。

我們剛才討論的頻寬也可以稱為絕對頻寬。

百分比頻寬

根據標準定義，“絕對頻寬與該頻寬中心頻率之比可以稱為百分比頻寬。”

頻帶內訊號強度最大的特定頻率稱為諧振頻率。它也稱為頻帶的中心頻率 (fC)。

• 較高和較低的頻率分別表示為f_H和f_L。

• 絕對頻寬由下式給出：f_H - f_L。

• 要了解頻寬的寬度，必須計算分數頻寬或百分比頻寬。

數學表示式

計算百分比頻寬是為了瞭解元件或系統可以處理多少頻率變化。

$$百分比頻寬 = \frac{絕對頻寬}{中心頻率} = \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{c}}$$

其中

• ${f_{H}}$是較高頻率

• ${f_{L}}$是較低頻率

• ${f_{c}}$是中心頻率

百分比頻寬越高，通道的頻寬越寬。

輻射強度

“輻射強度定義為單位立體角的功率”

天線發射的輻射在特定方向上更強烈，表示該天線的最大強度。最大限度地發射輻射就是輻射強度。

數學表示式

輻射強度是透過將輻射功率乘以徑向距離的平方獲得的。

$$U = r^{2} \times W_{rad}$$

其中

• U是輻射強度

• r是徑向距離

• W_rad是輻射功率。

上述公式表示天線的輻射強度。徑向距離的函式也表示為Φ。

單位

輻射強度的單位是瓦特/球面度或瓦特/弧度²。

天線理論 - 引數

天線的輻射強度與波束聚焦的方向和波束朝該方向的效率密切相關。在本節中，讓我們看一下處理這些主題的術語。

方向性

根據標準定義，“被測天線最大輻射強度與輻射相同總功率的各向同性或參考天線的輻射強度之比稱為方向性。”

天線輻射功率，但其輻射方向非常重要。正在觀察其效能的天線稱為被測天線。

它的輻射強度集中在特定方向，同時進行發射或接收。因此，據說天線在該特定方向具有其方向性。

• 天線在給定方向上的輻射強度與所有方向上的平均輻射強度之比，稱為方向性。

• 如果沒有指定該特定方向，則可以將觀察到最大強度的方向作為該天線的方向性。

• 非各向同性天線的方向性等於給定方向上的輻射強度與各向同性源的輻射強度之比。

數學表示式

輻射功率是角位置和電路徑向距離的函式。因此，它透過考慮θ和Ø這兩個術語來表示。

$$方向性 = \frac{被測天線最大輻射強度}{各向同性天線的輻射強度}$$ $$D = \frac{\phi(\theta,\phi)_{max}(來自被測天線)}{\phi_{0}(來自各向同性天線) }$$

其中

• ${\phi(\theta,\phi)_{max}}$是被測天線的最大輻射強度。

• ${\phi_{0}}$是各向同性天線（無損耗的天線）的輻射強度。

孔徑效率

根據標準定義，“天線的孔徑效率是有效輻射面積（或有效面積）與孔徑物理面積之比。”

天線有一個孔徑，功率透過該孔徑輻射。這種輻射應有效，損失最小。還應考慮孔徑的物理面積，因為輻射的有效性取決於天線上物理的孔徑面積。

數學表示式

孔徑效率的數學表示式如下：

$$ \varepsilon_{A} = \frac{A_{eff}}{A_{p}}$$

其中

• $\varepsilon_{A}$是孔徑效率。

• ${A_{eff}}$是有效面積。

• ${A_{p}}$是物理面積。

天線效率

根據標準定義，“天線效率是天線輻射功率與天線接受的輸入功率之比。”

簡單來說，天線旨在以最小的損耗輻射在其輸入端提供的功率。天線的效率說明了天線能夠多有效地輸送其輸出，同時在傳輸線中產生最小的損耗。

這也被稱為天線的輻射效率係數。

數學表示式

天線效率的數學表示式如下：

$$ \eta_{e} = \frac{P_{rad}}{P_{input}}$$

其中

• $\eta_{e}$是天線效率。

• ${P_{rad}}$是輻射功率。

• ${P_{input}}$是天線的輸入功率。

增益

根據標準定義，“天線的增益是給定方向上的輻射強度與如果天線接收的功率被各向同性輻射所獲得的輻射強度之比。”

簡單來說，天線的增益考慮了天線的方向性及其有效效能。如果天線接收的功率被各向同性地輻射（即向所有方向輻射），則我們可以將獲得的輻射強度作為參考。

• 術語天線增益描述了在峰值輻射方向上與各向同性源相比傳輸了多少功率。

• 增益通常以dB為單位測量。

• 與方向性不同，天線增益還考慮了發生的損耗，因此側重於效率。

數學表示式

增益G的方程式如下所示。

$$G = \eta_{e}D$$

其中

• G是天線的增益。

• $\eta_{e}$是天線的效率。

• D是天線的方向性。

單位

增益的單位是分貝或簡稱為dB。

天線理論 - 近場和遠場

在上一節討論的天線引數之後，另一個重要的考慮主題是天線的近場和遠場區域。

在靠近天線處測量的輻射強度與遠離天線處的輻射強度不同。儘管該區域遠離天線，但它被認為是有效的，因為那裡的輻射強度仍然很高。

近場

靠近天線的場稱為近場。它具有感應效應，因此也稱為感應場，儘管它具有一些輻射分量。

遠場

遠離天線的場稱為遠場。它也稱為輻射場，因為該區域的輻射效應很高。許多天線引數以及天線的方向性和天線的輻射圖僅在此區域中考慮。

場型

場分佈可以用場強來量化，稱為場型。這意味著，當繪製天線的輻射功率時，它以電場E（v/m）表示。因此，它被稱為場型。如果它以功率 (W) 來量化，則它被稱為功率型。

輻射場或功率的圖形分佈將是以下函式：

• 遠場的空間角 (θ, Ø)。

• 近場的空間角 (θ, Ø) 和徑向距離 (r)。

藉助圖表可以很好地理解近場和遠場區域的分佈。

場型可分為：

• 反向近場區域和輻射近場區域——兩者均稱為近場。

• 輻射遠場區域——簡稱為遠場。

非常靠近天線的場是反向近場或非輻射場，其中輻射不佔主導地位。其旁邊的區域可以稱為輻射近場或菲涅耳場，因為輻射占主導地位，並且角場分佈取決於與天線的物理距離。

其旁邊的區域是輻射遠場區域。在此區域中，場分佈與天線的距離無關。在此區域觀察到有效的輻射圖。

天線理論 - 輻射方向圖

輻射這個術語用於表示天線上波前的發射或接收，並指定其強度。在任何圖示中，繪製以表示天線輻射的草圖都是它的輻射圖。只需檢視其輻射圖，就可以簡單地瞭解天線的函式和方向性。

當從天線輻射功率時，它會在近場和遠場區域產生影響。

• 從圖形上看，輻射可以繪製為天線的角位置和徑向距離的函式。

• 這是天線輻射特性的數學函式，表示為球座標的函式，E (θ, Ø) 和 H (θ, Ø)。

輻射圖

天線輻射的能量由天線的輻射圖表示。輻射圖是輻射能量分佈到空間的圖表表示，它是方向的函式。

讓我們看一下能量輻射的模式。

上圖顯示了偶極子天線的輻射圖。正在輻射的能量由特定方向上繪製的圖案表示。箭頭表示輻射方向。

輻射方向圖可以是場型圖或功率型圖。

• 場型圖是電場和磁場的函式影像。它們通常採用對數刻度。

• 功率型圖是電場和磁場幅度平方的函式影像。它們採用對數刻度或常用的dB刻度。

三維輻射方向圖

輻射方向圖是一個三維圖形，假設其原點位於球座標系的中心，則用球座標 (r, θ, Φ) 表示。它看起來像下圖所示：

上圖是一個全向圖的三維輻射方向圖。它清楚地顯示了三個座標 (x, y, z)。

二維輻射方向圖

二維方向圖可以透過將三維方向圖分別劃分到水平面和垂直面得到。這些生成的圖形分別稱為水平方向圖和垂直方向圖。

這些圖顯示瞭如上所述的 H 面和 V 面上的全向輻射方向圖。H 面代表水平方向圖，而 V 面代表垂直方向圖。

瓣圖形成

在輻射方向圖的表示中，我們經常遇到不同的形狀，這些形狀指示主要的和次要的輻射區域，從而可以知道天線的輻射效率。

為了更好地理解，請考慮下圖，該圖表示偶極子天線的輻射方向圖。

這裡，輻射方向圖具有主瓣、旁瓣和後瓣。

• 覆蓋較大區域的主要輻射部分是主瓣或主波瓣。這是輻射能量最大的部分。該波瓣的方向指示天線的指向性。

• 輻射分佈在側面的圖案的其他部分稱為旁瓣或副波瓣。這些是能量浪費的區域。

• 還有一個波瓣，與主瓣的方向正好相反。它被稱為後瓣，也是一個副波瓣。即使在這裡，相當數量的能量也會浪費。

示例

如果雷達系統中使用的天線產生旁瓣，則目標跟蹤將變得非常困難。這是因為這些旁瓣會指示虛假目標。區分真實目標和虛假目標非常麻煩。因此，為了提高效能和節省能量，必須消除這些旁瓣。

補救措施

這種形式浪費的輻射能量需要得到利用。如果消除這些副瓣並將這種能量轉移到一個方向（即朝向主瓣），則天線的指向性會提高，從而導致天線效能更好。

輻射方向圖型別

常見的輻射方向圖型別包括：

• 全向圖（也稱為非定向圖）：該圖在三維檢視中通常呈環形。然而，在二維檢視中，它形成一個“8”字形圖案。

• 鉛筆束圖：波束具有尖銳的定向鉛筆形狀圖案。

• 扇形束圖：波束具有扇形圖案。

• 整形束圖：波束不均勻且無規律，稱為整形束。

所有這些型別的輻射的參考點都是各向同性輻射。儘管各向同性輻射在實踐中是不可能的，但考慮它是重要的。

天線理論 - 各向同性輻射

在上一章中，我們已經學習了輻射方向圖。為了更好地分析天線的輻射，需要一個參考點。各向同性天線的輻射填補了這一空白。

定義

各向同性輻射是指點源的輻射，在所有方向上均勻輻射，無論測量方向如何，強度都相同。

天線輻射方向圖的改進總是使用該天線的各向同性輻射來評估。如果輻射在所有方向上都相等，則稱為各向同性輻射。

• 點源是各向同性輻射器的示例。然而，這種各向同性輻射實際上是不可能的，因為每個天線都以一定的指向性輻射能量。

• 各向同性輻射就是全向輻射。

• 在三維檢視中呈環形圖案，在二維檢視中呈“8”字形圖案。

上圖顯示了各向同性或全向圖案的輻射方向圖。圖1顯示了三維環形圖案，圖2顯示了二維“8”字形圖案。(此處應插入兩張圖)

增益

各向同性輻射器具有單位增益，這意味著在所有方向上增益因子為 1。就 dB 而言，它可以稱為 0dB 增益（零損耗）。

等效各向同性輻射功率

根據標準定義，“各向同性天線輻射以產生在最大天線增益方向上觀察到的峰值功率密度所需的功率量，稱為等效各向同性輻射功率。”

如果將天線的輻射能量集中在一個側向或特定方向上，其輻射相當於該天線的各向同性輻射功率，則這種輻射稱為 EIRP，即等效各向同性輻射功率。

增益

雖然各向同性輻射是虛構的，但它是天線所能提供的最佳輻射。這種天線的增益將為 3dBi，其中 3dB 是 2 的因子，'i' 代表各向同性條件的因子。

如果輻射集中在某個角度，則 EIRP 隨著天線增益的增加而增加。透過將天線集中在特定方向上可以最好地實現天線增益。

有效輻射功率

如果以半波偶極子而不是各向同性天線為參考計算輻射功率，則可以將其稱為ERP（有效輻射功率）。

$$ERP(dBW) = EIRP(dBW) - 2.15dBi$$

如果已知 EIRP，則可以使用上述公式計算 ERP。

天線理論 - 波束和極化

本章討論天線輻射波束的引數。這些引數有助於我們瞭解波束規格。

波束面積

根據標準定義，“波束面積是天線輻射的所有功率都將透過的立體角，如果 P(θ, Ø) 在 Ω_A 上保持其最大值，而在其他地方為零。”

天線的輻射波束從天線的一個角度發出，稱為立體角，在該角度處功率輻射強度最大。這個立體波束角稱為波束面積。它用Ω_A表示。

在整個立體波束角 Ω_A 中，輻射強度 P(θ, Ø) 應保持恆定且最大，在其他地方其值為零。

$$輻射功率 = P(\theta,\Phi)\Omega_{A} \:瓦特$$

波束角是主瓣半功率點之間的角度集合。

數學表示式

波束面積的數學表示式為

$$\Omega_{A} =\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}P_{\pi}(\theta,\Phi)d\Omega\ 瓦特$$ $$d\Omega = \sin\theta\ d\theta\ d\Phi\ 瓦特$$

其中

• Ω_A 是立體波束角。
• θ 是角位置的函式。
• Φ 是徑向距離的函式。

單位

波束面積的單位是瓦特。

波束效率

根據標準定義，“波束效率表示主波束的波束面積與輻射的總波束面積之比。”

當能量從天線輻射時，會根據天線的指向性進行投射。天線輻射功率較大的方向效率最高，而部分能量在旁瓣中損失。波束輻射的最大能量，最小損失，可以稱為波束效率。

數學表示式

波束效率的數學表示式為：

$$\eta_{B} = \frac{\Omega_{MB}}{\Omega_{A}}$$

其中：

• η_B 是波束效率。
• Ω_MB 是主波束的波束面積。
• Ω_A 是總立體波束角（波束面積）。

天線極化

天線可以根據我們的要求進行極化。它可以是線極化或圓極化。天線極化的型別決定了接收或傳輸時的波束和極化模式。

線性極化

當傳輸或接收波時，可以沿不同的方向進行。天線的線性極化有助於將波保持在特定方向，避免所有其他方向。雖然使用了這種線性極化，但電場向量仍保持在同一平面內。因此，我們使用這種線性極化來提高天線的指向性。

圓極化

當波圓極化時，電場向量似乎會旋轉，其所有分量都會失去方向。有時旋轉模式也可能不同。但是，透過使用圓極化，可以減少多徑效應，因此它用於衛星通訊，例如GPS。

水平極化

水平極化使波變弱，因為地表反射會影響它。它們在低於 1GHz 的低頻下通常較弱。水平極化用於電視訊號傳輸以獲得更好的信噪比。

垂直極化

低頻垂直極化波有利於地波傳輸。它們不受地表反射的影響，例如水平極化波。因此，垂直極化用於行動通訊。

每種型別的極化都有其自身的優點和缺點。射頻系統設計人員可以根據系統要求自由選擇極化型別。

天線理論 - 波束寬度

在本章中，我們將討論天線輻射方向圖中的另一個重要因素，即波束寬度。在天線的輻射方向圖中，主瓣是天線的主要波束，天線輻射的最大和恆定能量流過該波束。

波束寬度是大部分功率輻射的角度。波束寬度的兩個主要考慮因素是半功率波束寬度(HPBW)和第一零點波束寬度(FNBW)。

半功率波束寬度

根據標準定義，“輻射方向圖幅度從主波束峰值下降 50%（或 -3dB）的角度間隔是半功率波束寬度。”

換句話說，波束寬度是大部分功率輻射的區域，即峰值功率。半功率波束寬度是在天線的有效輻射場中，相對功率大於峰值功率 50% 的角度。

HPBW 指示

在輻射圖樣的原點與主瓣上兩側的半功率點之間畫一條線，這兩條向量之間的角度稱為HPBW，即半功率波束寬度。藉助下圖可以更好地理解這一點。

該圖顯示了主瓣上的半功率點和HPBW。

數學表示式

半功率波束寬度的數學表示式為：

$$半功率波束寬度=70\lambda_{/D} $$

其中

• $\lambda$ 為波長 (λ = 0.3/頻率)。

• D 為直徑。

單位

HPBW 的單位為弧度或度。

第一零點波束寬度

根據標準定義，“相鄰於主瓣的第一對輻射圖樣零點之間的角跨度稱為第一零點波束寬度。”

簡單來說，FNBW 是從主波束引出的角間距，該間距畫在輻射圖樣主瓣上的零點之間。

FNBW 指示

從輻射圖樣的原點開始，在兩側畫出與主波束相切的兩條切線。這兩條切線之間的角度稱為第一零點波束寬度(FNBW)。

藉助下圖可以更好地理解這一點。

上圖顯示了半功率波束寬度和第一零點波束寬度，以及輻射圖樣中標註的副瓣和主瓣。

數學表示式

第一零點波束寬度的數學表示式為：

$$FNBW = 2 HPBW$$ $$FNBW\:2\left ( 70\lambda/D \right )\:=140\lambda/D$$

其中

• $\lambda$ 為波長 (λ = 0.3/頻率)。
• D 為直徑。

單位

FNBW 的單位為弧度或度。

有效長度和有效面積

在天線引數中，有效長度和有效面積也很重要。這些引數有助於我們瞭解天線的效能。

有效長度

天線有效長度用於確定天線的極化效率。

定義——“有效長度是指接收天線開路端電壓幅值與入射波前場強幅值之比，方向與天線極化方向相同。”

當入射波到達天線輸入端時，該波具有一定的場強，其幅值取決於天線的極化。這種極化應與接收端電壓的幅值匹配。

數學表示式

有效長度的數學表示式為：

$$l_{e} = \frac{V_{oc}}{E_{i}}$$

其中

• $l_{e}$ 為有效長度。

• $V_{oc}$ 為開路電壓。

• $E_{i}$ 為入射波的場強。

有效面積

定義——“有效面積是指接收天線從入射波前吸收大部分功率的面積與暴露于波前的總面積之比。”

接收時，整個天線面積都面對入射電磁波，而天線只有一部分接收訊號，這部分稱為有效面積。

只有一部分接收到的波前被利用，因為一部分波會被散射，一部分會被耗散為熱量。因此，不考慮損耗的情況下，將獲得最大功率的面積與實際面積之比可以稱為有效面積。

有效面積用$A_{eff}$表示。

天線理論 - 倒易性

天線既可以用作發射天線，也可以用作接收天線。在使用時，我們可能會遇到一個問題，即天線的特性是否會隨著其工作模式的變化而變化。幸運的是，我們不必擔心這個問題。天線的特性不變被稱為互易性。

互易性下的特性

發射天線和接收天線表現出互易性的特性有：

• 方向圖相等。
• 方向性相等。
• 有效長度相等。
• 天線阻抗相等。

讓我們看看這些是如何實現的。

方向圖相等

如果發射天線1向接收天線2發射訊號的輻射圖樣等於天線2發射訊號而天線1接收訊號的輻射圖樣。

方向性相等

如果方向性的值在兩種情況下都相同，即無論根據發射天線的功率還是接收天線的功率計算，方向性都相同，則方向性對於發射天線和接收天線都是相同的。

有效長度相等

發射天線和接收天線的最大有效孔徑值相同。根據波長值保持發射天線和接收天線的長度相等。

天線阻抗相等

在有效的通訊中，發射天線的輸出阻抗和接收天線的輸入阻抗相等。

即使同一根天線作為發射器或接收器工作，這些特性也不會改變。因此，遵循互易性。

天線理論 - 坡印廷向量

天線輻射電磁能量來發射或接收資訊。因此，能量和功率這兩個術語與這些電磁波相關，我們必須討論它們。電磁波既有電場也有磁場。

考慮任何時刻的波，它可以在兩個向量中觀察到。下圖顯示了電磁波中電場和磁場分量的表示。

電波垂直於電磁波的傳播方向，而磁波則水平放置。這兩個場互相垂直。

坡印廷向量

坡印廷向量描述了在任何給定時刻單位時間單位面積的電磁波能量。約翰·亨利·坡印廷於1884年首次推匯出該向量，因此以他的名字命名。

定義——“坡印廷向量給出單位面積的能量傳遞速率”

或

“波每單位時間每單位面積攜帶的能量由坡印廷向量給出。”

坡印廷向量用Ŝ表示。

單位

坡印廷向量的SI單位為W/m²。

數學表示式

用於描述與電磁波相關的功率的量是瞬時坡印廷向量，其定義為

$$\hat{S} = \hat{E} \times \hat{H}$$

其中

• $\hat{S}$ 為瞬時坡印廷向量 (W/m²)。

• $\hat{E}$ 為瞬時電場強度 (V/m)。

• $\hat{H}$ 為瞬時磁場強度 (A/m)。

這裡需要注意的重要一點是，在電磁波中，E 的幅值大於 H。但是，兩者貢獻的能量相同。Ŝ 是既有方向又有大小的向量。Ŝ 的方向與波的速度相同。其大小取決於 E 和 H。

坡印廷向量的推導

為了更清楚地瞭解坡印廷向量，讓我們逐步瞭解坡印廷向量的推導過程。

讓我們想象一下，電磁波垂直於X軸（波沿X軸傳播）透過面積(A)。在無窮小時間(dt)內，波傳播距離(dx)。

$$dx = C\ dt$$

其中

$$C = 光速 = 3\times 10^{8}m/s$$ $$體積, dv = Adx = AC\ dt$$ $$d\mu = \mu\ dv = (\epsilon_{0}E^{2})(AC\ dt)$$ $$= \epsilon_{0} AC \ E^{2}\ dt$$

因此，單位時間(dt)單位面積(A)傳遞的能量為：

$$S = \frac{能量}{時間\times 面積} = \frac{dW}{dt\ A} = \frac{\epsilon_{0}ACE^{2}\ dt}{dt\ A} = \epsilon_{0}C\:E^{2}$$

由於

$$\frac{E}{H} = \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\epsilon_{0}}} \ 則\ S= \frac{CB^{2}}{\mu_{0}}$$

由於

$$C = \frac{E}{H} \ 則 \ S = \frac{EB}{\mu_{0}}$$ $$= \hat{S} = \frac{1}{\mu_{0}}(\hat{E}\hat{H})$$

Ŝ 表示坡印廷向量。

上述等式給出了任何給定時刻單位時間單位面積的能量，這稱為坡印廷向量。

天線理論 - 天線型別

為了更清晰地瞭解天線的物理結構和功能，必須對天線進行分類。根據應用的不同，天線有很多型別。

我們將在接下來的章節中詳細討論上述各種型別的天線。

天線理論 - 線天線

線天線是最基本的天線型別。它們是眾所周知且廣泛使用的天線。為了更好地瞭解這些線天線，讓我們首先了解一下傳輸線。

傳輸線

導線或傳輸線具有一定的功率，該功率從一端傳播到另一端。如果傳輸線的兩端都連線到電路，則資訊將使用這兩條電路之間的導線進行傳輸或接收。

如果導線的一端未連線，則其中的功率將試圖逸出。這導致無線通訊。如果導線的一端彎曲，則能量比以前更有效地試圖從傳輸線逸出。這種有目的的逸出稱為輻射。

為了有效地進行輻射，傳輸線開路端的阻抗應與自由空間的阻抗匹配。考慮一根四分之一波長大小的傳輸線。它的遠端保持開啟並彎曲以提供高阻抗。這充當半波偶極子天線。它已經在傳輸線的一端具有低阻抗。具有高阻抗的開路端與自由空間的阻抗匹配，以提供更好的輻射。

偶極子

當透過這種彎曲的導線輻射能量時，這種傳輸線的末端稱為偶極子或偶極子天線。

輸入阻抗的電抗是偶極子半徑和長度的函式。半徑越小，電抗的幅度越大。它與波長成正比。因此，還應考慮偶極子的長度和半徑。通常，其阻抗約為72Ω。

藉助下圖可以更好地理解這一點。

該圖顯示了連線到傳輸線的普通偶極子的電路圖。偶極子的電流在中心最大，在端點最小。電壓在其中心最小，在其端點最大。

線天線的型別包括半波偶極子、半波折疊偶極子、全波偶極子、短偶極子以及無窮小偶極子。所有這些天線都將在後續章節中討論。

天線理論 - 半波偶極子

偶極子天線經過切割和彎折以實現有效輻射。用作偶極子的總導線長度等於波長的一半（即，l = λ/2）。這種天線被稱為半波偶極子天線。由於其優點，它是使用最廣泛的天線。它也稱為赫茲天線。

頻率範圍

半波偶極子工作的頻率範圍約為3KHz到300GHz。這主要用於無線電接收機。

半波偶極子的結構和工作原理

它是一種普通的偶極子天線，其工作頻率是其波長的一半。因此，它被稱為半波偶極子天線。

偶極子的邊緣具有最大電壓。此電壓本質上是交流電（AC）。在電壓的正峰值時，電子傾向於朝一個方向移動，而在負峰值時，電子朝另一個方向移動。下圖可以解釋這一點。

上圖顯示了半波偶極子的工作原理。

• 圖1顯示了當感應電荷處於正半週期時的偶極子。現在電子傾向於向電荷移動。

• 圖2顯示了感應負電荷的偶極子。這裡的電子傾向於遠離偶極子。

• 圖3顯示了下一個正半週期的偶極子。因此，電子再次向電荷移動。

這種累積效應產生變化的場效應，該效應以在其上產生的相同模式輻射。因此，輸出將是遵循輸出電壓模式週期的有效輻射。因此，半波偶極子有效輻射。

上圖顯示了半波偶極子中的電流分佈。半波偶極子的方向性為2.15dBi，相當好。其中，“i”表示各向同性輻射。

輻射圖

這種半波偶極子的輻射方向圖在H平面內是全向的。這對於許多應用（例如行動通訊、無線電接收機等）是理想的。

上圖顯示了半波偶極子在H平面和V平面中的輻射方向圖。

在這個半波偶極子中，偶極子的半徑不影響其輸入阻抗，因為這個偶極子的長度是半波長，並且是第一個諧振長度。天線在其諧振頻率下有效工作，諧振頻率在其諧振長度下出現。

優點

以下是半波偶極子天線的優點：

• 輸入阻抗不敏感。

• 與傳輸線阻抗匹配良好。

• 長度合理。

• 天線長度與尺寸和方向性匹配。

缺點

以下是半波偶極子天線的缺點：

• 由於單元素，效率不高。

• 它只有與組合使用才能更好地工作。

應用

以下是半波偶極子天線的應用：

• 用於無線電接收機。

• 用於電視接收機。

• 與其他天線一起使用時，可用於各種應用。

天線理論 - 半波折疊偶極子

摺疊偶極子是一種天線，兩側連線兩根導體，並摺疊成圓柱形封閉形狀，並在中心饋電。偶極子的長度是波長的一半。因此，它被稱為半波折疊偶極子天線。

頻率範圍

半波折疊偶極子工作的頻率範圍約為3KHz到300GHz。這主要用於電視接收機。

半波折疊偶極子的結構和工作原理

這種天線通常與陣列式天線一起使用以增加饋電阻抗。最常用的是與八木宇田天線一起使用。下圖顯示了半波折疊偶極子天線。

與之前的偶極子天線相比，這種天線使用額外的導電元件（一根導線或一根杆）。透過在陣列式天線中並排放置一些導電元件，並在它們之間設定絕緣層來實現這一點。

下圖解釋了半波折疊偶極子天線在激勵時的工作原理。

如果主導體和摺疊偶極子的直徑相同，則天線的饋電阻抗將增加四倍（平方數的兩倍）。饋電阻抗的這種增加是這種摺疊偶極子天線廣泛使用的主要原因。由於雙線，阻抗將約為300Ω。

輻射圖

半波折疊偶極子的輻射方向圖與半波偶極子天線的輻射方向圖相同。下圖顯示了半波折疊偶極子天線的輻射方向圖，它是全向的。

半波折疊偶極子天線用於需要最佳功率傳輸和需要大阻抗的地方。

這種摺疊偶極子是八木宇田天線的主要元件。下圖顯示了一個八木宇田天線，我們稍後將學習它。這裡使用的主要元件是這個摺疊偶極子，天線饋電就連線在此處。幾十年來，這種天線已廣泛用於電視接收。

優點

以下是半波折疊偶極子天線的優點：

• 接收平衡訊號。

• 在不損失質量的情況下接收來自一定頻率範圍的特定訊號。

• 摺疊偶極子可最大限度地提高訊號強度。

缺點

以下是半波折疊偶極子天線的缺點：

• 天線的移動和調整很麻煩。

• 當天線尺寸增加時，戶外管理可能很困難。

應用

以下是半波折疊偶極子天線的應用：

• 主要用作八木天線、拋物面天線、十字轉門天線、對數週期天線、相控陣和反射陣等中的饋電元件。

• 通常用於無線電接收機。

• 最常用於電視接收天線。

天線理論 - 全波偶極子

如果偶極子的長度，即總導線長度等於全波長λ，則稱為全波偶極子。如果使用全波長偶極子進行發射或接收，讓我們看看輻射將如何進行。

全波偶極子的結構和工作原理

這裡顯示了具有電壓和電流分佈的全波偶極子。波的正峰值和負峰值分別感應正電壓和負電壓。然而，由於感應電壓相互抵消，因此不存在輻射問題。

上圖顯示了長度為λ的全波偶極子的電壓分佈。可以看出，兩個半波偶極子連線在一起構成一個全波偶極子。

當同時感應其正電荷和負電荷時，電壓模式相互抵消，如圖所示。由於感應電荷被抵消，因此不會進一步嘗試輻射。全波發射偶極子的輸出輻射將為零。

輻射圖

由於沒有輻射方向圖、方向性和增益，全波偶極子很少用作天線。這意味著，雖然天線會輻射，但這只是某種熱耗散，是功率的浪費。

缺點

以下是全波偶極子天線的缺點。

• 熱耗散
• 功率浪費
• 沒有輻射方向圖
• 沒有方向性和增益

由於這些缺點，全波偶極子很少使用。

天線理論 - 短偶極子

短偶極子是一種簡單的線天線。它的一端是開路的，另一端連線交流電源。這種偶極子因其長度而得名。

頻率範圍

短偶極子工作的頻率範圍約為3KHz到30MHz。這主要用於低頻接收機。

短偶極子的結構和工作原理

短偶極子是其導線長度短於波長的偶極子天線。電壓源連線在一端，同時形成偶極子形狀，即線在另一端終止。

顯示了長度為L的短偶極子的電路圖。天線的實際尺寸無關緊要。通向天線的導線必須小於波長的十分之一。那是

$$L < \frac{\lambda}{10}$$

其中

• L是短偶極子導線的長度。

• λ是波長。

另一種短偶極子是無窮小偶極子，其長度遠小於其波長。其結構與其類似，但使用電容板。

無窮小偶極子

長度遠小於波長的偶極子為無窮小偶極子。這種天線實際上是不切實際的。這裡，偶極子的長度甚至小於波長的五十分之一。

偶極子的長度，Δl << λ。其中，λ是波長。

$$ \Delta l = \frac{\lambda}{50} $$

因此，顧名思義，這是一個無限小的偶極子。

由於這些偶極子的長度非常小，因此導線中的電流將為dI。這些導線通常與兩側的電容板一起使用，在需要低互耦合的地方。由於電容板，我們可以說存在均勻的電流分佈。因此，這裡的電流不為零。

電容板可以是簡單的導體或導線等效物。徑向電流輻射的場在遠場中傾向於相互抵消，因此電容板天線的遠場可以由無窮小偶極子近似。

輻射圖

短偶極子和無窮小偶極子的輻射方向圖類似於半波偶極子。如果偶極子是垂直的，則圖案將是圓形的。當在二維圖案中檢視時，輻射方向圖呈“8字形”圖案。

下圖顯示了短偶極子天線的輻射方向圖，它是全向的。

優點

以下是短偶極子天線的優點：

• 由於尺寸小，易於構造

• 功耗效率更高

缺點

以下是短偶極子天線的缺點：

• 高電阻損耗
• 高功耗
• 低信噪比
• 輻射低
• 效率不高

應用

以下是短偶極子天線的應用：

• 用於窄帶應用。
• 用作調諧電路的天線。

本章討論了流行且使用最廣泛的短線天線。我們將在接下來的章節中討論長線天線。

天線理論 - 長線天線

我們已經學習了不同型別的短線天線。現在，讓我們看看長線天線。長線天線是透過使用多個偶極子形成的。這些型別的天線中的導線長度是n倍λ/2

$$L = n \ \lambda/2$$

其中：

• L是天線的長度，

• n 代表元素個數。

• λ 是波長

隨著 ‘n’ 的增加，方向性也隨之增強。

長線天線的型別

長線天線主要分為兩種：諧振天線和非諧振天線。

諧振天線

諧振天線是指在特定頻率下，天線接收到的輻射功率出現尖峰，形成駐波的天線。這種型別的天線輻射波的輻射方向圖與負載阻抗不匹配。

諧振天線具有周期性。它們也被稱為雙向行波天線，因為輻射波沿兩個方向傳播，這意味著此處同時存在入射波和反射波。在這些天線中，天線的長度和頻率成正比。

非諧振天線

非諧振天線是指不會出現諧振頻率的天線。波沿正方向傳播，因此不會形成駐波。在非諧振天線中，輻射波的輻射方向圖與負載阻抗匹配。

這些非諧振天線是非週期性的。它們也被稱為單向行波天線，因為輻射波僅沿正方向傳播，這意味著只有入射波存在。隨著頻率的增加，天線的長度減小，反之亦然。因此，頻率和長度成反比。

這些長線天線是構建V形天線或菱形天線的基本單元。

天線理論 - V型天線

長線天線一個更好的版本是V形天線。這種天線是透過將長線排列成V形圖案形成的。端線被稱為支腿。這種天線是雙向諧振天線。

頻率範圍

V形天線的操作頻率範圍約為3至30 MHz。這種天線工作在高頻範圍。

V形天線的結構和工作原理

兩根長線以V形連線構成V形天線。這兩根長線以180˚反相激勵。隨著這些導線長度的增加，增益和方向性也隨之增加。

下圖顯示了一個V形天線，其傳輸線阻抗為z，導線長度為λ/2，與軸線成Φ_m角，該角稱為頂角。

V形天線實現的增益高於普通單根長線天線。這種V形結構的增益與長度等於V形天線支腿的單根長線天線相比，幾乎是兩倍。如果要獲得較寬的輻射範圍，則頂角應在較高和較低頻率之間取平均值，以λ/2在每條支腿中的數量表示。

輻射圖

V形天線的輻射方向圖是雙向的。將每條傳輸線上獲得的輻射相加即可得到最終的輻射方向圖。下圖對此進行了很好的解釋：

該圖顯示了V形天線的輻射方向圖。形成V形圖案的兩條傳輸線為AA’和BB’。圖中顯示了各個傳輸線的圖案和最終圖案。最終圖案沿軸線顯示。這種圖案類似於寬邊陣列。

如果在此天線上新增另一個V形天線，並以90˚的相位差饋電，則最終圖案將是端射的，功率增益加倍。透過新增V形天線陣列，方向性進一步提高。

優點

以下是V形天線的優點：

• 結構簡單
• 高增益
• 製造成本低

缺點

以下是V形天線的缺點：

• 會形成駐波
• 出現的旁瓣也較強
• 僅用於固定頻率操作

應用

以下是V形天線的應用：

• 用於商業用途
• 用於無線電通訊

天線理論 - 倒V形天線

在上一章中，我們學習了V形天線。其工作頻率有限。這可以透過使用另一種天線來修改，該天線是非諧振天線或行波天線。行波天線不會產生駐波，如前所述。

頻率範圍

倒V形天線（或V形天線）的工作頻率範圍約為3至30 MHz。這種天線工作在高頻範圍。

倒V形天線的結構和工作原理

用於高頻段的行波天線是倒V形天線。這種倒V形天線很容易安裝在非導電杆上。

請看下圖。它顯示了一個安裝在屋頂上的倒V形天線。

倒V形天線的最大輻射在其中心。它類似於半波偶極子天線。天線呈倒V形排列，其兩條傳輸線或支腿彎向地面，它們之間的夾角為120°或90°。天線的中心高度不應高於λ/4。

其中一條支腿與天線軸線所成的角稱為傾斜角，用θ表示。

輻射圖

倒V形天線的輻射方向圖是單向的，因為這裡不形成駐波。從下面的輻射方向圖可以清楚地看出。

該圖說明了倒V形天線的輻射方向圖。上圖所示的圖中顯示了主輻射場以及傾斜角為120˚和90˚時的場。透過使用天線陣列可以提高增益和方向性。

優點

以下是倒V形天線的優點：

• 佔用水平空間較小

• 不形成駐波

• 高增益

缺點

以下是倒V形天線的缺點：

• 它有相當大的不需要的旁瓣

• 旁瓣產生水平極化的波

應用

以下是倒V形天線的應用：

• 用於調諧電路應用

• 用於無線電通訊

• 用於商業應用

在V形天線和倒V形天線之後，另一種重要的長線天線是菱形天線。它是兩個V形天線的組合。這將在下一章中討論。

天線理論 - 菱形天線

菱形天線是一種等邊平行四邊形天線。通常，它有兩個相對的銳角。傾斜角θ大約等於主瓣角的90°減去。菱形天線的工作原理是行波輻射器。它呈菱形或鑽石形排列，水平懸掛在地面上方。

頻率範圍

菱形天線的工作頻率範圍約為3MHz至300MHz。這種天線工作在HF和VHF頻段。

菱形天線的構造

菱形天線可以看作是兩個端對端連線的V形天線，形成鈍角。由於其簡單易於構建，因此用途廣泛：

• 用於HF傳輸和接收

• 商業點對點通訊

菱形天線的構造呈菱形，如圖所示。

菱形的兩側被認為是雙線傳輸線的導體。當該系統設計合理時，輻射將在輻射主軸上集中。實際上，一半的功率會消散在天線的終端電阻中。其餘功率則被輻射出去。浪費的功率會導致旁瓣。

圖1顯示了菱形天線在過去用於點對點通訊的構造。圖2顯示瞭如今用於電視接收的菱形UHF天線。

菱形天線從透過饋電點終止於自由空間的主軸方向獲得最大增益。水平菱形天線獲得的極化位於菱形的平面內，即水平方向。

輻射圖

菱形天線的輻射方向圖如下圖所示。最終圖案是天線所有四個支腿輻射的累積效應。這種圖案是單向的，而透過去除終端電阻可以使其變為雙向的。

菱形天線的最大缺點是，未與主瓣組合的輻射部分會導致相當大的旁瓣，這些旁瓣具有水平和垂直極化。

優點

以下是菱形天線的優點：

• 輸入阻抗和輻射方向圖相對恆定

• 可以連線多個菱形天線

• 簡單有效的傳輸

缺點

以下是菱形天線的缺點：

• 終端電阻浪費功率

• 需要較大的空間

• 傳輸效率降低

應用

以下是菱形天線的應用：

• 用於HF通訊

• 用於長距離天波傳播

• 用於點對點通訊

另一種使用長線的方法是彎曲導線並將其製成環形圖案，並觀察其輻射引數。這種型別的天線被稱為環形天線。

天線理論 - 環形天線

載有射頻電流的線圈繞成單圈環，可以用作稱為環形天線的天線。透過該環形天線的電流將同相。磁場將垂直於整個載流環。

頻率範圍

環形天線的工作頻率範圍約為300MHz至3GHz。這種天線工作在UHF頻段。

環形天線的結構和工作原理

環形天線是一個載有射頻電流的線圈。根據設計者的方便，它可以是任何形狀，例如圓形、矩形、三角形、正方形或六邊形。

環形天線有兩種型別。

• 大型環形天線
• 小型環形天線

大型環形天線

大型環形天線也稱為諧振天線。它們具有較高的輻射效率。這些天線的長度幾乎等於預期的波長。

$$L =\lambda$$

其中：

• L 是天線的長度

• λ 是波長

該天線的主要引數是其周長，約為一個波長，並且應是一個封閉的環。蜿蜒環路以減小尺寸並不是一個好主意，因為這會增加電容效應並導致效率降低。

小型環形天線

小型環形天線也稱為磁環天線。這些天線的諧振性較低。這些天線主要用作接收器。

這些天線的尺寸為波長的十分之一。

$$L =\frac{\lambda}{10}$$

其中：

• L 是天線的長度

• λ 是波長

小型環形天線的特點：

• 小型環形天線的輻射電阻低。如果使用多匝鐵氧體芯結構，則可以獲得較高的輻射電阻。

• 由於損耗高，其輻射效率低。

• 其結構簡單，體積小，重量輕。

由於其電抗高，其阻抗難以與發射機匹配。如果環形天線必須用作發射天線，則這種阻抗失配肯定是一個問題。因此，這些環形天線最好用作接收天線。

常用環路

小型環形天線主要有兩種型別：

• 圓形環形天線
• 方形環形天線

環形天線主要有這兩種型別被廣泛使用。其他型別（矩形、三角形、橢圓形等）也會根據設計者的規格進行製造。

上圖顯示了圓形和方形環形天線。這類天線由於具有較高的信噪比，因此主要用作調幅接收器。它們也很容易在無線電接收器的Q諧振電路中進行調諧。

環形天線的極化

環形天線的極化將根據饋電位置而垂直或水平極化。垂直極化位於垂直邊的中心，而水平極化位於水平邊的中心，具體取決於環形天線的形狀。

小型環形天線通常是線性極化的。當這種小型環形天線安裝在行動式接收器頂部，其輸出連線到儀表時，它就成為一個很好的方向查詢器。

輻射圖

這些天線的輻射方向圖與短水平偶極天線的輻射方向圖相同。

上圖顯示了小型高效環形天線的輻射方向圖。圖中也清晰地說明了不同環繞角度的輻射方向圖。0°處的切線表示垂直極化，而90°的線表示水平極化。

優點

環形天線的優點如下：

• 尺寸緊湊
• 高方向性

缺點

環形天線的缺點如下：

• 阻抗匹配可能並不總是很好
• 具有非常高的諧振品質因數

應用

環形天線的應用如下：

• 用於RFID裝置
• 用於中頻、高頻和短波接收器
• 用於飛機接收器進行方向查詢
• 用於超高頻發射器

天線理論 - 螺旋天線

螺旋天線是線天線的一個例子，它本身就形成螺旋狀。這是一種寬頻甚高頻和超高頻天線。

頻率範圍

螺旋天線的執行頻率範圍約為30MHz至3GHz。該天線在甚高頻和超高頻範圍內工作。

螺旋天線的結構和工作原理

螺旋天線或螺旋狀天線是一種導線以螺旋狀纏繞並透過饋線連線到接地板的天線。它是提供圓極化波的最簡單天線。它用於涉及衛星中繼等的外星際通訊。

上圖顯示了一個用於衛星通訊的螺旋天線系統。這些天線需要更大的室外空間。

它由一段以螺紋形狀纏繞的粗銅線或管子組成的螺旋線組成，與稱為接地板的平板金屬一起用作天線。螺旋線的一端連線到電纜的中心導體，外導體連線到接地板。

上圖顯示了詳細說明天線部件的螺旋天線影像。

螺旋天線的輻射取決於螺旋線的直徑、匝間距和螺距角。

螺距角是螺旋線切線與垂直於螺旋線軸的平面之間的角度。

$$α = \tan^{-1}(\frac{S}{\pi D})$$

其中：

• D 是螺旋線的直徑。

• S 是匝間距（中心到中心）。

• α 是螺距角。

工作模式

螺旋天線的主要工作模式為：

• 法向或垂直輻射模式。

• 軸向或端射或波束輻射模式。

讓我們詳細討論一下。

法向模式

在法向輻射模式下，輻射場垂直於螺旋軸。輻射波為圓極化波。如果螺旋線的尺寸遠小於波長，則可以獲得這種輻射模式。這種螺旋天線的輻射方向圖是短偶極天線和環形天線的組合。

上圖顯示了螺旋天線法向輻射模式的輻射方向圖。

它取決於螺旋線直徑D及其匝間距S的值。這種工作模式的缺點是輻射效率低和頻寬窄。因此，它幾乎不用。

軸向模式

在軸向模式輻射中，輻射沿螺旋軸的端射方向，波為圓極化或近似圓極化。透過將周長提高到波長(λ)的量級，並將間距約為λ/4，可以獲得這種工作模式。輻射方向圖沿軸向波束很寬且定向，在傾斜角度產生較小的旁瓣。

該圖顯示了螺旋天線軸向輻射模式的輻射方向圖。

如果該天線設計用於右旋圓極化波，則它將不會接收左旋圓極化波，反之亦然。這種工作模式很容易產生，並且更實用。

優點

螺旋天線的優點如下：

• 設計簡單
• 最高方向性
• 更寬的頻寬
• 可以實現圓極化
• 也可以用於高頻和甚高頻波段

缺點

螺旋天線的缺點如下：

• 天線較大，需要更多空間
• 效率隨著匝數的增加而降低

應用

螺旋天線的應用如下：

• 單個螺旋天線或其陣列用於發射和接收甚高頻訊號

• 經常用於衛星和空間探測器通訊

• 用於地球站與彈道導彈和衛星的遙測鏈路

• 用於建立月球與地球之間的通訊

• 射電天文學中的應用

天線理論 - 孔徑天線

末端帶有孔徑的天線可以稱為孔徑天線。波導是孔徑天線的一個例子。當傳輸線的邊緣以開口終止時，會輻射能量。這個開口，即孔徑，使其成為孔徑天線。

孔徑天線的主要型別包括：

• 波導天線
• 喇叭天線
• 縫隙天線

現在讓我們來看看這些型別的孔徑天線。

波導天線

波導在一端激勵而在另一端開啟時能夠輻射能量。波導中的輻射大於雙線傳輸線。

頻率範圍

波導的工作頻率範圍約為300MHz至300GHz。該天線在超高頻和極高頻頻率範圍內工作。下圖顯示了一個波導。

這個末端終止的波導充當天線。但只有一小部分能量被輻射，而大部分能量被反射回開路。這意味著駐波比（駐波比，在基本引數章節中討論）值會增加。波導周圍的衍射導致輻射不良和非定向輻射方向圖。

輻射圖

波導天線的輻射較差，方向圖是非定向的，這意味著全向的。全向方向圖是沒有特定方向性但在所有方向上都輻射的，因此稱為非定向輻射方向圖。

上圖顯示了全向方向圖的頂部剖檢視，也稱為非定向方向圖。二維檢視是如圖8字形的方向圖，我們已經知道了。

優點

孔徑天線的優點如下：

• 輻射大於雙線傳輸線
• 輻射為全向的

缺點

孔徑天線的缺點如下：

• 駐波比增加
• 輻射不良

應用

孔徑天線的應用如下：

• 微波應用
• 地面搜尋雷達應用

波導天線必須進一步改進以實現更好的效能，這導致了喇叭天線的形成。

天線理論 - 喇叭天線

為了提高波束的輻射效率和方向性，應為波導提供擴充套件的孔徑，以便將波的突然不連續性轉換為逐漸的變換。這樣所有朝前方向的能量都會被輻射出來。這可以稱為喇叭狀。現在，這可以使用喇叭天線來完成。

頻率範圍

喇叭天線的工作頻率範圍約為300MHz至30GHz。該天線在超高頻和超高頻頻率範圍內工作。

喇叭天線的結構和工作原理

當波束的能量緩慢地轉換為輻射時，損耗會減少，並且波束的聚焦會得到改善。喇叭天線可以認為是喇叭狀波導，透過它可以改善方向性和減少衍射。

上圖顯示了喇叭天線的模型。喇叭的喇叭狀很明顯。有幾種喇叭配置，其中三種配置最常用。

扇形喇叭

這種型別的喇叭天線只在一個方向上喇叭狀。沿電場向量方向喇叭狀產生扇形E面喇叭。類似地，沿磁場向量方向喇叭狀產生扇形H面喇叭。

錐形喇叭

這種型別的喇叭天線在兩側都有喇叭狀。如果在矩形波導的E面和H面上都進行喇叭狀，則會產生錐形喇叭天線。該天線呈截頭錐體形狀。

圓錐喇叭

當圓形波導的壁喇叭狀時，它被稱為圓錐喇叭。這是圓形波導的邏輯終端。

上圖顯示了前面討論過的喇叭配置型別。

喇叭狀有助於將天線阻抗與自由空間阻抗匹配，以獲得更好的輻射。它避免了駐波比，並提供更大的方向性和更窄的波束寬度。喇叭狀波導在技術上可以稱為電磁喇叭輻射器。

喇叭天線的喇叭角Φ是一個重要的考慮因素。如果喇叭角太小，則產生的波將是球面波而不是平面波，輻射波束將不具有方向性。因此，喇叭角應具有最佳值，並且與其長度密切相關。

組合方式

喇叭天線也可以與拋物面反射天線組合，形成特殊型別的喇叭天線。這些包括：

• 卡塞格倫喇叭天線 (Cass-horn antenna)

• 豬鼻喇叭天線或三倍摺疊喇叭反射器 (Hog-horn or triply folded horn reflector)

在卡塞格倫喇叭天線中，無線電波由大的底部表面（拋物面彎曲）收集，並以45°角向上反射。撞擊頂部表面後，它們被反射到焦點。它們的增益和波束寬度與拋物面反射器相同。

在豬鼻喇叭天線中，拋物柱面連線到錐形喇叭，波束到達喇叭的頂點。它形成一個低噪聲微波天線。豬鼻喇叭天線的主要優點是，即使天線繞其軸旋轉，其接收點也不會移動。

輻射圖

喇叭天線的輻射方向圖是球面波陣面。下圖顯示了喇叭天線的輻射方向圖。波從孔徑輻射，最大限度地減少了波的衍射。喇叭的張開保持波束聚焦。輻射波束具有高方向性。

優點

喇叭天線的優點如下：

• 旁瓣小
• 阻抗匹配良好
• 方向性強
• 波束寬度窄
• 避免駐波

缺點

喇叭天線的缺點如下：

• 喇叭角的設計決定了方向性
• 喇叭角和喇叭長度不應過小

應用

喇叭天線的應用如下：

• 用於天文研究
• 用於微波應用

天線理論 - 槽天線

縫隙天線是孔徑天線的一個例子。在導電板上開一個矩形縫隙。這些縫隙天線可以透過簡單地在安裝它們的表面上開一個切口來形成。

頻率範圍

縫隙天線的應用頻率範圍為300 MHz 至 30 GHz。它工作在超高頻 (UHF) 和超短波 (SHF) 頻率範圍。

縫隙天線的構造和工作原理

透過其工作原理可以很好地理解縫隙天線的用途。讓我們看一下縫隙天線的結構。

當在無限大的導電板上開一個矩形切口並在孔徑（稱為縫隙）中激發場時，它被稱為縫隙天線。這可以透過觀察縫隙天線的影像來理解。下圖顯示了縫隙天線的模型。

透過巴比涅原理可以很容易地理解縫隙天線的工作原理。這個概念介紹了縫隙天線。

巴比涅原理

巴比涅原理指出：“當帶有開口的屏幕後面的場與互補結構的場相加時，其和等於沒有螢幕時的場”。

上圖清楚地解釋了該原理。在所有與波束非共線的區域中，圖1和圖2中的這兩個螢幕產生相同的衍射圖案。

情況1 - 考慮一個光源和一個帶孔的導電平面（場）在螢幕前。光不會穿過不透明區域，但會穿過孔徑。

情況2 - 考慮光源和一個與前一情況中孔徑大小相同的導電平面，將其固定在螢幕上。光不會穿過平面，但會穿過剩餘的部分。

情況3 - 將這兩種情況的兩個導電平面組合起來，放在光源前面。不放置螢幕來觀察組合的結果。螢幕的效果被抵消了。

縫隙天線的工作原理

該光學原理應用於電磁波以使波輻射。確實，當高頻場存在於導電平面中的狹窄縫隙上時，能量會輻射出來。

該圖顯示了一個縫隙天線，很好地解釋了它的工作原理。

考慮一個無限大的平面導電螢幕，並在其上打出所需形狀和大小的孔，這將是縫隙天線的螢幕。另一個螢幕被認為是交換孔徑和螢幕區域的位置，即互補螢幕。

這兩個螢幕被稱為互補螢幕，因為它們形成了完整的無限金屬螢幕。現在，這變成了縫隙天線。終端阻抗非常適合輻射。

輻射圖

縫隙天線的輻射方向圖是全向的，就像半波偶極子天線一樣。請看下圖。它分別在水平面和垂直面繪製了縫隙天線的輻射方向圖。

優點

縫隙天線的優點如下：

• 它可以製造並隱藏在金屬物體中
• 它可以與小型發射機實現隱蔽通訊

缺點

縫隙天線的缺點如下：

• 交叉極化水平較高
• 輻射效率低

應用

縫隙天線的應用如下：

• 通常用於雷達導航
• 用作由波導饋電的陣列

天線理論 - 微帶天線

微帶天線是低剖面天線。安裝在地面上的金屬貼片，中間有介電材料，構成微帶天線或貼片天線。這些天線尺寸非常小，輻射低。

頻率範圍

貼片天線在高於100MHz的頻率下很流行，適用於低剖面應用。

微帶天線的構造和工作原理

微帶天線由放置在地面平面上的非常薄的金屬條組成，中間有介電材料。輻射單元和饋線透過在介電材料上進行光刻工藝來放置。通常，為了分析和製造的方便，貼片或微帶的形狀選擇為正方形、圓形或矩形。下圖顯示了一個微帶天線或貼片天線。

金屬貼片的長度為λ/2。當天線被激勵時，在介電材料內產生的波會發生反射，能量從金屬貼片的邊緣輻射出來，能量非常低。

輻射圖

微帶天線或貼片天線的輻射方向圖是寬的。它具有低輻射功率和窄頻率頻寬。

上圖顯示了微帶天線或貼片天線的輻射方向圖。它的方向性較低。為了獲得更高的方向性，可以使用這些貼片天線形成陣列。

優點

微帶天線的優點如下：

• 重量輕
• 成本低
• 易於安裝

缺點

微帶天線的缺點如下：

• 輻射效率低
• 頻率頻寬窄

應用

微帶天線的應用如下：

• 用於航天器應用
• 用於飛機應用
• 用於低剖面天線應用

天線理論 - 透鏡天線

到目前為止，我們討論的天線都使用了平面。透鏡天線使用曲面進行發射和接收。透鏡天線由玻璃製成，遵循透鏡的會聚和發散特性。透鏡天線用於較高頻率的應用。

頻率範圍

透鏡天線的適用頻率範圍從1000 MHz 開始，但在3000 MHz 及以上頻率的應用更多。

為了更好地理解透鏡天線，必須瞭解透鏡的工作原理。普通的玻璃透鏡的工作原理是折射。

透鏡天線的構造和工作原理

如果假設光源位於透鏡的焦點處，該焦點距離透鏡的焦距，則光線穿過透鏡後成為在平面波陣面上的準直光或平行光線。

穿過透鏡中心的光線比穿過透鏡邊緣的光線折射少。所有光線都平行於平面波陣面傳送。透鏡的這種現象稱為發散。

如果從同一透鏡的右側傳送光束到左側，則該過程將反向進行。然後，光束會發生折射，並在距離透鏡焦距的點（稱為焦點）處相遇。這種現象稱為會聚。

透過觀察下圖可以更好地理解這一點：

光線圖表示從光源到透鏡的焦點和焦距。獲得的平行光線也稱為準直光線。

在上圖中，位於焦點處的源（距離透鏡的焦距）在平面波陣面中被準直。這種現象可以反轉，這意味著如果光從左側傳送，則會聚在透鏡的右側。

正是由於這種互易性，透鏡可以用作天線，因為同樣的現象有助於利用同一根天線進行發射和接收。

顯示了透鏡天線模型的影像。

為了在較高頻率下實現聚焦特性，折射率應小於1。無論折射率是多少，透鏡的目的是矯正波形。基於此，開發了E面和H面透鏡，它們還可以延遲或加速波陣面。

透鏡天線的型別

以下是可用的透鏡天線型別：

• 介質透鏡或H面金屬板透鏡或延遲透鏡（行波被透鏡介質延遲）

• E面金屬板透鏡

• 非金屬介質型透鏡

• 金屬或人工介質型透鏡

優點

透鏡天線的優點如下：

• 在透鏡天線中，饋電和饋電支撐不會阻塞孔徑。

• 它具有更大的設計公差。

• 可以處理比拋物面反射器更多的波。

• 波束可以相對於軸線進行角度移動。

缺點

以下是透鏡天線的缺點：

• 透鏡天線笨重，尤其是在較低頻率下

• 設計複雜

• 與同規格的反射器相比，成本更高

應用

以下是透鏡天線的應用：

• 用作寬頻天線

• 尤其用於微波頻率應用

透鏡天線的聚合特性可用於開發更高階的天線，稱為拋物面反射器天線，廣泛用於衛星通訊。我們將在下一章討論它們。

天線理論 - 拋物面反射器

拋物面反射器是微波天線。為了更好地理解這些天線，必須討論拋物面反射器的概念。

頻率範圍

拋物面反射器天線應用的頻率範圍為高於1MHz。這些天線廣泛用於無線電和無線應用。

工作原理

拋物線的標準定義是：一個點的軌跡，該點以這樣的方式移動：它到固定點（稱為焦點）的距離加上它到一條直線（稱為準線）的距離是常數。

下圖顯示了拋物面反射器的幾何形狀。點F是焦點（饋電點），V是頂點。連線F和V的線是對稱軸。PQ是反射光線，其中L表示反射點所在的準線（表示它們是共線的）。因此，根據上述定義，F和L之間的距離相對於聚焦的波是恆定的。

反射波形成一個來自拋物線形狀的準直波陣面。焦距與孔徑大小之比（即，f/D）稱為“f/D比”，是拋物面反射器的一個重要引數。其值在0.25到0.50之間變化。

反射定律指出，入射角和反射角相等。當與拋物線一起使用時，該定律有助於聚焦光束。拋物線的形狀

當用于波的反射時，表現出拋物線的一些特性，這些特性有助於利用反射波構建天線。

拋物線的特性

• 所有起源於焦點的波都反射回拋物線軸。因此，到達孔徑的所有波都同相。

• 由於波是同相的，沿拋物線軸的光束將很強且集中。

根據這些要點，拋物面反射器有助於產生具有較窄波束寬度的指向性。

拋物面反射器的構造和工作原理

如果拋物面反射器天線用於發射訊號，則來自饋電的訊號會從偶極子或喇叭天線發出，以將波聚焦到拋物線上。這意味著波從焦點發出並撞擊拋物面反射器。如前所述，該波現在被反射為準直波陣面，以便進行發射。

同一根天線用作接收器。當電磁波撞擊拋物線的形狀時，波會被反射到饋電點。在其饋電處充當天線接收器的偶極子或喇叭天線接收此訊號，將其轉換為電訊號並將其轉發到接收電路。

下圖顯示了拋物面反射器天線。

拋物面的增益是孔徑比(D/λ)的函式。天線的有效輻射功率(ERP)是饋送到天線的輸入功率及其功率增益的乘積。

通常使用波導喇叭天線作為拋物面反射器天線的饋電輻射器。除了這種技術之外，我們還有另一種饋電方式提供給拋物面反射器天線，稱為卡塞格倫饋電。

卡塞格倫饋電

卡塞格倫是另一種提供給反射器天線的饋電方式。在這種型別中，饋電位於拋物面的頂點，與拋物面反射器不同。一個凸形反射器（充當雙曲線）放置在與天線饋電相對的位置。它也稱為二次雙曲線反射器或副反射器。它的位置使得它的一個焦點與拋物線的焦點重合。因此，波會被反射兩次。

上圖顯示了卡塞格倫饋電的工作模型。

卡塞格倫天線的工作原理

當天線充當發射天線時，來自饋電的能量透過喇叭天線輻射到雙曲線凹面反射器上，然後再次反射到拋物面反射器上。訊號從那裡反射到空間。因此，功率損耗得到控制，方向性得到改善。

當同一根天線用於接收時，電磁波撞擊反射器，反射到凹面雙曲線上，然後從那裡到達饋電。一個波導喇叭天線在那裡接收此訊號並將其傳送到接收電路進行放大。

請看下圖。它顯示了一個帶有卡塞格倫饋電的拋物面反射器。

優點

以下是拋物面反射器天線的優點：

• 減少旁瓣

• 減少功率損耗

• 實現等效焦距

• 饋電可以根據我們的方便放置在任何位置

• 透過調整反射面來調整波束（變窄或變寬）

缺點

以下是拋物面反射器天線的缺點：

• 從拋物面反射器反射的部分功率會被阻塞。對於小型拋物面來說，這是一個問題。

應用

以下是拋物面反射器天線的應用：

• 卡塞格倫饋電拋物面反射器主要用於衛星通訊。

• 也用於無線電信系統。

讓我們看看另一種型別的饋電，稱為拋物面反射器的格里高利饋電。

格里高利饋電

這是另一種使用的饋電型別。存在一對特定的配置，其中饋電波束寬度逐漸增加，而天線尺寸保持固定。這種型別的饋電稱為格里高利饋電。在這裡，卡塞格倫的凸形雙曲線被一個凹形拋物面反射器代替，當然，它的尺寸較小。

這些格里高利饋電型反射器可以以四種方式使用：

• 在F1焦點處使用橢球副反射器的格里高利系統。

• 在F2焦點處使用橢球副反射器的格里高利系統。

• 使用雙曲線副反射器（凸）的卡塞格倫系統。

• 使用雙曲線副反射器（凹，但饋電非常靠近它）的卡塞格倫系統。

這些只是為了提及，因為它們並不流行且沒有廣泛使用。它們有其侷限性。

該圖清楚地描繪了所有型別反射器的執行模式。還有其他型別的拋物面反射器，例如：

• 截斷拋物面
• 拋物柱面
• 藥丸形拋物面

然而，由於它們在工作條件下的侷限性和缺點，所有這些都很少使用。

因此，在所有型別的反射器天線中，簡單的拋物面反射器和卡塞格倫饋電拋物面反射器是最常用的。

天線理論 - 天線陣列

當天線單獨可以向特定方向輻射一定量的能量，從而實現更好的傳輸時，如果新增更多元件以產生更高效的輸出會怎樣？正是這個想法導致了天線陣列的發明。

透過觀察下圖可以更好地理解天線陣列。觀察天線陣列是如何連線的。

天線陣列是一個輻射系統，它由單個輻射器和元件組成。每個輻射器在工作時都有其自身的感應場。元件放置得非常靠近，以至於每個元件都位於相鄰元件的感應場中。因此，它們產生的輻射圖將是各個輻射圖的向量和。下圖顯示了天線陣列的另一個示例。

在設計這些天線時，還應記住元件之間的間距以及根據波長的元件長度。

天線單獨輻射，而在陣列中，所有元件的輻射相加，形成具有高增益、高方向性和更好效能以及最小損耗的輻射波束。

優點

以下是使用天線陣列的優點：

• 訊號強度增加
• 獲得高方向性
• 旁瓣大大減少
• 實現高信噪比
• 獲得高增益
• 減少功率損耗
• 獲得更好的效能

缺點

以下是陣列天線的缺點：

• 電阻損耗增加
• 安裝和維護困難
• 需要巨大的外部空間

應用

以下是陣列天線的應用：

• 用於衛星通訊
• 用於無線通訊
• 用於軍事雷達通訊
• 用於天文研究

陣列型別

陣列的基本型別是：

• 共線陣列
• 寬邊陣列
• 端射陣列
• 寄生陣列
• 八木天線陣列
• 對數週期陣列
• 轉柵陣列
• 超級轉柵陣列

我們將在接下來的章節中討論這些陣列。

天線理論 - 共線陣列

共線陣列由兩個或多個半波偶極子組成，它們首尾相連。這些天線放置在一條公共線或軸線上，平行或共線。

這些陣列中的最大輻射是寬邊且垂直於陣列線的。這些陣列也稱為廣播或全向陣列。

頻率範圍

共線陣列天線工作的頻率範圍約為30 MHz至3 GHz，屬於VHF和UHF波段。

陣列的構造

這些共線陣列是具有高增益的**單向天線**。該陣列的主要目的是透過避免能量在其他方向上的損失來增加輻射功率並提供高方向性波束。

以上圖片顯示了共線陣列的圖片。圖1中，可以看到共線陣列是用摺疊偶極子形成的，而在圖2中，共線陣列是由普通偶極子形成的。兩種型別都是常用的半波偶極子。

輻射圖

這些共線陣列的輻射方向圖類似於單個偶極子的輻射方向圖，但是隨著偶極子數量的增加，陣列方向圖會發生變化。

分別使用兩個、三個和四個單元組成的共線陣列的輻射方向圖如上圖所示。

**寬邊陣列**也具有相同的模式，其中最大輻射方向垂直於天線線。

優點

共線陣列天線的優點如下：

• 使用陣列可以減小寬端並增加方向性
• 最小化旁瓣
• 減少功率損耗

缺點

共線陣列天線的缺點如下：

• 這些天線的移位是一項困難的任務
• 僅用於戶外區域

應用

共線陣列天線的應用如下：

• 用於VHF和UHF頻段
• 用於雙向通訊
• 也用於廣播目的

天線理論 - 旁瓣陣列

天線陣列最簡單的形式是，具有許多大小相等、沿直線或軸線等距排列的單元，形成共線點，所有偶極子處於相同相位，來自同一源，共同構成**寬邊陣列**。

頻率範圍

共線陣列天線的工作頻率範圍約為**30 MHz至3 GHz**，屬於**VHF**和**UHF**頻段。

寬邊陣列的結構和工作原理

根據標準定義，“輻射的主要方向垂直於陣列軸線以及包含陣列單元的平面”被稱為**寬邊陣列**。因此，天線的輻射方向圖垂直於陣列所在的軸線。

下圖分別顯示了寬邊陣列的正面圖和側檢視。

寬邊陣列在垂直於陣列平面的方向上具有很強的方向性。但是，由於連線中心的能量抵消，平面內的輻射會非常小。

下圖顯示了單元間距為λ/4的寬邊陣列。

寬邊陣列中典型的單元長度為2到10個波長。典型的間距為λ/2或λ。偶極子的饋電點如圖所示連線。

輻射圖

這種天線的輻射方向圖是雙向的，並且垂直於平面。波束非常窄，增益很高。

上圖顯示了寬邊陣列的輻射方向圖。該波束略寬，旁瓣大大減少。

天線理論 - 端射陣列

**端射陣列**的物理排列與寬邊陣列相同。每個單元中的電流大小相同，但是這些電流之間存在相位差。這種能量的感應在每個單元中有所不同，這可以透過下圖理解。

上圖分別顯示了端射陣列的俯檢視和側檢視。

由於抵消，垂直於陣列平面的方向沒有輻射。第一個和第三個單元的反相饋電，因此相互抵消輻射。類似地，第二個和第四個單元反相饋電，以實現抵消。

通常的偶極子間距為λ/4或3λ/4。這種佈置不僅有助於避免垂直於天線平面的輻射，而且還有助於將輻射能量轉向整個陣列的輻射方向。因此，避免了旁瓣，並增加了方向性。隨著單元數量的增加，波束變得更窄。

輻射圖

端射陣列的輻射方向圖是**單向的**。一個主瓣出現在一端，那裡存在最大輻射，而旁瓣代表能量損失。

該圖解釋了端射陣列的輻射方向圖。圖1是單個陣列的輻射方向圖，而圖2、3和4分別代表多個陣列的輻射方向圖。

端射陣列與寬邊陣列

我們已經學習了這兩種陣列。讓我們嘗試比較端射陣列和寬邊陣列及其特性。

該圖說明了端射陣列和寬邊陣列的輻射方向圖。

• 端射陣列和寬邊陣列都是線性的且諧振的，因為它們由諧振單元組成。

• 由於諧振，這兩種陣列都顯示出更窄的波束和更高的方向性。

• 這兩種陣列都用於發射。

• 兩者都不用於接收，因為任何型別的接收都需要覆蓋一定範圍的頻率。

天線理論 - 寄生陣列

如上所述，天線陣列用於提高增益和方向性。

**寄生單元**是一個依賴於其他饋電的單元。它沒有自己的饋電。因此，在這種型別的陣列中，我們採用這種單元，它有助於間接增加輻射。

這些寄生單元不直接連線到饋電。

上圖顯示了一個寄生陣列的示例。圖片中看到的網狀結構只不過是一組反射器。這些反射器沒有電氣連線。它們透過增加波束的方向性來增加訊號強度。

寄生陣列的結構和工作原理

讓我們看看寄生陣列的重要組成部分以及它們的工作原理。

主要部件包括：

• 驅動單元
• 寄生單元
  • 反射器
  • 定向器
• 臂

驅動單元

天線單獨輻射，而在陣列中，所有單元的輻射相加形成輻射波束。陣列的所有單元都不需要連線到饋電。連線到饋電的偶極子稱為**驅動單元**。

寄生單元

新增的單元之間沒有電氣連線到驅動單元或饋電。它們的位置使得它們位於驅動單元的感應場中。因此，它們被稱為**寄生單元**。

反射器

如果其中一個寄生單元比驅動單元長5%，並且放置在靠近驅動單元的地方，則它充當凹面鏡，將能量反射到輻射方向圖的方向，而不是它自己的方向，因此被稱為**反射器**。

定向器

一個比驅動單元短5%的寄生單元，從它接收能量，傾向於增加它自身方向上的輻射，因此表現得像會聚凸透鏡。這個單元稱為**定向器**。放置多個定向器以增加方向性。

臂

放置所有這些單元的單元稱為**臂**。它是一種非金屬結構，提供絕緣，以便陣列的其他單元之間不會發生短路。

這些都是所有貢獻輻射的主要單元。藉助圖表可以更好地理解這一點

上圖是寄生陣列的影像，顯示了寄生陣列的各個部分，例如驅動單元、定向器和反射器。饋電透過饋線提供。

這些陣列用於從**2MHz**到**幾GHz**的頻率範圍。它們尤其用於獲得高方向性和更好的前向增益以及**單向性**。這種型別陣列最常見的例子是**八木天線**。四木天線也可以作為另一個例子。

天線理論 - 八木天線

**八木天線**是過去幾十年來最常用的電視接收天線型別。它是最流行和易於使用的天線型別之一，效能更好，以其高增益和方向性而聞名。

頻率範圍

八木天線的工作頻率範圍約為**30 MHz至3 GHz**，屬於**VHF**和**UHF**頻段。

八木天線的構造

在過去的幾十年裡，幾乎每家每戶屋頂上都能看到八木天線。寄生單元和偶極子共同構成八木天線。

該圖顯示了一個**八木天線**。可以看到，放置了許多定向器以增加天線的方向性。饋線是摺疊偶極子。反射器是位於結構末端的較長單元。

該圖描繪了八木天線的清晰形式。單元安裝在其上的中心桿狀結構稱為**臂**。連線粗黑頭的單元是**驅動單元**，傳輸線透過該黑色螺柱在內部連線。位於驅動單元后面的單個單元是**反射器**，它將所有能量反射到輻射方向圖的方向。驅動單元之前的其他單元是**定向器**，它們將波束引導到所需的角度。

設計

要設計這種天線，應遵循以下設計規範。

它們是：

如果遵循上述規範，則可以設計八木天線。

輻射圖

八木天線的指向性圖是**高度指向性的**，如下面的圖所示。

透過在天線上新增定向器，可以抑制旁瓣並提高主瓣的方向性。

優點

八木天線的優點如下：

• 獲得高增益。
• 獲得高方向性。
• 易於操作和維護。
• 浪費的功率較少。
• 更廣泛的頻率覆蓋範圍。

缺點

八木天線的缺點如下：

• 容易受到噪聲的影響。
• 容易受到大氣影響。

應用

八木天線的應用如下：

• 主要用於電視接收。
• 用於需要單頻應用的地方。

天線理論 - 對數週期天線

八木天線主要用於家用。但是，對於商業用途以及在一定頻率範圍內進行調諧，我們需要另一種稱為**對數週期天線**的天線。對數週期天線的阻抗是頻率的對數週期函式。

頻率範圍

對數週期天線的工作頻率範圍約為**30 MHz至3 GHz**，屬於**VHF**和**UHF**頻段。

對數週期天線的結構與工作原理

對數週期天線的結構和工作原理類似於八木天線。這種天線的主要優點是其在所需的工作頻率範圍內具有恆定的特性。它具有相同的輻射電阻，因此具有相同的駐波比。增益和前後比也相同。

圖片顯示了一個對數週期天線。

隨著工作頻率的變化，有效區域在各個單元之間移動，因此並非所有單元在單個頻率上都處於有效狀態。這是它的特殊特性。

對數週期天線有多種型別，例如平面型、梯形型、鋸齒型、V型、槽型和偶極子型。最常用的是對數週期偶極子陣列，簡稱LPDA。

上面給出了對數週期陣列的示意圖。

觀察其物理結構和電氣特性，可以發現它們本質上是重複的。該陣列由不同長度和間距的偶極子組成，這些偶極子由兩線傳輸線饋電。該線在每對相鄰偶極子之間進行轉置。

偶極子的長度和間距由以下公式確定：

$$\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{R_{2}}{R_{3}} = \frac{R_{3}}{R_{4}} = T = \frac{l_{1}}{l_{2}} = \frac{l_{2}}{l_{3}} = \frac{l_{3}}{l_{4}}$$

其中

• τ是設計比，且τ<1
• R是饋電點和偶極子之間的距離
• l是偶極子的長度。

獲得的定向增益從低到中等。輻射方向圖可能是單向的或雙向的。

輻射圖

對數週期天線的輻射方向圖可以是單向的或雙向的，這取決於對數週期結構。

對於單向對數週期天線，朝向較短單元的輻射量相當大，而在前向方向上，輻射量很小或為零。

上面給出了單向對數週期天線的輻射方向圖。

對於雙向對數週期天線，最大輻射位於天線表面法線方向的寬邊。

上圖顯示了雙向對數週期天線的輻射方向圖。

優點

對數週期天線的優點如下：

• 天線設計緊湊。
• 增益和輻射方向圖可根據要求進行調整。

缺點

對數週期天線的缺點如下：

• 需要外接安裝。
• 安裝成本高。

應用

對數週期天線的應用如下：

• 用於高頻通訊。
• 用於特定型別的電視接收。
• 用於高頻段的全方位監測。

天線理論 - 旋轉柵天線

旋轉柵天線是另一種陣列天線。這種陣列的形狀象徵著旋轉柵，後者用於某些場所的入口處。這種天線在軍事應用中具有多種用途。

頻率範圍

旋轉柵天線的工作頻率範圍約為30 MHz至3 GHz，屬於甚高頻 (VHF)和超高頻 (UHF)頻段。

旋轉柵天線的結構與工作原理

兩個相同的半波偶極子相互垂直放置，並同相饋電。這些偶極子彼此之間相位差為90°。旋轉柵陣列也可稱為交叉偶極子陣列。

上圖說明了旋轉柵天線。

為了獲得高方向性，可以沿垂直軸堆疊多個旋轉柵，並按上圖所示進行定相。這些旋轉柵天線的極化取決於其工作模式。

這種偶極子對經常堆疊在一起，被稱為單元 (BAY)。在上圖中，兩個單元之間相隔半個波長(λ/2)，並且相應的單元同相饋電。單元組合產生的輻射導致更好的方向性。

工作模式

旋轉柵天線的工作模式如下。

法向模式

在正常工作模式下，天線輻射水平極化波，這些波垂直於其軸線。

軸向模式

在軸向工作模式下，天線沿其軸線（即平行於其軸線）輻射圓極化波。

對於圓極化，使用右旋圓極化輻射的傳送器應具有相同的右旋圓極化接收器，反之亦然。如果它是左旋圓極化的，與傳送器不同，則會嚴重損失增益。

超級旋轉柵天線

對於旋轉柵天線，輻射功率比輻射相同功率的半波偶極子的最大輻射低3dB。因此，為了克服這一缺點，建造了超級旋轉柵天線。

超級旋轉柵天線中簡單的偶極子單元被四個平板單元代替。超級旋轉柵陣列的設計使得可以在單個桅杆上建造1到8個單元。超級旋轉柵天線的另一個名稱是蝙蝠翼天線。

上圖顯示了超級旋轉柵天線。圖1顯示了超級旋轉柵陣列的佈置，紅色點是饋電點。圖2顯示了用於衛星通訊的堆疊式旋轉柵陣列。

輻射圖

輻射方向圖將類似於兩個疊加偶極子的輻射方向圖。雖然它接近全向圖，但它留下了三葉草形狀的圖樣。

上圖顯示了旋轉柵陣列的輻射方向圖。典型的“8”字形圖樣組合在一起，產生了一個近似圓形的圖樣。

• 圖A顯示了組合在一起的各個圖樣。

• 圖B顯示了單個單元的垂直圖樣以及四個單元的組合圖樣。

• 圖C顯示了四個單元的組合圖樣，顯示出更好的方向性。

優點

旋轉柵天線的優點如下：

• 透過堆疊實現高增益

• 超級旋轉柵產生高增益輸出

• 實現更好的方向性

缺點

旋轉柵天線的缺點如下：

• 輻射功率比輻射相同功率的半波偶極子的最大輻射低3dB。

應用

旋轉柵天線的應用如下：

• 用於甚高頻通訊

• 用於調頻和電視廣播

• 用於軍事通訊

• 用於衛星通訊

天線理論 - 頻譜與傳輸

在地球大氣層中，波的傳播不僅取決於波的特性，還取決於環境效應和地球大氣層。為了瞭解波如何在環境中傳播，必須研究所有這些因素。

讓我們看一下發生訊號傳輸或接收的頻譜。根據天線的工作頻率範圍，製造不同型別的。天線。

電磁頻譜

無線通訊基於電磁波的廣播和接收原理。這些波可以透過它們的頻率 (f) 和波長 (λ) 來表徵。

下圖給出了電磁頻譜的圖示。

低頻段

低頻段包括頻譜的無線電、微波、紅外和可見光部分。它們可以透過調製波的幅度、頻率或相位來用於資訊傳輸。

高頻段

高頻段包括X射線和伽馬射線。理論上，這些波更適合資訊傳播。然而，由於難以調製以及這些波對生物體有害，因此在實踐中不使用這些波。此外，高頻波不容易穿過建築物。

頻段及其用途

下表顯示了頻段及其用途：

頻譜分配

由於電磁頻譜是公共資源，任何人都可以訪問，因此已經制定了一些國家和國際協議，規定頻譜內不同頻段的用途。各國的政府為調幅/調頻廣播、電視廣播、行動電話、軍事通訊和政府用途等應用分配頻譜。

在全球範圍內，國際電信聯盟無線電通訊(ITU-R)局的一個機構，即世界無線電行政會議(WARC)，試圖協調各國政府的頻譜分配，以便可以製造可在多個國家/地區工作的通訊裝置。

傳輸限制

影響電磁波傳輸的四種類型的限制是：

衰減

根據標準定義，“訊號質量和強度下降稱為衰減”。

訊號強度隨傳輸介質中的距離而下降。衰減程度是距離、傳輸介質以及底層傳輸頻率的函式。即使在自由空間中，沒有任何其他損傷，傳輸訊號也會隨著距離衰減，這僅僅是因為訊號正在傳播到越來越大的區域。

失真

根據標準定義，“任何改變訊號的頻率分量之間的基本關係或訊號的幅度水平的變化都稱為失真”。

訊號失真是一個過程，它會擾亂訊號的特性，增加一些不需要的成分，從而影響訊號的質量。這通常發生在調頻接收器中，其中接收到的訊號有時會完全失真，輸出嗡嗡聲。

色散

根據標準定義，“色散是電磁波的傳播速度取決於波長的現象”。

色散是指電磁能量脈衝在傳播過程中擴散的現象。它在有線傳輸中尤其普遍，例如光纖。由於色散，快速連續傳送的資料脈衝往往會合並。導線的長度越長，色散的影響越嚴重。色散的影響是限制 R 和 L 的乘積。其中‘R’代表資料速率，‘L’代表距離。

噪聲

根據標準定義，“任何形式的干擾能量，都會妨礙對所需訊號的正確和輕鬆接收和再現，這種能量被稱為噪聲”。

最普遍的噪聲形式是熱噪聲。它通常使用加性高斯模型進行建模。熱噪聲是由電子的熱擾動引起的，並且在整個頻譜中均勻分佈。

其他形式的噪聲包括：

• 互調噪聲 - 由在載波頻率的和或差頻率產生的訊號引起。

• 串擾 - 兩個訊號之間的干擾。

• 脈衝噪聲 - 由外部電磁干擾引起的能量高的不規則脈衝。脈衝噪聲可能不會對模擬資料產生重大影響。但是，它對數字資料有明顯的影響，導致突發錯誤。

天線理論 - 傳播型別

本章，讓我們一起學習一些有趣的主題，例如無線電波的特性、無線電波的傳播及其型別。

無線電波

無線電波易於產生，並且由於其能夠穿透建築物並傳播很長距離的能力，因此廣泛用於室內和室外通訊。

主要特徵如下：

• 由於無線電傳輸本質上是全向的，因此不需要物理對準發射器和接收器。

• 無線電波的頻率決定了許多傳輸特性。

• 在低頻下，波可以輕鬆地穿過障礙物。但是，它們的功率隨距離的平方反比關係下降。

• 高頻波更容易被雨滴吸收，並被障礙物反射。

• 由於無線電波的傳輸範圍長，傳輸之間的干擾是一個需要解決的問題。

在甚低頻 (VLF)、低頻 (LF) 和中頻 (MF) 波段，波的傳播（也稱為地波）遵循地球的曲率。這些波的最大傳輸範圍約為幾百公里。它們用於低頻寬傳輸，例如調幅 (AM) 廣播。

高頻 (HF) 和甚高頻 (VHF) 波段的傳輸被地球表面的大氣吸收。但是，一部分輻射（稱為天波）會向外和向上輻射到高層大氣中的電離層。電離層包含由太陽輻射形成的電離粒子。這些電離粒子將天波反射回地球。強大的天波可以在地球和電離層之間反射多次。業餘無線電愛好者和軍事通訊都使用天波。

無線電波傳播

在無線電通訊系統中，我們使用無線電磁波作為通道。不同規格的天線可用於此目的。這些天線的大小取決於待傳輸訊號的頻寬和頻率。

電磁波在大氣和自由空間中的傳播方式可分為以下三類：

• 視距 (LOS) 傳播
• 地波傳播
• 天波傳播

在極低頻 (ELF) 和甚低頻 (VLF) 頻段，地球和電離層充當電磁波傳播的波導。

在這些頻率範圍內，通訊訊號實際上可以傳播到世界各地。通道頻寬較小。因此，透過這些通道傳輸的資訊速度較慢，並且僅限於數字傳輸。

視距 (LOS) 傳播

在各種傳播模式中，視距傳播是我們通常注意到的那種。在視距通訊中，顧名思義，波傳播的距離最小。這意味著它傳播到肉眼可見的距離。之後會發生什麼？我們需要在這裡使用放大器加發射器來放大訊號並再次傳輸。

藉助下圖可以更好地理解這一點。

該圖非常清楚地描述了這種傳播模式。如果在傳輸路徑中出現任何障礙物，則視距傳播將不平滑。由於訊號在這種模式下只能傳播較短的距離，因此這種傳輸用於紅外線或微波傳輸。

地波傳播

波的地波傳播遵循地球的輪廓。這種波稱為直達波。波有時會因地球磁場而彎曲，並被反射到接收器。這種波可以稱為反射波。

上圖描述了地波傳播。當波穿過地球大氣層時，稱為地波。直達波和反射波共同貢獻接收站的訊號。當波最終到達接收器時，延遲被抵消。此外，對訊號進行濾波以避免失真，並進行放大以獲得清晰的輸出。

天波傳播

當波需要傳播更長距離時，首選天波傳播。此處，波被投射到空中，然後再次反射回地球。

天波傳播在上圖中得到了很好的描述。這裡顯示波從一個地方發射，並被許多接收器接收。因此，它是一個廣播的例子。

從發射天線發射的波從電離層反射。它由幾層帶電粒子組成，高度範圍從地球表面上方 30-250 英里不等。這種波從發射器到電離層，再從電離層到地球上的接收器的傳播稱為天波傳播。電離層是地球大氣層周圍的電離層，適合天波傳播。

天線理論 - 電離層及其各層

地球大氣層有幾層。這些層在無線通訊中起著重要作用。它們主要分為三層。

對流層

這是地球上緊挨地面的那一層。我們，動植物都生活在這一層。地波傳播和視距傳播都發生在這裡。

平流層

這是地球上位於對流層上方的那一層。鳥類在這一區域飛行。飛機也在這區域飛行。臭氧層也存在於這個區域。地波傳播和視距傳播都發生在這裡。

電離層

這是地球大氣的上層，電離作用明顯。太陽輻射的能量不僅加熱該區域，還會產生正離子和負離子。由於太陽不斷輻射紫外線且氣壓低，這一層促進了粒子的電離。

電離層的重要性

由於以下原因，電離層在波傳播階段是一個非常重要的考慮因素：

• 電離層下方的層具有較高數量的空氣顆粒和較低的紫外線輻射。因此，發生更多碰撞，粒子的電離最小且不恆定。

• 電離層上方的層具有非常少量的空氣顆粒，電離密度也相當低。因此，電離不充分。

• 電離層具有良好的紫外線輻射成分和平均空氣密度，不會影響電離。因此，該層對天波傳播的影響最大。

電離層具有不同壓力下的不同氣體。不同的電離劑在不同的高度電離這些氣體。由於在每個級別都進行了不同程度的電離，並且具有不同的氣體，因此在電離層中形成了具有不同特性的幾層。

可以從下圖研究電離層的各層。

層的數量、高度以及可以彎曲的天波數量會逐日、逐月和逐年變化。對於每一層，都存在一個頻率，如果將波垂直向上傳送，則該頻率高於該頻率，波就會穿透該層。

這些層的功能取決於一天中的時間，即白天和黑夜。白天有三個主要層：E 層、F1 層和 F2 層。還有一個稱為 D 層的層位於 E 層下方。該層位於對流層上方 50 至 90 公里處。

下圖描述了地球大氣中白天和黑夜存在的各層。

該 D 層導致白天 HF 波的衰減。在夜間，該 D 層幾乎消失，F1 層和 F2 層合併形成 F 層。因此，夜間只有E 層和 F 層。

天線理論 - 波傳播中的術語

在波傳播過程中，我們經常遇到一些術語。讓我們逐一討論這些術語。

虛擬高度

當波被折射時，它會逐漸向下彎曲，而不是急劇彎曲。但是，如果波是從該層更高的高度表面反射的，則入射波和反射波的路徑相同。這種較高的高度稱為虛擬高度。

該圖清楚地區分了虛擬高度（假設反射的波的高度）和實際高度（折射高度）。如果已知虛擬高度，則可以找到入射角。

臨界頻率

某層的臨界頻率決定了該層將在被髮射機直接向上發射到空中後返回到地球的最高頻率。

當電離密度以方便的方式透過各層變化時，波將向下彎曲。以最小衰減彎曲併到達接收站的最大頻率可以稱為臨界頻率。這用f_c表示。

多徑

對於高於 30 MHz 的頻率，存在天波傳播。訊號多徑是電磁波透過天波傳播的常見問題。從電離層反射的波可以稱為跳躍或跳頻。訊號可能有多次跳躍，因為它可能在電離層和地球表面之間多次來回移動。這種訊號的移動可以稱為多徑。

上圖顯示了一個多徑傳播的示例。多徑傳播是一個術語，它描述了訊號到達目的地所經過的多個路徑。這些路徑包括許多跳躍。這些路徑可能是反射、折射甚至衍射的結果。最後，當來自這些不同路徑的訊號到達接收器時，它會攜帶傳播延遲、額外噪聲、相位差等，從而降低接收輸出的質量。

衰落

訊號質量的下降可以稱為衰落。這是由於大氣效應或多徑反射引起的。

衰落是指訊號強度隨時間/距離變化的現象。它在無線傳輸中非常普遍。無線環境中衰落最常見的原因是多徑傳播和移動性（物體以及通訊裝置的移動）。

跳躍距離

從發射機到接收機在地球表面上可測量的距離，在此距離上，從電離層反射的訊號可以以最少的跳躍或跳躍次數到達接收機，被稱為跳躍距離。

最大可用頻率 (MUF)

最大可用頻率 (MUF) 是發射機發射的最高頻率，與發射機的功率無關。從電離層反射到接收機的最高頻率稱為臨界頻率，fc。

$$MUF = \frac{臨界頻率}{\cos\theta} = f_{c}\sec\theta$$

最佳工作頻率 (OWF)

對於特定傳輸最常使用的頻率，並且預測在特定時間段內、在特定路徑上使用的頻率，稱為最佳工作頻率 (OWF)。

符號間干擾

符號間干擾 (ISI) 在通訊系統中更為常見。這也是訊號多徑的主要原因。當訊號透過不同的傳播路徑到達接收站時，它們會相互抵消，這被稱為訊號衰落現象。這裡應該記住，訊號以向量方式相互抵消。

趨膚深度

電磁波不適合水下傳播。但是，如果我們將傳播頻率降低到極低，它們可以在水下傳播。水下電磁波的衰減用趨膚深度表示。趨膚深度定義為訊號衰減到1/e的距離。它是衡量電磁波可以穿透的深度的量度。趨膚深度表示為δ（delta）。

波導傳播

在對流層約50米的高度，存在一種現象：溫度隨高度增加。在對流層的這個區域，高頻或微波頻率傾向於折射回地球大氣層，而不是射入電離層反射。這些波即使傳播到1000公里遠的距離，也能繞過地球曲率傳播。

這種折射在這個對流層區域持續進行。這可以稱為超折射或波導傳播。

上圖顯示了波導傳播的過程。波導形成的主要要求是溫度反轉。溫度隨高度增加而不是降低的現象稱為溫度反轉現象。

我們討論了在波傳播中遇到的重要引數。使用這種波傳播技術傳輸和接收高頻波。