天線理論教程

天線理論是電子與通訊工程（ECE）領域的一門基礎課程。它涉及天線在通訊系統中的設計、工作原理和應用的研究。眾所周知，天線是通訊系統中的一個重要組成部分，負責電子訊號的傳輸和接收。

天線理論作為電子與通訊工程課程的核心科目被介紹。這使學生能夠深入瞭解不同型別的天線的工作原理、不同天線的應用場合等。因此，對於電子工程師，特別是從事通訊技術領域的工程師來說，天線理論是一門必修課程。

天線理論還在無線通訊、衛星通訊、光纖通訊、雷達技術等現代通訊系統的發展中發揮著重要作用。本課程介紹了最佳化訊號傳輸和高效資料和資訊通訊的重要原理。

天線理論簡介

本天線理論教程的主要目標是概述與天線相關的各種概念，例如設計、原理及其應用。瞭解這些概念對於在各種通訊系統中執行與天線設計、操作和維護相關的任務非常重要。

為了更容易理解這些概念，本“天線理論”教程分為五個模組：

1. 第一個模組解釋了與天線理論相關的各種基本概念和基本術語。此處涵蓋的一些主要主題包括天線理論的基本引數、近場和遠場的含義、輻射方向圖、波束和極化的概念、波束寬度的計算、倒易性的特性和坡印廷向量。

2. 第二個模組描述了不同型別的天線及其特性。本節解釋的天線主要型別包括半波偶極子天線、全波偶極子天線、半波折疊偶極子天線、短偶極子天線、長導線天線、V形和倒V形天線、菱形天線、環形天線、螺旋天線、孔徑天線、喇叭天線、槽縫天線、微帶天線、透鏡天線和拋物面反射器。這些天線都將詳細解釋，包括其優點、缺點和應用。

3. 第三個模組解釋了不同型別的天線陣列。它討論了天線陣列、共線陣列、旁瓣陣列、端射陣列、寄生陣列、八木天線理論、對數週期天線理論和轉動天線理論等主題。

4. 第四個模組是關於波傳播的，涵蓋了波傳播中的術語、頻譜和傳輸、傳播型別以及電離層及其各層等主題。

5. 本教程的第五個模組提供了一個快速指南、建議的有用資源以及一個關於天線理論的社群討論平臺。

理解天線理論的先決條件

本天線理論教程的編寫水平相對較低，面向對電子和通訊系統有基本瞭解的絕對初學者。因此，本科生可以將其用作天線理論的入門資源，而從事電子和通訊工程的工程師也可以將其用作參考。

關於天線理論的常見問題

本節簡要解答了一些關於天線理論的常見問題 (FAQ)。

1. 什麼是天線理論？

天線理論是電子與通訊工程學科的核心科目。它涉及研究在通訊系統中使用的各種型別的天線的設計、工作原理和應用。

天線是通訊系統的一個組成部分，可以將電訊號轉換為電磁波，反之亦然。因此，它被用作以電磁波形式在距離上發射和接收訊號的裝置。

學習天線理論包括理解各種通訊概念，例如輻射方向圖、近場和遠場、極化、天線型別、天線陣列、波傳播等。

2. 天線的基本原理是什麼？

天線的基本原理是將電訊號轉換為電磁波，反之亦然。除了訊號到波的轉換外，天線還可以執行電磁波的發射和接收。這些功能構成了所有無線電通訊系統的基礎。

3. 什麼是發射天線理論？

發射天線理論只不過是解釋天線如何將電訊號轉換為電磁波並將其發射到空間的概念。該理論涉及從時變電訊號產生電磁波，並將其從天線輻射出去以進行資訊通訊。

4. 天線的三種類型是什麼？

天線主要根據其方向特性可分為以下三種類型：

• 定向天線
• 半定向天線
• 全向天線

1. 定向天線是指在特定方向上輻射電磁波並提供聚焦和窄波束輻射的天線。由於能夠在特定方向產生強輻射訊號，這些天線用於長距離通訊。

2. 半定向天線是指可以向特定方向輻射電磁波，但與定向天線相比頻寬更寬的天線。由於方向輻射方向圖更寬，這些天線廣泛用於無線網路、蜂窩通訊、點對點通訊等。

3. 全向天線是指在所有水平方向上均等地輻射電磁波並提供360°覆蓋的天線。這些天線的輻射方向圖呈環形。這些天線通常用於需要在較大地理區域提供均勻覆蓋的場合，例如調頻廣播、Wi-Fi、行動電話基站等。

5. 天線是如何工作的？

典型天線的工作原理如下所示：

步驟 1 - 通訊發射器向天線提供交流訊號，並在天線中產生振盪電場。

步驟 2 - 振盪電場在天線周圍產生時變磁場。時變電場和磁場的組合效應形成從天線發射出的電磁波。

步驟 3 - 發射的電磁波具有取決於天線設計的特定輻射方向圖。

步驟 4 - 這些電磁波從天線輻射出去，並由通訊系統中的另一個天線接收。在那裡，這些波在接收天線中感應交流訊號，並將電磁波轉換回電訊號。

步驟 5 - 這些電訊號由接收器收集和處理，以檢索原始資訊。

這五個步驟展示了典型天線在通訊系統中的工作原理。

6. 天線的特性是什麼？

天線的特性是決定天線效能的引數。以下是天線的一些關鍵特性：

• 輻射方向圖 - 此天線特性描述了天線如何在空間中輻射電磁波。它可以是定向的、半定向的或全向的。
• 增益 - 此天線特性描述了天線增加輻射功率的能力。
• 方向性 - 天線的此特性衡量特定方向上輻射的功率與所有方向上輻射的功率之比。
• 頻寬 - 此特性定義了天線能夠高效執行的頻率範圍。
• 極化 - 天線的此特性指定輻射電磁波電場的取向。它可以是水平的、垂直的、圓形的和橢圓形的。
• 效率 - 天線的此特性衡量輻射功率與輸入到天線的總功率之比。它還提供了天線中的損耗。

7. 天線的應用是什麼？

天線是通訊系統或通訊裝置的重要組成部分。此處列出了一些天線的常見應用：

• 行動電話和Wi-Fi，提供無線通訊
• 廣播電視
• 衛星通訊
• GPS（全球定位系統）和導航
• 雷達系統
• 遙感和控制等。

8. 槽縫天線的理論是什麼？

槽縫天線理論基於互補天線的概念。根據此概念，槽縫天線是透過使用導電金屬表面（通常是平板）來構造的。此金屬表面在其上切出了一個或多個槽或孔。在施加射頻電流訊號時，槽縫充當輻射器併產生電磁波。這些電磁波的模式、頻率和極化取決於槽縫的尺寸和方向。

9. 天線的兩個主要功能是什麼？

在通訊系統中，天線執行以下兩個主要功能：

• 電磁波的傳輸 − 天線將電訊號轉換成電磁波並將其傳輸到目的地。
• 電磁波的接收 − 天線接收電磁波並將其轉換成電訊號以檢索原始資訊。

10. 誰發明了天線？

德國物理學家海因裡希·赫茲於1888年發明了第一根天線。這根天線是拋物面天線，也稱為衛星天線。在該天線上，赫茲使用火花激發的偶極子天線位於圓柱形拋物面反射器的焦點處，以進行電磁波的傳輸和接收。

11. 什麼是波傳播？

電磁波在空間或介質中的移動被稱為波傳播。在通訊工程中，波傳播就是包含資訊的電磁波在發射天線和接收天線之間輻射的過程。

12. 天線中有哪些波傳播模式？

在天線的情況下，波傳播模式被定義為電磁波從發射天線透過空間移動到接收天線的方式。以下是天線中一些常見的波傳播模式：

• 地波傳播 − 在這種波傳播模式中，電磁波沿著地球表面移動。這種波傳播模式通常用於短程通訊，例如調幅廣播。
• 天波傳播 − 在這種波傳播模式中，電磁波透過被電離層反射回地球的方式傳播到接收機。這種波傳播模式通常用於長距離通訊，例如電視廣播。
• 視距傳播 − 在這種波傳播模式中，電磁波在沒有任何反射或衍射的情況下沿直線視覺路徑傳播。這種模式通常用於甚高頻和超高頻通訊。
• 自由空間傳播 − 在這種波傳播模式中，電磁波在開放空間環境中以直線從發射機傳播到接收機。這種模式廣泛應用於衛星通訊。

13. 天線陣列的特性是什麼？

以下是天線陣列的一些重要特性：

• 增益 − 此屬性描述了天線陣列在特定方向上將輸入電訊號有效轉換為電磁波的能力。
• 方向性 − 此屬性描述了天線陣列將電磁輻射集中到特定方向的能力。
• 干擾消除 − 此屬性解釋了天線陣列如何消除來自特定方向的干擾。
• 波束指向 − 天線陣列的此屬性提供了在不物理移動天線陣列的情況下電子控制電磁輻射的能力。此屬性涉及訊號的相位控制。

14. 天線陣列的優缺點是什麼？

下面重點介紹天線陣列的主要優缺點：

天線陣列的優點

• 天線陣列提供更高的增益和更大的方向性。
• 天線陣列提供改進的信噪比 (SNR)。
• 天線陣列減少了其他方向上的不希望的輻射。
• 天線陣列在可擴充套件性和定製方面具有高度的靈活性。

天線陣列的缺點

• 天線陣列的設計和維護相對複雜。
• 由於使用了多個天線，陣列天線成本較高。
• 天線陣列尺寸較大，重量較重。
• 陣列天線功耗更大。

15. 波傳播的原理是什麼？

波傳播的原理涉及包含資訊的電磁波的產生、傳輸和接收。

波傳播的原理由麥克斯韋方程等各種物理定律描述。這些方程解釋了電場和磁場的相互作用，並描述了電磁波的行為。