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，或接收電信號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)。

如果我們有一個電信號,，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簡單的答案：那就是使用一個閉合的導(dǎo)線,，在電磁感應(yīng)原理的幫助下,，將能夠產(chǎn)生一個波動的磁場和周圍的電場。

然而,，源周圍的這種波動場在信號的傳輸中是沒有用處的,。

這里的電磁場不傳播，它只是波動,。

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正電荷和一個負(fù)電荷,，這種排列很近的一對電荷稱為偶極子，它們顯然會產(chǎn)生如圖所示的電場,。

假設(shè)這些電荷是如圖所示，在其路徑的中點振蕩,，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由于這種運動而變化,。

讓我們只專注于一個電場線，在時間為零時形成的波前擴展并變形,，在八分之一的時間段之后,。

如圖所示：

你可能會感到驚訝,，期望在此位置顯示一個如下圖所示的簡單的電場：

為什么電場擴展形成一個像這樣的電場呢,？

是因為加速或減速電荷會產(chǎn)生一些電場記憶效應(yīng),，舊的電場不容易適應(yīng)新的電場，我們需要花一些時間來理解這種記憶效應(yīng)電場或扭結(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,，在一個四分之一的時間周期內(nèi),，波前端在一個點相遇：

在這之后,，波前發(fā)生分離和傳播,。

請注意，這種變化的電場會自動產(chǎn)生一個垂直于他的變化的磁場,。

如果你畫出電場強度隨距離的變化,，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)生的傳播波長正好是偶極子長度的兩倍。

這正是我們在天線中所需要的,，簡而言之，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,。

在實踐中這種振蕩電荷的生產(chǎn)很容易，取一個在中心彎曲的導(dǎo)電棒并施加一個中心的電壓信號,，假定這是隨時間變化的信號,，考慮這樣一種情況，在時刻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自動帶正電,。

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,，隨著電壓隨時間的變化,，正電荷和負(fù)電荷會來回穿梭，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)射機的工作原理，發(fā)射信號的頻率將與施加的電壓信號的頻率相同：

因為傳播以光速傳播,，所以我們可以很容易地計算出傳播的波長：

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

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

該電壓信號是天線作為接收機工作時的輸出，輸出電壓信號的頻率與接收到的a.m.波的頻率相同,。

從電場結(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)該是波長的一半,。

在所有這些討論中，我們已經(jīng)看到天線是一個開路,，現(xiàn)在讓我們看看一些實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反射器和導(dǎo)向器來將信號聚集在偶極子上，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轉(zhuǎn)換成電信號,，這些電信號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，其中包括兩個主要組成,，一個拋物面狀反射鏡和一個低噪聲塊下變頻器,。

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

lnbf由一個饋電喇叭,、波導(dǎo),、PCB和探頭組成。

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

就像我們在簡單偶極子情況下看到的那樣，會感應(yīng)出電壓,，如此生成的電壓信號會饋送到PCB進(jìn)行信號處理,。

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

如果你打開一個Lnb你很可能會發(fā)現(xiàn)兩個探測器而不是一個,，第二個探針垂直于第一個探針，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,。

一個探頭檢測水平極化信號,，另一個探頭檢測垂直極化信號。

你手中的手機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,，金屬貼片的長度應(yīng)為適當(dāng)發(fā)射和接收的波長的一半,。

請注意，我們在此處說明的貼片天線的描述是非?；镜?。

出品丨EDA365電子論壇

譯制丨巢影字幕組

排版編輯丨巢妹