天线

天线是一种用于传输无线电电磁波的金属结构。我们可以将其定义为在空间中发射波或辐射，这通过称为天线的介电结构高效地实现。天线充当传感器，将电能转换为电磁波。电荷是电磁波的来源。

发射天线承载电流，将其转换为辐射形式，并将其传输到空间。天线可以用作发射天线或接收天线。

天线利用来自源（传输线）的电压和电流向特定介质发射电磁波。

在这里，我们将讨论以下主题。

天线类型

天线的辐射方向图

地面对天线的影响

天线区域

天线参数

天线类型

不同类型的天线如下

根据方向

天线根据其发射的辐射方向进行分类。根据方向划分的三种主要天线类型是全向天线、半定向天线和定向天线。

让我们详细讨论上述天线类型。

1. 全向天线

全向天线在所有方向上均匀辐射无线电功率。发射的功率垂直于轴线。它在靠近轴线方向上进一步衰减到零。它通常用于需要与多个设备通信的应用中。

2. 半定向天线

半定向天线也在特定方向上辐射功率，在大面积上提供辐射。它通常用于短距离到中距离通信的点对点通信。

3. 定向天线

定向天线在特定方向上辐射功率。因此，辐射功率具有强烈的波束。它防止辐射因特定方向的辐射而受到任何干扰。与全向天线相比，它具有窄波束和双倍增益。

定向天线的应用包括 GPS（全球定位系统）、蜂窝网络等。

线天线

线天线是一种无线电天线，由悬挂在地面上的长导线组成。导线通过接收信号并进一步辐射信号来充当天线。

线天线进一步分类为

1. 垂直天线

• 垂直天线在所有方向上辐射功率。这意味着它在向上或向下方向辐射较小的功率。它用于水平天线无法满足要求的情况。
• 垂直天线的形状类似于安装在地面上的垂直杆。垂直天线也可以有物理接地连接，通过接地棒连接到地球。
• 垂直天线发射的辐射类似于全向天线。其优点包括低辐射角、易于安装、抗风等。

2. 环形天线

• 环形天线由线圈组成。环的周长可大可小，取决于工作频率。
• 环形天线的形状可以是正方形、矩形、圆形或任何几何形状，但必须是闭合环形。如下图所示
  
• 大环形天线的基本要求是环的周长等于一个全波长的 110%。
• 有些天线呈环形，但由于中间有断裂而不属于环形天线。例如，光环天线。光环天线弯曲成环形，但中间有断裂。它可以被视为偶极天线。此类天线中的断裂被分析为空气断裂或空气电容器。
• 小环形天线通常损耗较大。因此，它适用于 10MHz 以下的低频传输。其应用包括 AM（调幅）广播接收器、陆地移动无线电等。

3. 螺旋天线

• 它由螺旋形状的导线组成。螺旋天线可以是定向的或全向的。定向螺旋天线通常安装在接地板上。
  
• 螺旋天线可以以正常模式或轴向模式运行。在正常模式下，天线的直径和螺距小于波长。在这种情况下，它充当单极天线。在正常模式下运行的螺旋天线也称为宽边螺旋天线。
• 在轴向模式下，天线的直径和螺距与波长相当。在这种轴向模式下，天线表现为定向天线。在轴向模式下运行的螺旋天线也称为端射螺旋天线。
• 螺旋天线可以由一根、两根、三根或四根导线组成。两根导线的螺旋天线称为双线。类似地，四根导线的螺旋天线称为四线。
• 由于增加了电感，螺旋天线表现得像一个感性负载单极天线。电感是由于其螺旋形状。单极天线可以用作电短单极天线（短于信号波长的天线）。

孔径天线

孔径天线的一个常见例子是喇叭天线。

1. 喇叭天线

• 它形状像一个喇叭，将无线电波以波束形式引导。
• 喇叭天线用于微波和超高频。频率范围通常在 300MHz 以上。喇叭天线的工作原理类似于乐器小号。
• 喇叭天线的图表如下所示
  
• 喇叭天线允许以最小反射辐射波能量。其他类型的喇叭天线有脊形喇叭、指数喇叭、锥形喇叭等。
• 喇叭天线的波前是球形的。由于球形波前，相位从边缘向中心平滑增加。
• 喇叭尺寸的增加会增加相位误差。它进一步为喇叭天线提供了更宽的辐射方向图。
• 当喇叭天线与抛物面反射器结合时，形成的天线称为喇叭反射器天线。

偶极天线

• 偶极天线由两根沿同一轴线排列的直导线组成。它也被称为双偶极子。它是最常用的天线类别。偶极天线的两根导线或导体连接到发射器或接收器。
  
• 偶极天线的其他变体包括旋转天线、光环天线、蝙蝠翼天线等。
• 小于半波长的偶极天线称为短偶极天线。它具有非常低的辐射电阻。

偶极天线进一步分类为半波偶极天线、单极天线、四分之一波长单极天线和赫兹偶极子。

1. 半波偶极天线

• 顾名思义，半波偶极天线的长度是半个波长。它是最常用的偶极天线类型。
• 半波偶极子的辐射方向图在轴向方向上为零，垂直于导体方向上最大。
• 半波偶极天线用于全波偶极天线因尺寸过大而无法使用的应用。

2. 单极天线

• 单极天线由一根安装在接地平面或任何其他导电表面上的单根杆或导体组成。馈线（连接天线与发射器或接收器的电缆）的一侧连接到偶极子的下端。另一端连接到充当大地为天线的地面。
• 单极天线的辐射方向图也是全向的。
• 单极天线可以看作是垂直偶极天线，其下半部分被导电平面取代。它垂直于偶极子的上半部分放置，如下图所示
  
• 到达天线上半部分的无线电波被接地平面反射。反射波因此形成了垂直偶极天线的缺失部分。因此，单极天线是一个完美的导电天线。
  
• 单极天线的类型包括伞形天线。伞形天线通常用作低于 1MHz 频率的发射器。

3. 四分之一波长单极天线

• 它是一种单极天线。
• 天线通常是无线电波波长的四分之一。
• 四分之一波长单极天线的常见类型是四分之一波长鞭状天线和四分之一波长橡皮鸭天线。
• 四分之一波长鞭状天线由多根杆或直导线组成，它们垂直和水平辐射。它也称为地平面天线。
• 橡皮鸭天线呈螺旋状的导线封装在橡胶套中，以保护天线。它用于便携式 FM（调频）收音机、对讲机等。

4. 赫兹偶极子

• 赫兹偶极子承载均匀电流，表示为
  I = Io cosωt
  赫兹偶极子表示无穷小电流单元 Idl，它作为实际天线场的构建块。微小的电流单元在实践中是不可能的，但被视为实际天线的参考。
• 赫兹偶极子在其沿导体短长度上具有恒定电流。因此，它用于更复杂几何天线的分析。

天线的辐射方向图

辐射方向图也称为天线方向图。它是天线在远场辐射的三维图。这意味着天线的辐射方向图也称为远场方向图。

振幅 E 的平方称为功率方向图。

其中，

当绘制特定场分量的振幅时，E 是电压或场方向图。

让我们考虑赫兹偶极子的情况。

归一化 E 面方向图如下所示

类似地，其 H 面或水平方向图为

H 面方向图是当角度为 90 度常数值时，三平面方向图与 phi 的关系。赫兹偶极子的分量是正弦。因此，归一化 E 面图案的最大值为单位。

特性

让我们讨论天线辐射方向图的一些特性。

• 无线电波的强度取决于天线源。在天线设计领域，这种无线电波的角度依赖性称为天线辐射方向图。在激光、光学等其他领域，获得的图案称为近场方向图。
• 近场或菲涅尔图案通常定义在源前方的平面上，而远场图案在天线范围处确定。
• 天线的基本理论是，接收天线的接收图案与传输时天线的远场图案相似。
• 某些天线的辐射方向图也称为干涉图。这是因为来自不同部分的辐射可以在某些角度发生干涉。
• 全向天线由于在所有方向上辐射相等功率而具有对称辐射方向图。这些轴对称天线是单极天线和偶极天线。

让我们考虑一个极坐标辐射图的例子。它由左叶和右叶组成，如下图所示

在定向天线的情况下，传播方向上的波瓣被认为是最大的波瓣。它是这样获得的辐射方向图的主瓣。其他旁瓣表示不需要方向上的辐射。

地面对天线的影响

• 地面反射被认为是无线电波的多径。对于某些类型的天线，地平面很重要。在单极天线的情况下，地面反射起到了替代天线下半部分的作用。
• 根据菲涅尔系数，撞击地面的电磁波有一半被反射，一半被传输到地下。如果地面是良导体，所有电磁波都可能被反射。类似地，损耗性地面可以吸收大量的撞击能量。
• 对于低于 30MHz 的频率，地面表现为有损介质。我们也可以将其视为从低频到高频的范围。
• 天线可以是水平极化的或垂直极化的。在水平极化天线的情况下，天线在 3 到 30MHz 频率范围内的大部分能量会反射地面。它会遭受 TIR 或全内反射。反射波可以以反相抑制或增强直射波。
• 在导电表面高的情况下，地面会反射垂直极化辐射。否则，它反射效果不佳。
• 在高于 30 MHz 或超高频的频率下，地面成为不良反射体。

天线区域

天线有三个区域，如下图所示

这三个区域分别标记为 I、II 和 III。

让我们详细讨论这三个区域。

区域 I

它被称为振荡场区。它通常靠近源（标记为 S）。它是 1/r^3 范围内的区域。

区域 II

它被称为近场区。其范围介于 1/r^3 和 1/r^2 之间。

区域 III

它被称为远场区。

区域 II 也称为菲涅尔场，而区域 III 称为夫琅禾费场。这两个场之间的距离是

同样，这两个区域之间的边界可以计算为

等效辐射功率由下式给出

其中，

Rrad 是赫兹偶极子的辐射电阻。辐射电阻的值越大，可以传输到空间的功率就越多。这意味着我们需要具有大辐射电阻的天线才能向空间传输大量功率。

例如：

设辐射电阻为 2 欧姆。这意味着天线只能传输非常小的功率。

天线阵列

与单个天线相比，天线阵列提供更好的方向性。它是一组辐射元件，它们组合在一起以产生所需的特性。

N 元件阵列

天线的阵列因子由下式给出

其中，

Alpha 是两个连续阵列元件之间的相位差。

天线参数

天线参数用于确定天线的辐射强度、增益、方向性、功率增益和效率。

辐射强度

天线的辐射强度是平均功率的积分。强度的单位是瓦特/球面度。它可以表示为

天线参数

天线参数用于确定天线的辐射强度、增益、方向性、功率增益和效率。

辐射强度

天线的辐射强度是平均功率的积分。强度的单位是瓦特/球面度。它可以表示为

功率增益

设天线的输入功率和辐射功率分别为 Pin 和 Prad。总输入功率可以表示为

其中，

Iin 是输入电流

Rrad 是辐射电阻

Rl 是欧姆电阻

因此，天线的功率增益由下式给出

辐射效率

天线的辐射强度定义为辐射功率与输入功率之比。我们可以说辐射效率是在特定方向上的功率增益与相同方向上的方向性增益之比。

它由下式给出

这意味着天线的输入功率是辐射功率和功率损耗的总和。

方向性

方向性也称为天线的最大方向性增益。

它由下式给出

其中，

Umax 是最大辐射强度

Uavg 是平均辐射强度

收益

天线的增益定义了辐射功率在特定方向上的集中度。

它由下式给出

有效面积

天线的有效面积定义为接收到的平均功率与平均功率密度之比。它表示为

其中，

Ae 是有效面积

Pr 是平均接收功率

Pd 是功率密度

对于特定天线，它由下式给出

有效长度

天线的有效长度描述了天线的有效性。有效长度类似于天线的等效长度。它辐射的场强与实际天线相同。辐射方向垂直于其长度。

它由下式给出

弗里斯传输公式

弗里斯传输公式用于将天线接收到的功率与传输功率相关联。

接收天线和发射天线被分隔开