天線廣泛用于電信領域，我們知道它們有許多應用。天線接收電磁波并將其轉換為電信號，或者接收電信號并將其作為電磁波輻射。在本文中，我們將研究天線背后的科學。

波動電磁場與輻射電磁場的區別

我們有電信號，那么我們如何將其轉換為電磁波呢？您可能會想到一個簡單的答案。也就是說，使用閉合導體，并借助電磁感應原理，您將能夠產生波動的磁場和圍繞它的電場，如圖1A所示。但是，源周圍的這種波動場在傳輸信號時沒有用。這里的電磁場不傳播；相反，它只是圍繞源波動。在天線中，電磁波需要與源分開，并且它們應該傳播（圖：1B）。在研究天線的制造方法之前，讓我們了解波分離背后的物理原理。

振蕩偶極子和輻射背后的物理學

考慮一個正電荷和一個負電荷分開放置。這種布置被稱為偶極子，并且它們顯然會產生如圖2A所示的電場。現在，假設這些電荷正在振蕩，如圖2B所示。在其路徑的中點，速度將為最大，而在其路徑的末端，速度將為零。由于該速度變化，帶電粒子經歷連續的加速和減速。

1. t = 0時的電場線

現在的挑戰是找出電場由于這種運動而如何變化。讓我們只關注一條電場線（圖3）。

圖：3電場在t = 0處顯示

2.在t = T / 8處的電場線

在零個時間段形成的波前擴展并在一個時間段的八分之一后如圖所示變形（圖4A）。這令人驚訝；您可能已經預料到一個簡單的電場，如該位置所示。為什么電場會拉伸并形成這樣的場？如圖4B所示，這是因為加速或減速電荷會產生具有一定記憶效應的電場。舊的電場不容易適應新的條件。我們需要花一些時間來了解電場的作用，即加速或減速電荷的扭結。

3.在t = T / 4處的電場線

如果我們以相同的方式繼續進行分析，我們可以看到在四分之一的時間段內，波前結束點在單個點處相遇（圖5）。

圖：5在t = T / 4處，電場的末端在單個點處匯合，發生分離和傳播

此后，發生波前的分離和傳播。如果繪制電場強度隨距離的變化，您會發現波的傳播本質上是正弦的（圖6）。有趣的是，如此產生的傳播波長恰好是偶極子長度的兩倍。稍后我們將回到這一點。請注意，這種變化的電場將自動產生垂直于它的變化的磁場。這正是我們天線所需要的。簡而言之，如果可以安排使正負電荷振蕩的話，就可以制造天線。

圖：6偶極子中的電磁輻射

天線中的輻射如何發生？

實際上，這種振蕩電荷的產生非常容易。取一根在中心彎曲的導電棒，并在中心施加電壓信號（7A）。假設這是您施加的信號，隨時間變化的電壓信號。考慮零時的情況。由于電壓的影響，電子將從偶極子的右側移出，并在左側積聚。這意味著失去電子的另一端會自動帶正電（7B）。這種布置產生了與先前的偶極電荷情況相同的效果，即導線末端的正電荷和負電荷。隨著電壓隨時間的變化，正電荷和負電荷將往返移動。

簡單的偶極天線也會產生與上一節相同的現象，并且會發生波傳播。現在我們已經看到了天線如何作為發射器。發射信號的頻率將與施加的電壓信號的頻率相同。由于傳播以光速傳播，因此我們可以輕松計算傳播的波長（圖8）。為了實現完美的傳輸，天線的長度應為波長的一半。

? 天線 = ? 輸入

C = ? 天線 X ? 天線

圖：8天線以光速輻射電磁波

天線如何接收信號？

天線的操作是可逆的，如果傳播的電磁場撞擊到天線，它可以用作接收器。讓我們詳細看看這種現象。

再次使用同一根天線并施加電場。此時，電子將在棒的一端積聚。這與電偶極子相同。隨著施加電場的變化，正負電荷會在另一端累積。變化的電荷累積意味著在天線的中心產生變化的電壓信號。如圖9所示，當天線用作接收器時，該電壓信號就是輸出。輸出電壓信號的頻率與接收電磁波的頻率相同。從電場配置可以明顯看出，為了獲得完美的接收效果，天線的尺寸應為波長的一半。在所有這些討論中，我們已經看到天線是開路的。

圖9：如果傳播的電磁場撞擊到天線，天線可以用作接收器

天線類型

現在，讓我們看一些實用的天線及其工作原理。

1.八木宇田天線

過去，偶極天線用于電視接收。彩色條充當偶極子并接收信號，如圖所示。偶極子是它的主要驅動元件。這種天線也需要反射器和指向矢，以將信號聚焦在偶極子上。反射器元件總是比從動元件更長，導向器元件總是比從動元件短。這種完整的結構稱為八木宇田天線（圖10A）。八木天線是由兩位日本科學家八木秀久和宇田慎太郎發明的。它是定向天線，用于點對點通信。被驅動元件或偶極天線將接收到的信號轉換為電信號，這些電信號通過同軸電纜傳輸到電視單元（圖10B）。

2.詳細的碟形天線

如今，我們已轉向碟形電視天線。它們由兩個主要部分組成，一個拋物線形反射器和一個低噪聲降壓轉換器。拋物面天線從衛星接收電磁信號，并將其聚焦在LNBF上，如圖11所示。拋物線的形狀經過特別精確的設計。

圖：11在碟形天線中，入射信號通過拋物面反射器聚焦到LNBF

LNBF由饋電喇叭，波導，PCB和探針（12A）組成。進入的信號通過饋電喇叭和波導聚焦到探頭上。正如我們在簡單偶極子情況下所看到的，在探頭處感應出電壓。如此生成的電壓信號被饋送到PCB進行信號處理，例如濾波，從高頻到低頻的轉換以及放大。經過信號處理后，這些電信號通過同軸電纜傳輸到電視單元（圖12B）。

如果打開LNB，則很可能會找到2個探針而不是一個，第二個探針垂直于第一個。2探頭排列意味著通過發送水平或垂直極化波可以將可用頻譜使用兩次。如圖13所示，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。

圖13：水平探頭和垂直探頭分別檢測水平極化信號和垂直極化信號。

3.微帶天線或貼片天線

您手中的手機使用完全不同類型的天線，稱為貼片天線（圖14A）。這些類型的天線價格便宜，并且易于制造在印刷電路板上。貼片天線由放置在接地平面上的金屬貼片或金屬條組成，中間有一塊介電材料。在此，金屬貼片用作輻射元件。金屬貼片的長度應為適當傳輸和接收的波長的一半（圖14B）。請注意，我們在此處說明的貼片天線的描述非常基礎。

責任編輯：xj

原文標題：動畫+圖文解析|天線如何工作？原理是怎樣的？

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