天线是如何工作的以及生活中常用的天线介绍

2021-06-08 19:38发布

天线在技术通信领域的应用非常广泛,我们在本系列文章中已经看到了它们的许多应用,天线接收电磁波并转换为电信号或接收电信号以电磁波的形式辐射出去。

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在本文中,我们将了解天线背后的科学。我们有一个电信号。那么我们如何将其转换为电磁波呢?你可能有一个简单的答案。那就是用一个封闭的导体,借助电磁感应的原理,你就能产生一个波动的磁场和周围的电场。然而,这种围信号源周围的波动场对传输信号没有用处。这里的电磁场不会传播。相反,它只是在信号源附近波动。

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在天线中,电磁波需要与信号源分离,才能传播出去。在天线如何制作之前,让我们了解一下波与信号源分离背后的物理原理。

假设一个正电荷和一个负电荷相距一定距离放置,这种排列被称为偶极子,它们显然会产生如图所示的电场。

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现在假设这些电荷如图所示那样振荡,如它们路径的中点处速度将达到最大值,在他们路径的两端速度将为零。由于这种速度变化,带电粒子不断加速和减速。现在的问题是找出电场因这种运动如何变化的。让我们只关注一个电场线。

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在时间零点处形成的波前,在经过八分之一周期后膨胀变形。令人惊讶的是,您可能已经预料到了一个简单的电场,如图所示的这个位置。

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为什么电场会拉伸并形成这样的场?这是因为加速或减速电荷产生了具有一定记忆效应的电场,旧电场不容易调整到新的状态。我们需要花一些时间来了解这种电场的记忆效应以及加速或减速电贺所产生的扭结。我们将在多带带的文章中更详细地讨论这个有趣的话题。

如果我们以同样的方式继续我们的分析,我们可以看到在四分之一的时间周期内,波前两端端在一个点相交。在此之后,波前的分离和传播就会发生。

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请注意,这种变化的电场会自动产生一个与之垂直磁场。

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如果你画出随距离的变化的电场强度,你可以看到波实际上市以正弦的方式传播的。

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有趣的是,这样产生的传播波长正好是偶极子长度的两倍。稍后我们将回到这一点。

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这正是我们在天线中所需要的。简而言之,如果我们能让正负电荷振荡,我们就可以做一个天线。实际上,这种振荡电荷的产生非常容易。拿一根中心弯曲的导电棒,并在中间施加电压信号,假设这是您施加的信号,一个时变的电压信号。考虑0时刻的情况,由于电压的影响,电子将从偶极子的右侧移位并积累在左侧,这意味着失去电子的另一端自动变成带正电的。

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这种排列方式产生了与之前的偶极电荷相同的效果,即在电线的末端有正负电荷。随着电压随时间的变化,正负电荷将来回穿梭。

简单的偶极子天线也会产生我们在前面中看到的相同现象,波传播就会发生了。

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我们现在已经看到天线是作为发射器的工作原理。发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同,因为传播以光速传播,我们可以很容易地计算出传播的波长。理想情况下的传输,天线的长度应该是波长的一半。

天线的工作是可逆的,如果正在传播的电磁场遇到它它就可以作为接收器工作,让我们详细了解下这种现象。

再拿同样一根天线,在中间施加电场,此时电子就会在杆子的一端聚集,这和偶极子是一样的。随着外加电场的变化,正负电荷在另一端累积。这种变化的电荷积累意味着在天线的中心产生变化的电压信号。当天线作为接收器工作时,这个电压信号就是输出。输出电压信号的频率与接收的电磁波的频率相同。

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从电场结构可以清楚地看出,为了完美接收信号,天线的大小应该是波长的一半。

在所有这些讨论中,我们已经看到天线是一个开路。现在让我们看看一些实际生活中的天线以及它们是如何工作的。

在过去,电视天线接收使用的是偶极天线。忧色棒充当偶极子并接收信号,这种天线中,反射器和导向器用来将信号聚焦在偶极子上,这个完整的结构被称为八木-宇田天线。偶极天线将接收到的信号转换为电信号,这些电信号通过同轴电缆传输到电视设备。

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如今,我们已经转向碟形电视天线。它们、由两个主要组件组成:一个抛物面形反射器和一个低噪声模块下变频器。抛物面盘接收来自卫星的电磁信号并将它们聚焦到LNBF(馈源一体化高频头)上。抛物线的形状设计得非常精确。LNBF是一个线源喇叭、一个波导、一个PCB和一个探针组成。输入信号通过馈线喇叭和波导聚焦到探针上,在探针处,感应电压如我们在简单的偶极子情况下看到的那样,这样产生的电压信号被馈送到PCB进行信号处理,例如滤波,高低频转换和放大,经过信号处理后这些电信号通过同轴电缆向下传送到电视设备。

如果你打开一个LNB(高频头),你很可能会发现两个探针而不是一个,第二个探针垂直于第一个,两个探头排列意味着可用光谱可以使用两次。通过发射水平极化或垂直极化的波,一个探针检测水平极化信号,另一个探针检测垂直极化信号。

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手机使用的是一种完全不同类型的天线,称为贴片天线。 贴片天线由金属贴片或条带组成。

放置在表面上,中间有一片介电材料,这里的金属贴片起到了辐射原件的作用,金属贴片的长度应该是波长的一半,以便发送和接收传。我们这里关于贴片天线的描述和解释非常简略。

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