这篇文章是TechXchange：天线设计101
天线远远超过连接到每个无线电的简单设备。它们是将来自发射器的电压转换为无线电信号的换能器。并且它们从空气中挑出无线电信号，并将它们转换为在接收器中恢复的电压。
通常在设计中被视为最后一分钟并留下，而不是建立和维护可靠的无线电连接至关重要。他们可能看起来很复杂，对大多数工程师来说，特别是EES首次使用无线应用程序 - 更不用说它们以似乎无限多种尺寸和形状来说。但是，对必需品的简要审查可以帮助您消除任何设计担忧。
到底什么是无线电波?
无线电波是磁场与电场成直角的组合。它们都以特定的频率振荡，并且沿着垂直于两个场的方向一起运动（图。1）．这些电磁场以光速(约每秒3亿米或约每秒186,400英里)在自由空间中移动。根据著名的麦克斯韦方程，它们在行进过程中相互支持和再生，但随着距离的增加而减弱。
无线电波的一些特征是什么？
其主要特征之一是各场与地球的方位。这叫做极化。如果电场垂直于地球表面，天线就是垂直极化的。如果天线水平于地球表面，则为水平极化。
无线电波还有其他重要特征吗?
一般来说，无线电波有近场和远场。近场是接近天线，通常在几个波长(λ)。远场距离天线大约有10个波长或更多。远场脱离天线，成为无线电信号。
射频通信(RFID)和近场通信(NFC)等应用使用近场，近场更类似于变压器一次绕组周围的磁场。但总的来说，远场是最有用的无线电波。
天线如何工作？
发射机的天线产生无线电波。在天线上加一个所需频率的电压。通过天线元件的电压和通过它们的电流分别产生电磁波和电磁波。在接收器上，通过天线的电磁波会感应到一个小电压。因此，天线成为接收机输入的信号源。
同一个天线是否可以同时用于发射和接收?
是的。我们称之为天线互反。任何天线都可以用于发射或接收。在许多无线应用中，天线在发射机和接收机之间切换。
垂直天线是否接收水平极化信号，反之亦然?
在大多数情况下，是的。现实世界天线很少完全完全或垂直，因此接收一些信号。此外，由于反射和其他多径条件，大多数信号在传输路径上通过传输路径进行偏振。然而，这种天线定向不匹配确实引入了一些衰减。
如果更精确地控制，偏振可以用来在同一频率上复用两个信号。在一些卫星中，垂直极化天线可以在同一频率上发射或接收一个信号的同时，在另一个水平极化天线上发射或接收一个信号。如果在应用中极化是一个问题，圆极化可以提供一个解决方案。
什么是圆偏振?
正如名称所暗示的那样，偏振在变速器期间连续旋转，使得可以使用用于接收的水平或垂直天线。为了最大接收，需要圆偏振的接收天线。
您还可以使用产生右或左圆极化的天线(RHCP或LHCP)。通过在两个不同的信号上使用不同的极化，这再次允许频率复用。通常，使用由螺旋导体和反射器组成的螺旋天线。圆偏振在卫星中最常见。
无线电信号是如何从发射机传播到接收机的?
根据无线电波的频率，信号从一个天线传送到另一个天线有好几种方式。在低频率(小于3mhz)时，信号通过地波传播，在地波中信号拥抱地球表面。距离限制在一百英里左右。调幅无线电波是低频传播的一个很好的例子。
在3到30兆赫兹(短波)的频率范围内，信号会传播30到250英里进入电离层，在那里它们会折射回地球。这就像辐射信号，使其看起来像是被导电表面反射。由于信号可以在地球和电离层之间来回跳跃几次，因此可以实现很长的距离。
然而，对于今天的大多数无线通信来说，信号的范围在100兆赫兹到10兆赫兹之间。这些信号被称为天波，像光波一样沿直线传播。您需要从一个天线到另一个天线的直接视线(LOS)路径来建立链接。显然，信号的范围与天线的高度有很大关系。
什么是最常见的天线形式？
偶极子由两个线性导线端到端，长度为半波长（λ/ 2）(图2)．这里，一个波长(λ)是300/fMHz.在米。1 / 2英尺的波长是468/ fMHz.或5616楼MHz.在英寸。f是工作频率，单位是兆赫。
发射机或接收机连接到天线的中心，通常是通过传输线，如同轴电缆。此时天线的等效电阻阻抗为73 Ω。然而，这将随着天线的高度而变化，并成为一个复阻抗高于或低于工作频率。因此，天线的作用就像一个谐振电路。
偶极子的其他一些特征是什么？
通常，偶极子水平地指向地球，给它一个水平极化波。此外，天线的辐射并不是在所有方向上都是均匀的。理想的天线称为各向同性放射源，它向各个方向作球形或均匀的辐射。
在偶极子中，辐射图形的形状像一个甜甜圈。向下看天线，你会看到一个像数字8的辐射图案(图2 b)．最辐射或最佳接收发生在直角到天线。该辐射图案受到附近导电和非导电物体的大大影响。
什么是其他物理形式的天线？
偶极子的一种常见变体是地平面或马可尼天线。它由一个λ/4元素组成，垂直安装，它与地面或金属底座称为地平面(图3)．地平面天线只是半个偶极子，偶极子的另一个元素由地平面表示。极化是垂直的，辐射模式是圆形或全向的。
还有其他常见的形式吗?
是的。贴片或微带天线在微波频率(大于1ghz)下很常见。它是一块方形或圆形的导电材料，直径约为一个半波长。创建一个很容易，因为它通常是在印刷电路板上实现的。(图4)．环形天线在一些非关键应用中也很受欢迎。它只是一个导体、导线或PCB轨迹的连续回路，周长为0.1 λ到1.0 λ。
天线能显示增益吗?
肯定的。天线可以像用电子放大器放大信号一样有效地增强信号的强度。它不会像这样放大，但增益是由于信号被集中成更窄的光束而形成的。天线变得更有方向性。
例如，偶极子将信号集中成两个波瓣。因此，偶极子在各向同性天线上有1.64 db的功率增益。它被称为dBi中的增益，参考一个各向同性的源。但由于在现实生活中没有这样的东西作为一个各向同性的源，我们通常参考天线的任何增益的偶极子(dBd)。例如，0 dBd = 2.15 dBi。
天线增益如何表示?
它通常用在偶极子上的功率dB表示。另一个表达式是有效辐射功率(ERP) -偶极子必须辐射产生与增益天线相同效果的实际功率。通过将发射机输出功率乘以天线增益来计算ERP，其中增益等于dB增益图的功率比。有时增益参考是各向同性辐射体而不是偶极体。在这种情况下，合适的术语是有效各向同性辐射功率(EIRP)。
你用什么样的天线来获得收益？
有很多不同的方法可以产生收益。大多数配置依赖于使用多个天线元件，例如多个偶极子或偶极子加上信号未直接应用的一个或多个寄生元件。一个熟悉的例子是流行的yagi(图5)．
受驱动元件是偶极子。它与一个稍长的元素(reflector)和三个较短的元素(directors)一起使用。寄生元件使光束向前聚焦，辐射方向远离导向器。这样的天线可以产生大约10分贝的有效功率增益。
通过增加董事，可以获得更高的收益。如果有7个或更多的director，增益可以达到20 dB。辐射束的宽度很窄，这有助于减少附近其他台站的干扰。
抛物线或“盘”天线如何工作？
最终定向增益天线，碟形天线，使用偶极子或类似的天线，但增加一个抛物面碟形天线作为反射器。将天线放置在抛物线的焦点上，使天线上的入射信号或从偶极子辐射出来的信号被天线聚焦成一个非常狭窄的波束(图6)．
光束宽度小于1°是常见的。增益可以超过50分贝，这取决于天线的直径。这种天线对于非常小的信号，如卫星信号，是很好的。
还有其他常用的定向天线吗?
另一种优秀的定向增益天线是相控阵，它是一组偶极或等效天线(贴片、槽等)安装在一个矩形阵列中。典型的数组可能是4 * 4或16 * 16。天线被馈送特定长度的传输线，以在天线元件上产生同相信号。增加延迟或相移在每个天线上产生的信号可以互相帮助或相互抵消。这使得整个天线图案可以被塑造、移动或以其他方式控制。
通过控制天线的相位，可以在较宽的波束宽度范围内控制辐射图样。使用特殊的可变移相器，天线波束可以放大、缩小或指向特定的方向。这被称为波束形成。相控阵广泛应用于军事雷达，但蜂窝无线电也采用相控阵技术来控制蜂窝基站天线的方向性，以提高信号质量。
如果一个天线的行为像一个调谐电路，我怎么能确定它有必要的带宽?
天线是谐振的，所以它们有Q和相关带宽(BW)。对于大多数天线来说，这个带宽大约是谐振频率的10%到15%。重要的是天线有一个足够宽的响应，以通过所有必要的边带，以避免失真。大多数天线是有选择性的，所以它们可以去除噪声和一些谐波，但你不想要边带剪断。如果您使用的是商用天线，请查看选择性或BW规范，看看是否适合。在天线结构中，物理尺寸会影响天线的BW。
用电线非常薄的偶极天线元素产生非常窄的带宽。但是，用管道或扇动它们，说，在蝴蝶结配置中，将它们宽大地增加了带宽。
天线如何连接到发射器或接收器？
传输线将天线与发射机或接收机连接起来。对于短距离，这可能是一个短的微带线或PCB上的带状线。同轴电缆通常用于几英尺或更长的距离。传输阻抗需要匹配天线和发射/接收阻抗，以确保最大的功率传输。
大多数电路都设计用于50Ω阻抗，这是一个与50Ω同轴电缆的良好匹配。使用微带线，您可以使该线具有任何所需的特性阻抗。棘手的部分与天线的线相匹配，其阻抗可以是几个欧姆到几千欧姆的任何地方，具体取决于类型和其他条件。在大多数应用中，某种形式的LC阻抗匹配网络用于将天线与线路或线路匹配到电路。
如果阻抗不匹配，则会产生反射和高驻波比（SWR）产生显着损失。此外，尽量避免同轴，因为它在微波频率下的衰减非常高。低损耗电缆可用，但它仍然大大衰减了信号。保持长度尽可能短，以便在发射器或接收器中补偿电缆损耗，具有更多放大。
什么是天线效率?
天线的效率就像一般的效率一样-功率输出与功率输入的比率。然而，它有几种不同的指定方式。在大多数情况下，效率包括I2R损耗、任何介质的损耗以及与其他器件耦合产生的损耗。可能不包括与天线和传输线失配损失相关的任何损失，导致反射功率和更高的SWR。
然而，在天线辐射抗性变化中的任何变化中的一些效率因子测量。大多数小天线并不高效。任何优于50％到60％的东西通常都是好的，但如果可以，总是寻求改善它。
我应该尝试设计自己的天线吗?
如果你不是一名射频工程师，可能就不是。天线设计是非常专业的，不仅仅是有点复杂。这也是那些黑魔法似乎起作用的领域之一。天线设计是非常理论化的，但它很大程度上是基于经验工作和大量的实验。
如果天线是简单的，像偶极子，地平面，或环路，它可能适合你。除此之外，市场上有大量的商用天线产品，几乎可以满足任何需求。在大容量应用中，你甚至可以得到一个特殊的天线设计。为了获得最好的结果，最好是购买，而不是构建。
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参考文献
美国无线电转播联盟，Arrl天线书，1991年。
夫兰泽尔,路易,E。电子通信系统原理“，，第三版，麦格劳希尔，2008年。
Volakis约翰·L。天线工程手册，第四版，麦格劳山，2007年。
