如果你正在手機或筆記本電腦上閱讀這篇文章，那這都得感謝天線。天線是我們生活互聯不可或缺的一部分，讓一切成為可能，從玩游戲、驅動汽車導航系統，到操控深空中的小行星。但盡管天線已經無處不在，天線的設計和應用卻千差萬別。

天線是如何工作的？

從簡單的線狀偶極子天線到相控多輸入多輸出（MIMO）陣列，所有天線本質上做的是同一件事——發送和接收電磁信號。為此，電信號被轉換成可傳輸的電磁波。信息隨后通過特定波長的信號在空氣中傳輸，由目標地點的另一副天線接收并解譯。

圖：喇叭天線仿真圖示

通過空間傳送信號，天線讓我們能夠以光速跨越遙遠距離進行通信。這種無線連接對于我們醫療、航空航天、通信和交通等多個行業的發展至關重要。隨著天線應用的不斷擴展，滿足各種使用場景所需的天線類型也在不斷增多。

為什么會有不同類型的天線？

諸如作用距離和可用空間等多種因素，決定了特定應用場景下最合適的天線類型。例如，用于保持飛機與控制塔聯系的天線，就與你藍牙咖啡杯里的天線大不相同。兩者都需要具備全向能力的天線，但飛機需要的作用距離遠得多，而咖啡杯則需要能適應極小空間的天線。

天線設計的考量因素：

• 帶寬：特定信號的頻率范圍

• 極化：天線輻射電場的方向

• 方向性：輻射集中在單一方向的程度

• 物理空間：天線必須適配區域的尺寸

• 增益：在峰值輻射方向上傳輸的功率大小

• 效率：天線輻射功率與其輸入功率的比值

常見天線類型

了解常見天線類型的一般特性，將有助于我們為不同場景選擇合適的天線。如下圖所示為天線類型示例，從左至右依次是：喇叭天線、縫隙天線、八木-宇田天線、矩形貼片天線。

半波偶極子基于偶極子天線，這是由兩根導電桿或導線構成的最簡單的實用天線。“半波”指的是天線在工作頻率下的物理尺寸為半個波長。因其設計制造簡單，半波偶極子天線非常普遍。

事實上，幾乎所有天線都基于此設計，它具有純凈的線性極化和旋轉對稱的輻射方向圖。一副半波偶極子天線由長度為 L = λ/2 的線性導電單元構成，通常在其長度中間[敏感詞]間隙進行饋電。雖然通常認為它是窄帶天線，但增加構成天線主體的導線半徑是增加帶寬的有效方法。

• PIFA天線（平面倒F天線）

平面倒F天線（PIFA）常見于手機和幾乎所有的電子設備中。作為偶極子的一種變體，這種天線制造成本非常低廉，并且可以印刷成多種變體以實現不同的帶寬，是適應狹小空間的理想選擇。

圖：PIFA天線圖示

• 喇叭天線

喇叭天線常用于需要極高方向性的應用，例如雷達測速槍。它們的幾何結構相當簡單，能以更低的損耗處理更高的功率。一副喇叭天線由一段波導構成，該波導在末端向外張開并以開放孔徑終止。張開的目的是增加天線的方向性，并收窄張開平面內的波束寬度。

圖：喇叭天線仿真圖示

為了形成天線的喇叭口，喇叭天線可以僅在電場方向張開（E面扇形喇叭），或僅在磁場方向張開（H面扇形喇叭），或在兩個方向都張開（角錐喇叭）。

喇叭天線通常具有很寬的帶寬，工作在波導的截止頻率以上，并輻射與波導內電場方向一致的線性極化波。

• 八木-宇田天線

八木-宇田天線有時簡稱為“八木”天線，由一副單獨的偶極子天線構成，該偶極子工作于其他（非驅動的）線性導電單元組成的陣列中。這種天線在方向性至關重要的應用中非常有效，常被用作電視接收天線。

圖：八木-宇田天線仿真圖示

八木-宇田天線中反射器和導向器的確切數量各不相同，但典型設計包括一個“反射器”單元和三個“導向器”單元。反射器單元略長于偶極子，而導向器單元則略短于偶極子。與具有旋轉對稱輻射方向圖的孤立偶極子不同，八木-宇田天線具有高度方向性，其最大輻射方向朝向導向器，背離反射器。

與偶極子類似，八木-宇田天線是窄帶的并具有線性極化，其電場方向與偶極子對齊。

• 縫隙天線

縫隙天線基于與偶極子天線相同的概念，但它們使用不同的電流——磁流而非電流。它們可以在飛機的機頭錐和電路板上找到。縫隙天線由一個矩形（半波長長）的“縫隙”構成，該縫隙開在原本平坦的導體平面上。

圖：縫隙天線仿真圖示

根據巴比涅原理，其工作原理類似于半波偶極子天線。其輻射場也大致類似于半波偶極子天線，但電場和磁場的極化方向大致互換了。縫隙天線的輻射方向圖近似于偶極子天線，但由于接地平面的截斷會引入輕微的不對稱性。縫隙天線的帶寬隨縫隙寬度而變化，并且是線性極化的，其電場方向垂直于縫隙的長度。

• 矩形貼片天線

矩形貼片天線是薄型應用中最常見的選擇，通常印刷制作以適應手機等平坦空間。雖然貼片天線的概念簡單，但它可以輕松修改以實現更寬的頻帶、提高隔離度或在多個頻率上工作。

矩形貼片天線圖示

矩形貼片天線由一個寬度（W）和長度（L）的矩形導電單元構成，該單元放置在厚度為（d）、相對介電常數為（εr）的介質基板表面上，并帶有導電背板。貼片天線的輻射源于貼片下方空腔中場的諧振。

當天線長度略小于導波波長的一半時會發生這種諧振，因為貼片兩端的場邊緣效應使得貼片的“電長度”大于其物理長度。矩形貼片天線通常通過微帶線饋電、穿過介質基板的同軸探針饋電，或通過與諧振腔或其他鄰近諧振器耦合來饋電。


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