RF天线原理介绍（值得收藏）

2025-3-14 09:21:08

我们上期文章讲了射频的收发器，虽然发射机和接收机都是有许多内部器件的复杂系统,但是所有的发射机和接收机完成相同的基本功能,因此都可被描述成简单的方框图(如下图1，图2)。在这些图中,信号流从左到右。奇形怪状的东西是器件,直线是连接它们的导线。从这些方框图中可以看出来，一个信号通过导线从一个器件传到另一个器件。接收机将无线波变成电信号,发射机将电信号变成无线波。

图1

图2

而任何收发器，也就是每个无线系统都有天线，我们也许没看到,没认识到,但事实上它就在那里。天线的任务很简单:它把电信号转化成无线波(在发射机中)或是把无线波转化成电信号(在接收机中)或者二者兼而有之。天线是无线系统的心脏:没有天线就没有无线通信。直观地讲,可以看成无线波进人(或离开)方框图顶部的烟筒状结构并且沿方框图底部的导线离开(或进人)。当无线波离开天线,我们称之为无线波从天线辐射出去。

天线的本质：

天线是由平行传导线演变而成。平行双轨线中间充满着电荷，电荷在两根导线中间跳动。将两根导线慢慢掰成开放状，两根导线之间的电场便不能束缚住这些电荷，它们开始向外逸散，这样电磁辐射就形成了。

当这根张开的双轨线输入交流电，电场磁场交替感应(往期无线通信），天线的能量就被传送出去了。所以发射设备将信号以特有的方式编辑，通过天线发送出去。

核心原理：

变化的电场产生变化的磁场，变化磁场产生变化的电场。

天线接收:

当发送天线的电磁波碰到了接收天线，便会在接收天线上产生感应电流，经过对这些感应过来的信号进行破解(这个过程专业术语是调制解调Q)，这样就完成了信号从发射端到接收端的一次传输。天线传输的过程是可以互逆的，这样的一个个回路就构成了我们的无线通讯网传输。

天线特性：

1、有源和无源

天线可以是有源器件也可以是无源器件。无源天线就是一大块金属,以一种特殊的方式配置。如果天线是有源的,它有电源。有源天线仅仅是比无源天线在内部多了放大器。

正如读者可能已经观察到的,天线有许多形状和规格,既有发射调幅无线信号的巨大发射塔,又有大大小小的接收卫星信号的碟形卫星天线,还有手机上可爱的橡皮天线。

2、任一种天线的形状和大小都依赖于3个因素

①频率：天线的物理特性依赖的首先就是频率,即天线需要处理的频率。总的来说,天线处理的频率越低，天线规模越大。这也是为什么调幅广播站在530kHz频率广播时，它的天线有几百米高，而手机工作在900MHz,它的天线仅有6in长。

从上面的天线原理，我们显然可以得知，天线由双轨线变化而来，那么双轨线的两根导线就被称作天线的振子，一般情况下振子两臂是等长的且为波长的四分之一。而波长是跟频率成反比的，也就是频率越高，天线越短。

②传播方向：第二个决定天线大小和形状的因素就是无线电波传播的方向。如果要在各方向同等接收或发送无线电波信号,那么天线将是某个形状。这种天线类型称作全向天线，意味着它要求各个方向都工作。另一方面,如果只在一个方向发送(或接收)无线波信号,那么天线将是完全不同的形状。这种天线被简单地称为定向天线。

③功率：最后决定天线大小和形状的就是天线发送或接收的功率。作一个粗略的近似,功率越大,天线规模越大。

3、信号强度和方向

在发射信号的例子中,由于只有有限的射频能量进人天线，那么也只有有限能量从天线中以无线电波辐射出来。如果使用全向无线,所有的射频能量必须均匀地分布在各个方向。如果天线在一个大城市的中央或是手机的组成部分,那么全向天线很好。但是如果天线正对着山,将会怎么样?直接向山辐射一部分射频能量是一种浪费,除非有人住在山里试图接收HBO。一个定向天线严格不向山辐射射频能量,将比全向天线能辐射更多的射频能量给非山区。

这两种天线都输出同样多的射频能量,但是由于定向天线能集中在一个更小的区域上分配能量,因而那个小区域上能接收到更多的射频能量。这里有个类比。假设读者有两个苹果饼,第一个馅饼很普通,馅覆盖整个饼。这类似于全天线,所有的卡路里(射频能量)均匀覆盖整个馅饼。第二个馅饼和第一个馅饼有同样量的馅,但是馅只夹在饼的一半里。这和定向天线相似,“那一半的”馅饼比普通馅饼有更多的卡路里(射频能量)。增加的射频能量使从天线出来的信号传输范围增加或者使数率提高(或者两者都提高)。

从个人体验可能会知道,离天线越远,从天线辐射出的信号强度将越小,这种行为是由于自由空间的损耗。这就是为什么随着远离城市边缘,对广播站的接收会减弱。所以,在同样的输出功率的情况下,在小区域具有高功率的定向天线将比全向天线有更大的信号范围,这意味着我们可以更远距离地收听所喜欢的广播。

天线的指标：衡量性能的关键参数

要评价一个天线的好坏，就需要了解它的各项指标。这些指标就像是天线的“成绩单”，直接反映了它的性能和适用范围。

工作频段：天线的“舒适区”

每款天线都有它特定的工作频段，也就是它能够有效工作的频率范围。这个频段的确定，往往取决于设备的需求。不同的材料和样式，也会使天线的工作频段有所不同。所以在选择天线时，一定要根据设备的实际需求，挑选合适的工作频段，这样才能保证通信的效果。

极化方式：电场的方向决定信号的特性

天线的极化是指天线在辐射时形成的电场强度的方向。当电场强度方向垂直于地面时，称为垂直极化波；平行于地面时，则称为水平极化波。不同的极化方式适用于不同的场景，比如在某些特定的通信系统中，使用特定极化的天线可以减少干扰，提高通信质量。

阻抗：匹配是关键

对于线天线来说，天线输入端的电压与电流的比值就是天线的输入阻抗。而面天线则常用馈线上电压驻波比来表示其阻抗特性。选择合适的馈线和阻抗匹配器，保证天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配，可以使输入天线或从天线输出的功率最大，从而提高天线的传播效果。

增益：信号的“聚光镜”

天线增益和放大器的增益不同，放大器确确实实的能够放大信号，但是天线只能把电磁波聚集在某一个方向上，所以天线的增益表征的就是天线在某个方向上聚集电磁波的能力，天线的增益越高，表示天线在这个方向上传输的电磁波能量越高。

所以天线的增益是一个相对值，比如相对于理想各向同性天线(isotropic antenna)或者相对于偶极子天线( dipole antenna)，这样天线的增益就有了两个定义。

如果天线的增益是相对于理想各向同性天线的，单位是dBi

如果是相对于偶极子天线的，单位就是dBd

驻波比：匹配程度的衡量

天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。当入射波能量传输到天线输入端后，如果未能全部辐射出去，就会产生反射波，与入射波叠加形成驻波。驻波比越小，说明匹配程度越好，天线的性能也就越稳定。

天线的应用：无处不在的信号使者

天线的应用范围极其广泛，几乎涵盖了我们生活的方方面面。

在手机中，内置的天线让我们能够随时随地进行通话和上网；在无线路由器中，天线负责将网络信号传播到各个角落，让我们享受便捷的无线网络生活；在卫星通信中，大型的天线 dish 能够接收和发送来自遥远太空的信号，实现全球范围的通信；在物联网设备中，各种小型化的天线使得设备之间能够进行高效的数据传输，构建起一个智能化的物联世界。

结语：

天线作为无线通信的核心组件，虽然常常被我们忽视，但它却在默默地为我们搭建起一座座连接的桥梁。通过了解天线的工作原理、结构和性能指标，我们能够更好地选择和使用天线，让无线通信更加顺畅、高效。希望这篇科普文章能够帮助你对天线有一个更深入的认识，也期待你在今后的工程师生涯中，能够更好地运用天线知识，为无线通信的发展贡献自己的力量！

本主题由 liuyongwangzi 于 2025-3-14 10:36 审核通过