天线是如何工作的？为什么有不同类型的天线？

本文原刊登于Ansys Blog：《An Introduction to Common Antenna Designs》

作者：Arien Sligar | Ansys高级首席产品专家

如果您正在手机或是笔记本电脑上阅读这篇文章，这背后一定有天线的功劳。天线是连接我们生活密不可分的一个组成部分，从电子游戏，汽车导航系统到探测深空小行星，天线使得这一切成为可能。然而，虽然天线已无处不在，但天线的设计和应用却千差万别。

天线是如何工作的？

从简单的线偶极子天线到多输入多输出（MIMO）相控阵，所有天线都做着相同的工作——发送和接收电磁信号。为了做到这一点，电信号被转换为可传播的电磁波，然后，信息以特定波长被发送至空中，由另一个天线在预期目的地接收和解压缩。

喇叭天线示例

天线发送的信号穿透空间，使我们能够以光速进行远距离通信。这种无线连接对于各个行业的发展进步至关重要，包括医疗、航空航天、通信和移动等行业。随着天线应用的不断增涨，各种应用需要的天线类型也在不断增加。

为什么有不同类型的天线？

多种因素决定了特定应用的最佳天线类型，如覆盖范围和可用空间。例如，用于使飞机与控制塔保持联系的天线与蓝牙咖啡杯中的天线形式迥然不同。两者都需要具有全向功能的天线，但飞机需要更大的覆盖范围，而咖啡杯只需要一种适用于很小空间内的天线。

天线设计标准

带宽：特定信号的频率范围

极化：天线辐射的电场方向

方向性：辐射集中在单个方向的程度

物理空间：天线安装的空间大小

增益：在最大辐射方向上传输的功率

效率：天线的辐射功率与其传输功率之比

常见天线类型

了解常见天线类型的一般特性，将有助于您为实际应用选择合适的天线。

从左到右的天线类型示例：喇叭天线、缝隙天线、八木天线和矩形贴片天线

半波偶极子天线

半波偶极子基于偶极子天线，后者是由两根导电棒或导线制成的最简单的实用天线。“半波”一词是指天线的物理尺寸是工作波长的一半。

由于半波偶极子天线易于设计和制造，因此十分常见。事实上，几乎所有的天线都基于这种设计，它具有干净的线性极化和旋转对称的辐射方向图。

半波偶极子天线由长度L = l/2的直线导电元件组成，通常在其长度的一半处插入间隙进行馈电。虽然它们通常被认为是窄带天线，但增加用于形成天线主体的导线半径是增加带宽的有效方法。

PIFA天线

平面倒F（PIFA）天线在手机和几乎所有电子设备中都可以找到。这些天线是偶极子的一种变体，制造成本非常低，可以打印成许多变体以实现不同的带宽，使其成为符合小空间的良好选择。

喇叭天线

喇叭天线通常用于需要极高方向性的应用，如雷达枪。它们具有相当简单的几何结构，能够以较少的损耗处理更高的功率。

喇叭天线由一段波导组成，波导在末端向外张开，结束于一个开放的孔径。喇叭的目的是增加天线的方向性并缩小喇叭平面上的波束宽度。

为了形成天线的喇叭，喇叭天线可以只在电场方向（E平面扇形喇叭）、只在磁场方向（H平面扇形喇叭），或在两个方向（金字塔形喇叭）上张开。

喇叭天线通常都具有甚宽频带，在波导的截止频率以上工作，并辐射出与波导中电场方向相同的线性极化波。

八木宇田天线

八木宇田天线有时简称为“八木”天线，由单个偶极子天线组成，在其他未激励的直线导电元件阵列中工作。这些天线在高方向性的关键应用中非常有效，并且经常用作电视接收天线。

八木天线中反射器和引向器的确切数量各不相同，但典型的设计包括单个“反射器”元件和三个“引向器”元件。反射器元件比偶极子稍长，而引向器元件比偶极子略短。

与具有旋转对称辐射方向图的隔离偶极子不同，八木天线具有很强的方向性，其最大辐射指向引向器，远离反射器。

像偶极子一样，八木天线是窄带天线并具有线性极化，其电场方向与偶极子一致。

缝隙天线

缝隙天线基于与偶极子天线相同的概念，但它们使用了一组不同的电流——磁流而非电流，在飞机的整流罩和电路板上可以找到它们的身影。

缝隙天线由平面导体中的矩形半波长“缝隙”组成。根据巴比涅原理，其操作类似于半波偶极子天线。辐射场也大致类似于半波偶极子天线的辐射场，但电场和磁场的极化大致互换。

缝隙天线的辐射方向图近似于偶极子天线，但由于地平面的截断而产生了轻微的不对称性。缝隙天线的带宽随缝隙的宽度而变化，并且具有线性极化，其电场方向垂直于缝隙的长度。

矩形贴片天线

矩形贴片天线是薄型应用最常见的选择，可打印在平坦的空间上，比如手机。虽然贴片天线的概念很简单，但它可以轻松修改为在更宽的频段下工作，增加隔离或在多个频率上工作。

矩形贴片天线由宽度（W）和长度（L）的矩形导电元件组成，该元件位于厚度（d）和相对介电常数（er）的介电层板表面，带有导电背衬。 

贴片天线的辐射是由于贴片下空腔中的场共振而产生的。当天线的长度略小于导波长度的一半时，就会产生这种共振，因为贴片两端的磁场边缘会使贴片“看起来”比实际长度长。

矩形贴片天线通常由微带或穿过电介质的同轴探针馈电、或通过与谐振腔或其他近似谐振器的耦合进行馈电。

为了帮助确定在其项目中使用最佳的天线类型，工程师使用Ansys HFSS等仿真软件来测试和验证他们的设计。无论是卫星、PCB还是其他先进的高频电子设备，仿真都可以显示不同天线配置的性能。

审核编辑：黄飞