探索 | 无线世界的窗口——天线

在科技日新月异的今天，我们身处于一个充满无线信号的世界。手机、电视、无线网络等，这些看似普通的设备之所以能够顺畅地进行无线通信，都离不开一个至关重要的组件——天线。那么，什么是天线呢？它又是如何工作的呢？

▏什么是天线？

我们都知道，生活中形形色色的无线电设备，是通过无线电波来传递信息的。而天线，正是用来进行无线电波的辐射和接收的装置。它就像是我们与无线世界之间的桥梁，将电信号转化为电磁波，或者将电磁波转化为电信号。没有天线，无线通信将无从谈起。

天线通过其特定的形状和尺寸，能够选择性地接收或发射特定频率的电磁波。这就像是一把钥匙，只有与锁孔相匹配的钥匙才能打开锁一样。天线的形状、大小、材质等因素都会影响其性能，从而影响整个无线通信系统的效率和质量。

此外，天线的设计也是一门深奥的学问。不同的应用场景需要不同类型和性能的天线。例如，在移动通信中，为了覆盖更广泛的区域，需要采用具有高增益和宽波束的天线；而在卫星通信中，由于传输距离远，信号衰减大，因此需要采用具有高效率和低损耗的天线。

1、电磁波

电磁波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场总是相互垂直的，同时电场和磁场又垂直于传播方向。而天线是辐射或接收电磁波的能量转换部件。

2、天线在通信系统中的位置

发射端概述：发射机内部的高频电流被转化为强大的电磁波，这振荡的源动力即是电磁波的诞生之处。无线电发射机输出的射频信号功率，借助馈线（类似于电缆）被输送至天线。此后，天线以电磁波的形式将信号辐射至空气中，完成了信号的发送。这个过程的核心组件就是发射天线。

接收端详解：当电磁波在空间中传播至接收地点时，接收天线将其捕获。这一过程仅接收极小一部分的功率，但却是信息传递的关键一步。捕获的电磁能量通过馈线被传输至无线电接收机，并转化为高频电流。这便是接收天线的功能体现。

天线特性：天线具有收发互易性，意味着同一副天线既可以用于发射也可以用于接收。无论作为发射或接收，其基本特性参数都是相同的，这就是天线的互易原理。

实际应用举例：在雷达系统中，双工器技术被用于实现发射与接收的同一化；在GSM手机中，通过开关技术实现同一副天线的切换使用；而在现代移动通信中，这种天线技术更是不可或缺。

▏天线辐射的基本原理

天线将传输线上传输的导行波巧妙地转化为自由空间中传播的电磁波。当终端开路的平行双导线上流经交变电流时，会激发出交变的电磁场。当双导线紧密靠近时，由于电流方向相反，它们产生的感应电动势几乎相互抵消，使得电磁场被束缚在导线附近，难以向外扩散。

然而，当双导线的夹角逐渐增大，导线上的部分电流开始流向同一方向，这增强了感应电动势的强度，从而提高了电磁场的辐射能力。当夹角完全张开时，导线上的电流方向一致，形成强大的电磁场辐射能力，电磁波得以向四周空间传播。

通常，这种能够产生显著辐射效果的直导线被称为振子。特别地，当上下导线长度相等时，形成了对称振子。其中，每臂长度为四分之一波长的对称振子被称为半波对称振子，它在无线传输中发挥着重要作用。

▏天线分类

天线根据不同的分类标准有着多样的分类方式。首先，按照工作性质，天线可以分为发射型、接收型以及收发共用型。其次，按照工作用途，天线包括通信、广播、电视、雷达、导航以及测向等多种类型。

在天线特性的分类上，方向性是一个重要的因素。定向天线和全向天线是两种主要的方向性天线。此外，极化特性也是天线分类的重要依据，线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线是其中的主要类型。线极化天线又可以细分为垂直极化、水平极化以及正交双极化等多种形式。

根据频带特性，天线可以被分为窄带天线、宽带天线以及超宽带天线等类型。此外，根据电流在天线上的分布情况，可以将天线分为驻波天线和行波天线。在波段使用方面，长波、超长波、中波、短波、超短波以及微波等不同波段的天线都有其特定的应用场景。同时，天线的结构外形也可以作为分类依据，线状天线和面状天线是其中的代表。

另外，根据使用场景的不同，有基地台天线和移动台天线之分。移动台天线又可进一步细分为车载、机载、星载、舰载等多种类型。在安装位置上，天线有外置和内置之分，其中内置天线的技术包括FPC/PCB/弹簧/陶瓷/五金弹片/激光直接成型技术等。

▏部分典型天线介绍

一、线天线技术

线天线主要由半径远小于波长的导线或金属棒构成，是长、中、短波频段的主要工具。它们能够有效地向空间辐射电磁波，并且可以组合成多种天线阵列以增强信号强度。线天线的种类繁多，其中包括单极子天线、偶极子天线等。

1、阵列天线

由于电磁场的叠加原理，当单个天线的功率不足以满足需求时，可以采用多个天线组合能量以获取更强大的电磁信号，从而提高系统的工作效率。这种技术在线性天线阵列中得到了广泛应用。

2、八木天线

八木天线，也被称为“八木宇田天线”，是由日本科学家八木秀次和宇田太郞发明的。它是一种引向天线，结构简单且牢固，成本低廉。该天线由一个有源振子、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成，具有方向性强、增益高的优点。虽然其工作频带较窄，抗干扰性一般，但它在无线电测向和长距离无线电通信领域有着广泛的应用。

3、对数周期天线

对数周期天线是一种特殊的天线，其电特性如阻抗、方向图、增益、驻波比等随频率的对数成周期性变化。这种天线在很宽的频带内能保持其基本特性不变，最常见的是对数周期偶极天线。

4、环形天线

环形天线是由一根金属导线绕成一定形状制成的，如圆形、方形或三角形等。它的辐射与短偶极天线相当，通常被用于电视和射频识别系统。环形天线的结构使其具有较高的灵活性和适应性。

5、螺旋天线

螺旋天线是一种由导电性能良好的金属螺旋线组成的天线。它通常采用同轴线馈电，具有很强的方向性和高增益。这种天线能够有效地捕捉定向传播过来的电磁信号，因此在无线通信领域有着重要的应用。

二、面状天线

面状天线是无线通信系统中不可或缺的组成部分，它由尺寸大于波长的金属或介质面构成，具备初级馈源，并通过反射面形成次级辐射场。此类天线在厘米或毫米波频段中得到广泛应用。面天线的种类繁多，包括前馈式面天线、卡塞格伦天线等。

1、潜望镜天线

首先，我们来了解潜望镜天线。潜望镜天线由地面的下镜辐射器和安装在支架上的上镜反射器组成。其中，下镜辐射器通常采用抛物面天线设计，而上镜反射器则为金属平板。下镜辐射器向上发射电磁波，经过金属平板的反射，实现信号的传输。这种天线的优点在于能量损耗小、失真小、效率高，非常适合用于容量不大的微波中继通信中。

2、喇叭天线

喇叭天线又被称为号角天线，其波导管终端逐渐张开成圆形或矩形截面的设计使其成为微波天线中的常用之选。虽然其工作频带较宽，但体积相对较大，且在方向性上不如抛物面天线尖锐。

3、平面微带贴片天线

这种天线具有低成本、外形小巧且易于制造的优点，非常适合集成到双层板、多层板等电路板中。因其这些优势，贴片天线被广泛用于手机及其他小型化器件和设备中。

4、波导缝隙天线

波导缝隙天线是一种重要的天线类型。该天线是由刻在波导上的缝隙天线阵列组成，常用于导航、雷达和其他高频系统中。这种天线不仅易于制造且损耗低，其辐射的波为线极化波，交叉极化极小。由于其特性，波导缝隙天线常被用于飞行器的通信系统中。

5、定向天线

定向天线是一种特殊设计的天线，它在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他方向上则几乎不发射或接收电磁波。采用定向发射天线的目的在于增加辐射功率的有效利用率和保密性，同时提高抗干扰能力。平板天线、八木天线和对数周期天线等都属于定向天线的范畴，常用于通信距离远、覆盖范围小、目标密度大、频率利用率高的环境中。

6、全向天线

全向天线（也称为不定向天线）是一种能够在各个方向上均匀辐射或接收电磁波的天线。例如，胶棒天线是一种常见的外置全向天线，其绝缘层采用橡胶材质，内部则为螺旋加感金属线圈。胶棒天线的增益适中，价格相对低廉，常用于无线通讯模块、无线路由、图/数传电台等。另一种全向天线的典型代表是玻璃钢天线，其内芯为纯铜振子，外壳采用优质玻璃钢材料，具有耐腐蚀、耐老化以及防风性能强的特点，特别适合在恶劣的自然环境中使用。

三、基地台天线与移动天线

基地台天线与移动天线作为无线通信的两大核心组件，承载着数据传输的重要使命。它们如同无线通信系统的眼睛和耳朵，不断捕捉和发送着信息，确保我们的通信畅通无阻。

1、基地台天线

基地台天线，作为无线通信网络的核心设施，主要负责在较大范围内接收和发送无线信号被称为无线通信的“大脑”。它们通常被安装在较高的建筑物或塔架上，以便更好地覆盖和服务于广大用户。基地台天线的工作原理是通过电磁波的传播，将基站产生的信号发射到空中，同时接收来自移动设备的信号，实现无线通信的双向传输。

基地台天线能够覆盖广阔的区域主要得益于其独特的设计和高效的性能。基地台天线通常采用定向或全向的辐射方式，根据网络覆盖要求和话务量分布等因素进行合理配置。此外，它们还具备较高的增益和较低的损耗，以确保信号传输的稳定性和可靠性。

2、移动天线

与基地台天线相对应的是移动天线，它们被安装在各种移动设备（如手机、平板电脑、车载终端等）上，用于接收和发送无线信号被称为无线通信的“触角”。移动天线的工作原理与基地台天线类似，但由于其应用场景的特殊性，它们需要具备更高的灵活性和便携性。

移动天线通常采用小型化、轻量化的设计，以便更好地适应各种移动设备的需求。同时，它们还需要具备较高的接收灵敏度和抗干扰能力，以确保在复杂环境下仍能保持稳定的通信效果。

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作者 | 几维鸟 毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。