天線基礎知識:輻射模式,介電常數,方向性和增益

Mark Hughes

在Antenna Basics系列的第二部分中，您將了解我們每天使用的天線背後的物理特性，包括介電常數，磁導率，增益，方向性等信息。

天線通過改變一個位置的電磁場並檢測另一個位置的電磁場的變化來在位置之間傳遞信息。要了解天線如何將信息傳輸到越來越偏遠的位置，您必須首先了解管理其操作的物理特性。

概觀

天線基礎知識簡介提供了理解天線如何發送和接收信息所需的基本物理學的第一部分。本文將擴展前一篇文章的概念，包括近場和遠場輻射圖，介電常數，方向性和增益。

天線內部發生了什麼？

想像一下，一根正弦波發生器連接到導線上，沿著導線長度產生時變電位差。在導線內部，電荷載流子由於施加的電位差而移動。由正弦波發生器產生的電位差的變化幅度和極性迫使電子不斷加速，減速並改變沿著電線的行進方向。

首先，正弦波發生器沿一個方向移動電荷，產生隨電壓增加而增長的電場和磁場。在此期間，場不斷變化，並且場的變化以快速但有限的速度向外傳播。

隨著發電機的循環繼續，電壓降低，磁場和電場的大小也減小。當正弦波發生器反轉電壓的極性然後增加電壓的大小時，電荷載流子減速，改變方向，然後加速。這反轉了電場和磁場的極性。

來自前一個半周期的最近發射的場和來自當前半周期的場產生了從天線向外傳播的場強的交替極值。

赫茲偶極子產生的輻射。

電線中電荷載流子的存在產生從電線發出的電場，電荷載流子的運動產生圍繞電線的磁場，並且電荷的加速產生從電線向外傳播的電磁波。

我強烈建議您查看麻省理工學院的John Belcher博士提供的一系列 優秀視頻，以更好地說明現場線路的變化。而且，如果你還記得多變量微積分，那麼賽爾的電和磁學就比我在前面的討論中提供的細節更詳細。

靠近天線的區域，即d<<λ，被稱為近場，並且以磁場為主。 存在一到兩個波長的過渡區，然後存在天線的遠場區域，d>2λ，其中電場變得更規則地圖案化並佔主導地位。

大多數天線在遠場操作，並通過改變電場長距離傳輸信息。 即使近場通信的範圍限於幾個波長，在天線附近的區域中利用強磁場的近場天線也變得越來越流行。

儘管諸如nRF24和藍牙設備之類的無線電發射機具有有限的範圍，但它們仍然使用遠場通信 - 電場正在傳輸信息。 RFID標籤和NFC標籤 具有非常短的範圍並且使用近場（即，磁性顯著）通信。

輻射模式

上面的動畫顯示了恆定輻射功率密度的輪廓，隨著時間向外傳播，在通過垂直定向偶極天線的平面中描繪。這是三維輻射圖案的二維切片。

由於複雜性，通常僅在天線周圍描繪單個輪廓（等值線或等值面）以顯示遠場輻射圖案。輪廓表面以天線為中心，輪廓線以與天線相交的正交平面為中心，通常圍繞對稱線。上面的赫茲偶極子在垂直方向上傳輸很少甚至沒有能量。

將三維輻射圖投影（作為二維圖）到笛卡

不同的天線設計產生不同的輻射模式 模式的複雜性取決於天線的設計和構造。

天線規格表有時會帶有三維投影。更常見的是，我們看到一個二維圖，必須想像三維圖案。

八木天線輻射方向圖的極坐標和笛卡爾坐

介電常數和滲透率

介電常數

Michael Faraday注意到，當電介質（絕緣體）放置在平行板電容器的極板之間的間隙中時，電容會增加。這種現象是由於電介質介質內的電荷極化引起的。

介電常數是這些電荷在電場存在下如何容易地自我對準（極化）的量度。較高的介電常數表示對形成電場的阻力較大，並且擾動通過介質的傳播較慢。

圍繞低介電常數材料的高介電常數材料不會影響振蕩頻率，但高介電常數材料會降低波的傳播速度。如果我們記得波速等於頻率和波長的乘積，我們可以看到，如果頻率保持不變，速度的降低必須伴隨波長的相應減少。當波射出高介電常數材料時，波速和波長增加。

當天線嵌入高介電常數材料中時，天線的尺寸可以根據天線附近的電磁波的減小的波長而減小。

一些早期的GPS天線（f = 1.56 GHz）是60毫米乘60毫米和幾毫米厚，電路進一步增加了單元的尺寸。通過將電路小型化技術與嵌入在高介電常數材料中的最新一代微帶貼片天線配對，包括天線和電路的GPS單元可以以小型化的 4mm×4mm×2.1mm厚的形狀生產。

類似的技術用於允許和蜂窩電話具有諧振天線，該諧振天線基本上小於與在空氣中傳播相關的波長。

當波在不同介電常數的材料之間轉變時，能量被反射。如果波從低介電常數（即高傳播速度）材料移動到高介電常數（即低傳播速度材料），則波將經歷反轉（即180度相位）轉移）。反射波可以與新波結合，產生「 天線基礎知識簡介」中所見的各種幹涉圖案。

高速到低速波形轉換。動畫由 賓夕法尼

低速到高速波轉換。動畫由 賓夕法尼亞

滲透性

磁導率是材料在磁場中存儲能量的能力。回想一下，天線發出的信號是電磁輻射的形式 - 涉及電場和磁場。因此，像介電常數一樣，磁導率會影響電磁波的傳播，這並不奇怪。實際上，介電常數和磁導率都會導致波速減慢和波長減小。

鐵氧體棒環形天線，具有用於中波和長波

為了強化介電常數和磁導率影響電磁輻射的速度（和波長）的觀點，我們可以考慮「光速」，這實際上不僅是光的速度，而且是電磁輻射的速度。真空中的光速 - 宇宙中最快的速度，用c表示，用自由空間的介電常數和磁導率計算：

指向性，效率和收益

各向同性天線是在所有方向上均等地傳播電磁能量的理論點源。 總輻射功率是通過在圍繞天線的半徑為r的球體表面上積分功率通量密度來確定的（表面積=4πr2）。

積分代表理論總輻射功率。隨著距離源的距離增加，積分球的表面積與球體半徑的平方成比例地增加。來自各向同性發射器的能量均勻地擴散以覆蓋這個越來越大的區域，因此電磁功率通量密度與距離源的距離的平方成比例地減小。

由於各向同性發射器的功率密度隨距離迅速減小，因此天線工程師操縱從實際天線輻射的能量方向，以便在所需方向上增加功率密度並在其他方向上減小功率密度。

峰值方向性（或簡稱為方向性）是物理天線在其最集中方向上的功率密度與相同總功率傳輸水平的理論各向同性發射器的功率密度之比。

方向性表示為表示比率的常數或以dB為單位，較大的數字表示更多的聚焦光束。在所有方向上均勻輻射的天線將具有1（0dB）的方向性。由於缺乏在z方向上傳輸的能量，前面提出的赫茲偶極子具有1.5（1.76dB）的方向性。

天線可以根據其方向性在不同的應用中使用：

低方向性天線或多或少均等地從所有方向發送和接收信息。這些在移動應用中非常有用，其中發射器和接收器之間的方向可以改變。高方向性天線能夠在更遠的距離上發送和接收信息，但必須針對另一個天線。它們用於衛星電視等永久性安裝。拋物面天線（例如衛星電視接收機中使用的天線）具有37.5 dB的典型「定向增益」（或簡稱「增益」）。天線增益包括方向性以及天線的效率。

Gain=Efficiency×Directivity

效率考慮了由於製造缺陷，表面塗層損耗，缺陷，阻抗不匹配或任何其他因素導致的特定天線設計的實際損耗。雖然方向性總是大於或等於1（0 dB），但天線增益可小於1（0 dB）。

反光

天線的輻射方向圖為我們提供了有關其在不同方向上的接收和發射特性的信息。輻射圖案可以通過在前面添加定向元件（導向器）和在後面添加反射元件（反射器）來成形。

反射器重定向將輻射到天線後面的能量，使其沿向前方向傳播。

圖片來自Timothy Truckle（自己的作品

在下面的旅行者號太空飛行器之一的圖像中可以看到天線反射器的一個例子。

旅行者及其卡塞格林天線。圖片由美國宇

接收時，它從大區域捕獲能量並將其反射到接收元件。在傳輸時，它沿中心軸集中電磁輻射。由諸如此類的天線提供的增益極大地有助於在非常長的距離上成功傳輸信息。

另一方面，UHF電視天線在摺疊偶極接收元件的遠側具有反射元件; 它們收集並反射（朝向接收元件）否則會經過的無線電波。

UHF天線，最左邊有四個反射器。圖片來

電路板

與反射元件一樣，將引導元件添加到天線以形成輻射圖案。它們的長度和間距設計成使得它們吸收能量並將其與波直接傳播到接收元件或直接從傳輸元件同相地重新發射。這產生了建設性幹擾，僅適用於天線的正向; 來自側面的波被吸收並重新異相，導致破壞性幹擾。

結論

您可以通過設計和測試天線來開展自己的職業生涯，但是您更有可能需要了解天線的規格表以及如何將天線整合到您的設計中。

我希望這篇文章和它之前的一個系列中都能夠為您提供更好的理解天線行為和特徵。