解鎖無線通信：天線的魅力

天線是通信系統的眼睛和耳朵。它是一種幫助電磁能量在電子設備和空氣之間傳播的裝置。因此，天線就像是一座連接電子電路和電波的橋梁。設備通過這種連接，實現了信號的發送和接收。在日常生活中，天線普遍存在于眾多設備中，例如手機和 Wi-Fi。不同天線的用途也不盡相同。

偶極天線

偶極天線通常用于傳輸廣播和電視信號。它是一種射頻天線。這種天線有兩個棒狀或線狀的導電元件。這些導電元件的長度大約是該工作頻率在自由空間中的最大波長值的一半。絕緣材料從天線中心將這兩種導電材料分開。下圖所示為偶極天線。這種天線可以水平放置，也可以垂直放置。

圖1 偶極天線

射頻電壓源位于天線的中間。兩個導電元件提供電壓和電流。這些元件可產生電磁信號或無線電信號，并會輻射到天線外部。天線中心的電壓最小，電流最大。而偶極天線兩端的電流最小，電壓最大。這就是偶極天線分配電流的方式。

圖 2 所示為垂直于天線軸線的偶極天線方向圖。天線的輻射特性通過輻射方向圖以圖形方式描繪出來。此模式描述了天線如何向空間發射能量。

圖2 輻射方向圖

因此，這款天線會將電信號轉換為射頻電磁信號。這些信號在發射端發射，并在接收端將射頻電磁信號轉換為電信號。

環形天線

這種類型的天線是將線圈或粗細均勻的電線彎曲成環形制成的。簡而言之，就是將射頻載流線圈彎曲成圓形、方形、矩形和橢圓形等形狀。

這些天線結構簡單、價格低廉且用途廣泛。它們的應用非常多，通常用于AM廣播和低頻應用。

圖3 環形天線

在所有形狀的天線中，環形天線的應用最為廣泛。這是因為環形天線在構造和分析方面都非常簡單。

環形天線也稱為輻射線圈，截面為單線圈或多線圈。具有兩圈或更多線圈的環形天線稱為框架。環形天線允許的工作頻率范圍在300 MHZ到3 GHz之間。

喇叭天線

喇叭天線是一種孔徑天線。它專為微波頻率 (300 MHz – 30 GHz) 而設計。天線的末端呈喇叭形狀。這種形狀具有更強的方向性，因此發射的信號可以輕而易舉地實現遠距離傳輸。

圖4 喇叭天線

拋物面碟形天線

拋物面天線收集或投射能量，例如電磁波。這種天線經常出現在雷達工程中。

圖5 拋物面天線

圓形拋物面反射器由金屬制成。這種結構通常是內側覆蓋著金屬網的框架。金屬網槽的寬度必須小于 λ/10 。這種金屬覆蓋物即反射器，充當反射雷達能量的鏡子。

圓形拋物面碟形天線可產生筆形射束。如果反射器是橢圓形的，則會產生扇形射束。監視雷達在水平面和垂直平面上采用了兩種不同的曲率，從而實現方位角上所需的筆形射束，以及仰角上的經典余割平方扇形射束。

拋物面碟形天線具有很強的方向性，通常用于射電天文學和衛星通信。

八木宇田天線

八木宇田天線（又名八木天線）是一種方向性很強的天線，具有兩個或多個平行諧振天線組件作為半波偶極子。該天線由三個部分組成：反射器、驅動元件和導向器。單驅動元件通過傳輸線路或其他寄生元件連接發射器或接收器。在大多數情況下，反射器和一些導向器（較長的元件）都是寄生元件。

圖6 八木宇田天線

這些寄生元件（較短的元件）充當無源諧振器。它們與驅動元件一起工作，并與發射器或接收器斷開電氣連接。八木天線通常在高頻和超高頻范圍內工作，即使在最小帶寬下，也可提供介于30 MHz到3 GHz之間的工作頻率。這些天線的獨特設計可實現良好的增益值（超過10dB）。

八木宇田天線具有很強的方向性。它們通常用于接收電視信號和進行無線電通信。

貼片天線

貼片天線是通過在介質表面上蝕刻出一塊導電材料貼片制成的天線。介質材料安裝在接地層上，接地層支撐著整個結構。連接到貼片的饋線將激發天線。貼片天線也稱為微帶天線或印刷天線，因為這是通過微帶技術制造而成的印刷電路板。

圖7 貼片天線

貼片天線通常用于Wi-Fi和無線通信。

螺旋天線

螺旋天線是最簡單的天線，廣泛用于超高頻應用，工作頻率通常在甚高頻和超高頻范圍內。這種天線有一根螺旋形狀的導線。

圖8 螺旋天線

螺旋天線具有高帶寬、高增益和圓極化等獨特特性。這種天線的頻率范圍為在30MHz -3GHz之間，常用于空間通信、衛星通信和無線網絡。

鞭形天線

鞭形天線常見于單極無線電天線。這意味著要更換一根天線，而不是兩根天線并排運行或形成環路。這些天線被廣泛用于手機和手持式無線電等設備中。

鞭形天線的長度決定了它的潛在波長。負載線圈可以安裝在天線長度范圍內的任何位置，以縮短鞭形天線的長度。因此，可以在不增加鞭長的情況下增加電感。最常見的鞭形天線是半波長鞭形天線和四分之一波長鞭形天線。

鞭形天線為垂直極化，因為它是垂直安裝在底部載具上。鞭形天線通常被稱為全向鞭形天線，因為它們能夠在水平面上向各個方向輻射信號。但嚴格來說并非如此，因為所有鞭形天線都有一個頂部錐形盲區。

單頻和雙頻天線

天線可以分為單頻天線和雙頻天線，具體取決于天線是可以在單頻段中工作還是在多頻段中工作。

單頻天線可在特定頻率下工作。這一工作范圍通常較窄。僅需一個頻段的應用會使用這種天線。傳統的電視系統和廣播音頻使用單頻天線。這種類型的天線可以針對特定頻率進行修改，以獲得最高效率和增益。鞭形天線、單極天線、環形天線、喇叭天線和螺旋天線都是單頻天線。

而雙頻天線可在兩個不同的頻率下工作。這些天線為每個頻段配備了單獨的元件或饋電點。通常，需要多個頻段的應用會使用雙頻天線。移動通信系統使用的就是雙頻天線。這種類型的天線可以在各種頻段上運行，而無需分隔天線。偶極天線、貼片天線、八木天線和對數周期天線等就是雙頻天線。

單頻和雙頻天線的主要區別

單頻天線和雙頻天線的區別在于其設計，在于其各自工作頻段的數量。

以下是這兩種天線在設計上的一些主要區別：

單頻天線設計為在特定頻率下產生振動。天線的物理尺寸決定了這種振動。天線的長度決定了其工作頻率。這些天線的帶寬很窄，只能在共振和附近頻率下工作。

雙頻天線設計為具有兩個不同的共振頻率。這些頻率通常用于兩個不同的頻段。雙頻天線為每個頻段配備了單獨的元件或饋電點，使天線能夠在兩個不同的頻率下運行。 如果使用不同的物理尺寸來設計每個頻段的天線元件，則可以針對每個頻率范圍優化性能。

單頻和雙頻天線的性能特點

在性能方面，單頻和雙頻天線各有優缺點。這些優點取決于應用。性能對比如下表所示：

單頻和雙頻天線的應用

在選擇是使用單頻天線還是雙頻天線時，頻率要求是關鍵。以下是每種天線的常見用例：

單頻天線

●   手機信號塔

●   GPS系統

●   衛星通信

●   雷達系統

●   廣播和電視信號發送

雙頻天線

●   Wi-Fi路由器

●   RFID系統

●   藍牙設備

●   無線接入點

●   手機

影響單雙頻天線性能的因素

安放單頻和雙頻天線的位置十分重要。良好的位置保證了更出色的性能。這些因素包括：

1.位置：在視線范圍內，天線和目標必須在一條線上，且沒有遮擋。不應有干擾的建筑物或惡劣的環境條件。

2.方向：天線的方向至關重要。定向天線對方向錯誤更為敏感。為了獲得更強的信號，天線必須指向目標。但是，全向天線等天線則沒有特定的方向要求。

3.干擾：單頻和雙頻天線的性能可能會因不同來源的干擾而下降。所選位置應盡可能避免干擾。可以使用濾波器或屏蔽器來減少干擾。

4. 電纜損耗：將天線連接到通信系統的電纜會導致信號損耗。高質量的電纜有助于最大限度地提高信號強度。

天線成本（單頻和雙頻）

單頻和雙頻天線的成本因多種因素而異，例如：

制造材料

●   天線可以由不同的材料制成。這些材料可能會對成本產生重大影響。例如，使用銅或鋁等優質材料可能比鋼制天線更加昂貴。

●   用于制造天線材料的供應情況和產地也會影響其價格。

尺寸

●   天線的尺寸也會影響成本。由于材料和制造成本的增加，大天線比小天線貴。

●   但是，天線尺寸還取決于工作頻率。更高的頻率通常需要更小的天線。

性能水平

●   為提高性能而優化的天線可能比性能較低的天線更加昂貴。例如，帶寬更寬的天線或效率更高的天線比性能較低的天線價格更高。

單頻天線

●   單頻天線通常比雙頻天線便宜。這是因為這些天線針對單一頻段進行了優化。

●   單頻天線的成本取決于其優化的頻段、天線的尺寸以及性能。

雙頻天線

●   雙頻天線的價格通常高于單頻天線，因為雙頻天線能夠在兩個不同的頻段上運行。

●   優化的頻段、尺寸和性能等各種因素都決定了雙頻天線的成本。

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