无线通讯——天线

        天线,将传输线中的高频电磁能,转化为自由空间的电磁波,或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。

        驻波比,全称为电压驻波比,又名VSWR和SWR(Voltage Standing Wave Ratio)。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,此时高频能量全部被天线辐射出去,没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时,表示全反射,能量完全没有辐射出去。

VSWR = |V(max)|/|V(min)|

        其中,V(max)是传输线上信号电压最大值,V(min)是传输线上信号电压最小值。也可以利用阻抗计算:

VSWR = (1+Γ)/(1-Γ)

        其中,Γ是靠近负载端的电压反射系数,由负载阻抗(ZL)和源阻抗(Zo)确定:

Γ = (ZL-Zo)/(ZL+Zo)

        工程上一般要求VSWR<1.5,当VSWR>1.5表示存在驻波警告,当VSWR>3时,表示有严重驻波警告

        更多驻波比内容请参考:      驻波比 - 知乎

        回波损耗,回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比,以对数形式的绝对值来表示,单位是dB,一般是正值

        RL=-10 lg(P反射/P发射)

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        假设电台发射功率为10W,反射0.5W,此时的回波损耗为:

RL=10log(10/0.5)=13dB

极化

        极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性,当没有特别说明时,通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向,而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波,有时以地面作参考,将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波,与地面垂直的波叫垂直极化波。

天线方向图

        天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形,称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图,用功率密度表示的称之功率方向图,用相位表示的称为相位方向图。

        天线方向图是空间立体图形,但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示,称为平面方向图,一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平方向图而言,有全向天线与定向天线之分,而定向天线的水平方向图的形状也有很多种,如心型、8字形等。

        天线具有方向性本质上是通过阵子的排列以及各阵子馈电相位的变化来获得的,在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强,而某些方向上能量被减弱,即形成一个个波瓣(或波束)和零点。能量最强的波瓣叫主瓣,上下次强的波瓣叫第一旁瓣,依次类推。对于定向天线,还存在后瓣。

天线增益

        天线增益,在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。表示天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益,在各方向的辐射是均匀的;dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。

        默认情况下,天线方向图的增益单位为dBi。

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工作原理

        天线在无线电传输过程中的功能参考下图。

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         封闭的线圈不会向外辐射能量,其形成的场只会围绕自身变化,开放的线圈才会对外辐射能量。

        用两个震荡的正负电荷模拟电磁波发射。

        更多无线电辐射请参考:天线如何工作?原理是怎样的?(动画+图文解析)_电磁场

静止时候的电场波

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1. t = 0时的电场线

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2. t = T/8时的电场线

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3. t = T/4时的电场线

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重复1~3,电磁波将会被发射出去,为保证最好的发射效果,波长为震荡距离的2倍

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将震荡电子替换为天线,振子长度为波长一半

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        对称振子天线有如下描述:

1. 天线长度>=1/2波长,接收效果才好

2. 波长>2倍天线长度的电磁波,将被天线过滤掉

3. 波长<=2被长度的电磁波将被接收,因此接收器要进行滤波处理

参考链接:
​​​​​​天线如何工作?原理是怎样的?(动画+图文解析)_电磁场

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