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[经验] 天线的工作过程解析

2020-9-2 17:57:29  536 天线
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  天线广泛应用于电信领域,比如无线电通信、广播、电视等。
  天线接收到电磁波并将其转换为电信号,或接收电信号并将其作为电磁波辐射。
  在这篇文章中,让我们来看看天线背后的科学。
  
  如果我们有一个电信号,那么我们如何将其转换为电磁波呢?
  你的脑海中可能有一个简单的答案:那就是使用一个闭合的导线,在电磁感应原理的帮助下,将能够产生一个波动的磁场和周围的电场。
  
  然而,源周围的这种波动场在信号的传输中是没有用处的。
  这里的电磁场不传播,它只是波动。
  在天线中,源周围的电磁波需要与源分离,它们应该传播。
  
  在研究如何制作天线之前,让我们先了解一下天线的物理原理。
  波分离考虑放置一个正电荷和一个负电荷,这种排列很近的一对电荷称为偶极子,它们显然会产生如图所示的电场。
  
  假设这些电荷是如图所示,在其路径的中点振荡,速度将达到最大值,并且在它们的路径末端,速度将为零,由于速度的变化,带电颗粒将经历连续的加速和减速。
  
  现在的挑战是找出如何使电磁场由于这种运动而变化。
  让我们只专注于一个电场线,在时间为零时形成的波前扩展并变形,在八分之一的时间段之后。
  如图所示:
  
  
  你可能会感到惊讶,期望在此位置显示一个如下图所示的简单的电场:
  
  为什么电场扩展形成一个像这样的电场呢?
  是因为加速或减速电荷会产生一些电场记忆效应,旧的电场不容易适应新的电场,我们需要花一些时间来理解这种记忆效应电场或扭结产生的加速或减速电荷,
  我们将在另一篇文章中更详细地讨论这个有趣的话题。
  如果我们继续以同样的方式分析,我们可以看到,在一个四分之一的时间周期内,波前端在一个点相遇:
  
  在这之后,波前发生分离和传播。
  请注意,这种变化的电场会自动产生一个垂直于他的变化的磁场。
  如果你画出电场强度随距离的变化,你可以看到波的传播是本质上是正弦的。
  
  有趣的是,所产生的传播波长正好是偶极子长度的两倍。
  
  这正是我们在天线中所需要的,简而言之,如果我们能安排振荡正电荷和负电荷,我们就能制造天线。
  在实践中这种振荡电荷的生产很容易,取一个在中心弯曲的导电棒并施加一个中心的电压信号,假定这是随时间变化的信号,考虑这样一种情况,在时刻0由于电压的影响,电子将从偶极子的右边移出,并且将是积累在左边。
  这意味着失去电子的另一端会自动带正电。
  
  这种安排产生了与之前的偶极子电荷情况相同的效果,即在导线的末端有正电荷和负电荷,随着电压随时间的变化,正电荷和负电荷会来回穿梭,从而产生了波的传播。
  
  我们现在已经看到了天线作为发射机的工作原理,发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同:
  [img=167,30][/img]
  因为传播以光速传播,所以我们可以很容易地计算出传播的波长:
  
  为了实现完美的传输,天线的长度应该是波长的一半。天线的操作是可逆的,它可以像接收器一样工作。
  
  如果传播的电磁场击中它,我们将再次使用同一根天线并在此时施加电场,电子将累积在棒的一端,这和电偶极子是一样的,当外加电场改变正负电荷在另一端积累时,变化的电荷积累意味着在天线中心产生一个变化的电压信号。
  
  该电压信号是天线作为接收机工作时的输出,输出电压信号的频率与接收到的a.m.波的频率相同。
  从电场结构可以清楚地看出,为了获得理想的接受效果,天线的尺寸应该是波长的一半。
  
  在所有这些讨论中,我们已经看到天线是一个开路,现在让我们看看一些实际的天线和它们是如何工作的。
  在过去,电视接收用的是偶极子接收天线,彩色条作为偶极子接收天线,这种天线还需要一个反射器和导向器来将信号聚集在偶极子上,这种完整的结构被称为Yagi-Uda天线。
  偶极天线将接收到的信号转换成电信号,这些电信号通过同轴电缆传送到电视单元。
  
  如今,我们已经转向Dish电视天线,其中包括两个主要组成,一个抛物面状反射镜和一个低噪声块下变频器
  抛物面接收来自卫星的电磁信号并将它们聚焦到lnbf上,抛物线的形状很特别,经过专门且精确设计。
  
  lnbf由一个馈电喇叭、波导、PCB和探头组成。
  在下图中,你可以看到传入的信号是如何通过馈电喇叭和波导聚焦到探头上的。
  就像我们在简单偶极子情况下看到的那样,会感应出电压,如此生成的电压信号会馈送到PCB进行信号处理。
  例如从高频到低频的滤波转换和信号处理后的放大,这些电信号通过一个同轴电缆传送到电视单元。
  
  如果你打开一个Lnb你很可能会发现两个探测器而不是一个,第二个探针垂直于第一个探针,意味着可用频谱可以使用两次通过发送水平或者垂直极化。
  一个探头检测水平极化信号,另一个探头检测垂直极化信号。
  
  你手中的手机使用完全不同的天线,称为贴片天线,贴片天线由放置在接地面上的金属贴片或条组成,中间有一块介电材料,这里金属贴片用作辐射元件,金属贴片的长度应为适当发射和接收的波长的一半。
  请注意,我们在此处说明的贴片天线的描述是非常基本的。
  

jf_79880980 2020-9-17 13:26:17
不错不错,路过学习一下,谢谢楼主,哈哈
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很形象,深入浅出地讲述了天线的工作原理,通俗易懂。
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elecfan111 6 天前
很好,总算对天线入门了
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