偶极天线结构设计_工作原理_常见类型

天线是一种通信装置，用于发射和接收信号以表示某些信息。世界上第一个天线是德国人于1888年发明的，用于无线通信目的。这些天线可以广播微波和无线电信号。

目前天线有不同类型，根据其应用进行分类，如导线天线、对数周期天线、孔径天线、微芯片天线、反射器天线、透镜天线、阵列天线和行波天线。因此，为了在合适的应用中使用，必须了解每个天线及其用途。在本文中，小编主要介绍一种线状天线，即偶极天线的概念及其应用。

基本概念

偶极天线，或者偶极子天线，英文名Dipole Antenna，它是一种RF天线，包括两个导电元件（例如线或杆），其中金属线长度大约为自由空间中工作频率下最高波长的一半。在天线的中心，导电材料通过称为天线部分的绝缘体分开。

偶极天线由两个偶极子组成。偶极子天线在不同的频率下都可以用于无线通信，广播和其它射频应用。偶极天线图如下所示：

可以看出，RF电压源被提供给天线的中间，然后通过两个导电元件供应的电压和电流产生电磁或无线电信号，并且该信号被辐射到天线外部。在该天线的中心，电压最小，电流最大，而偶极天线两端电压最大，电流最小。

结构设计

偶极天线包括两个导电元件，如电线和杆或电线，其中馈线位于中心，天线的辐射部分位于两侧。金属线的长度是工作频率下自由空间内最高波长的一半，即 λ/2。具有中心馈电点的基本偶极天线图如下所示：

天线中的导电元件通过绝缘体在中间分成两部分，称为天线部分。这些部分只需连接到天线中部的同轴电缆或馈线。众所周知，波长是两个连续的最高点或最低点之间的距离。在这里，辐射元件的长度可以由类似天线的中心工作频率、馈电阻抗等几个属性来确定。在该天线中，偶极子的长度是一个重要的参数。

另外，任何类型的天线都可以用于发射或接收。在各种无线应用中，可以在发射器和接收器之间激活天线。

偶极天线发射器

在发射器部分，偶极天线产生无线电波，将优选频率的电压提供给天线。因此，该天线元件上的电压和流过它们的电流将产生磁波和电波。天线中的发射器是用导体创建的基本元件。这里的导体承载着电流，电流的强度会随着时间的推移而波动，并转变为在空间中传输的射频辐射。

偶极天线接收器

在接收部分，流过偶极天线的电磁波会感应出一点电压。结果，天线将成为接收器输入的信号源。天线的接收器执行与发射器相反的操作。它接收射频辐射并将其转换为连接到天线的电路内的电流。

工作原理

一旦将射频电压源施加到天线中两个部分的中心，则流经两个导电元件的电压和电流就可以产生电磁或无线电波信号，并辐射到天线外部。在该天线的中心，电压最小，电流最大。相反，天线末端的电流最小，电压最大。

偶极天线辐射方向图如下所示，垂直于天线轴。辐射方向图是天线辐射特性的图形描述。天线的辐射方向图将描述天线如何将能量发射到太空中。

因此，该天线将信号从电信号转换为射频电磁信号，并在发射端发射它们，并在接收端将射频电磁信号转换为电信号。

常见类型

根据半波、多个半波、折叠偶极子、短偶极子和非谐振等要求，偶极天线可以分为不同类型，并且用于不同的应用。

半波偶极子天线

偶极子长度为工作频率下波长一半的偶极子天线称为半波偶极子天线。有时这种天线也称为赫兹天线。与其它天线相比，该天线具有简单的谐振结构，因此可用于不同应用中的传输和接收目的。该天线的工作频率范围为3kHz至300GHz。

半波偶极子天线的优点是重量轻、成本低、输入阻抗与传输线的输入阻抗相似等。半波天线的缺点是它是一个独立的天线，因此它可以用作其它类型在极高频率下工作的天线的基本元件，并且辐射方向图的性质是全向的。这些天线主要用于电视和收音机接收器。

折叠偶极子天线

将两个偶极子天线简单地单独连接成一个细线环的集合，则称为折叠式天线。顾名思义，偶极子天线的类型是折叠式的，它包括两个半波偶极子，一个是连续的，另一个是中间分裂的。它们在两端折叠并平行连接在一起。

折叠偶极天线的辐射方向图与普通偶极天线相似，只是输入阻抗更高且方向性是双向的。使用这种天线的主要原因是馈电阻抗高、带宽大。因此，这些天线可以单独使用，作为其他天线的基本组成部分，并提供高带宽。这些天线有两线和三线类型。

短偶极子天线

长度小于半波长的偶极子天线称为短偶极子天线。这是一种简单的线天线，其一端开路，另一端通过交流电源供电。该天线的频率范围为3KHz–30MHz。因此它适用于基于低频的接收机。

该天线的长度小于波长。电压源简单地连接在一端，同时形成偶极子形状，即线路在另一端结束，如下图所示：

上面显示了该天线图，包括长度“L”。原始天线尺寸并不重要，但通向天线的电线应低于波长的1/10。所以有：L< λ/10，其中短偶极子的线长为“L”，波长为“λ”。

调频偶极子天线

FM偶极子天线的制造方法非常简单，成本也较低。因此，这些天线是屋顶空间或阁楼内置FM天线的理想解决方案。一旦需要临时天线，就可以使用它们。这是一种半波半偶极子垂直极化天线，最常用于提供更好的VHF FM广播接收。一般来说，这些天线主要用于FM广播，其频率范围为88MHz至108MHz。

风扇偶极子天线

这种类型的天线也称为扇形或平行偶极子天线。它是多频段线天线，因此设计非常简单。通常情况下，该天线包括多个共享相似同轴馈线的偶极天线。每个偶极子都必须斜线到你想要谐振的大致频带中心。

一旦信号被传输，那么通过无线电只能观察到该频段的谐振元件，因为其余的偶极子存在较高的阻抗。该天线的机械设计并不重要，因为它甚至可以水平布置为倒V形。

一些布置利用不同方向上的相邻扩展线。一般来说，一些邻近的元素会互相干扰，特别是紧密结合在一起。通常来说，这种天线调谐需要仔细调整元件才能在不同频段上实现谐振。

增益计算

天线增益是用于测量天线辐射图方向性大小的参数之一。增益高的天线尤其会在特定方向内辐射。天线增益是一种无源现象，其中不包括通过天线的功率，而是简单地重新分配以在特定方向上提供额外的辐射功率。天线的增益可以用dBi和dBd来测量，其中：

• 各向同性天线增益以dBi为单位测量
• 偶极天线增益以dBd为单位测量

dBd和dBi之间的主要关系的：dBi=dBd+2.15。

在确定天线增益时，设计者必须考虑天线的应用。高增益天线有很多好处，如信号质量更好、覆盖范围更远等，而增益较低的天线覆盖范围更短。当然，天线的方向相对来说并不重要。

偶极天线增益可以相对于参考偶极天线以dBd为单位计算。参考偶极天线增益为2.15dBi。因此，在dBi和dBd之间进行更改非常简单，只需根据以下公式添加或减少2.15即可：dBi=dBd+2.15。

波长计算

天线的波长可以根据频率公式计算出来，即：频率 (f) = C/λ。

由上式可推导出波长：λ = C/f，其中“C”是光速，“f”是频率。

偶极天线和单极天线的区别

偶极子天线和单极子天线之间的区别包括以下几点内容：

优缺点

偶极天线的优点包括以下几方面内容：

• 简单是该天线的主要优点。
• 一旦在谐振频率下使用，它们就会非常有效。
• 偶极子的间隙大小不会影响天线的性能。
• 这些在发射和接收信号时是全向的。
• 与伸缩单极天线相比，伸缩偶极子天线可以让您获得更宽的频率范围。
• 该天线的辐射方向图由位于孔中心的天线形成环形。
• 这些天线设计简单，可安装在不同的配置中，例如倾斜、下垂、倒V形等
• 几乎可以接收任何信号，而无需担心其方向。
• 可以减少并与负载线圈谐振。当这个线圈布置在中心时，我们可以获得很好的结果。

偶极天线的缺点包括以下几方面内容：

• 波长很长，用于制作天线的频率非常少。
• 与单极天线相比，折叠型天线有些复杂，尽管它们不像四边形贴片或八木UDA天线那样复杂。
• 对于低于27MHz的频率，当天线长度减小时，天线的效率将开始降低。
• 与典型天线相比，倒V型天线的效率有所降低。
• 与室外相比，室内天线的尺寸非常小。
• 室外天线体积较大，安装和运输非常困难。

应用领域

偶极天线的应用包括以下几方面内容：

• 用作复杂天线的基本部件，也用于可以形成辐射元件的不同领域。
• 适用于无线电和电信。
• 双向通信使用同一天线进行传输和接收。
• 半波型天线可用于电视和收音机接收器。
• 通常情况下，该天线用作发射天线或接收天线，因为发射天线将信号从电信号改变为电磁信号并发射它们，而接收天线可用于将信号从电磁信号改变为电信号。
• 抛物面反射器型天线用于射电天文学、卫星通信和多种类型的无线电通信链路。
• VHF和UHF型天线主要用于公共安全、沿海地区、工业和公共通信应用中的陆地移动通信。
• 折叠式天线可用于八木宇田天线中，通过平衡线（如Z0=300Ω）进行全球电视接收，因为该天线的输入阻抗较高，因此只需通过传输线阻抗进行匹配。
• FM型天线主要用作FM广播接收天线，特别适用于88MHz-108MHz的FM广播频段。

总结

以上就是关于偶极天线工作原理及其应用的概述，它是最重要的射频天线类型之一，广泛用于无线电通信或其他射频天线设计中，以形成整个天线的辐射元件。另外，偶极天线非常容易设计，基本的偶极天线适用于射频频谱的VHF、UHF和HF部分。