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1895年，意大利人伽利爾摩·馬可尼 在家中第一次接收到了2.7公里以外山頂上發(fā)出的無線電信號(hào)。人類第一次實(shí)現(xiàn)了信息的無線傳輸。 （世界上第一個(gè)無線電報(bào)機(jī)和馬可尼） 1973年4月的一天，手機(jī)之父馬丁·庫帕站在紐約街頭，掏出一個(gè)約有兩塊磚頭大的無線電話，并打了一通，引得過路人紛紛駐足側(cè)目。 （馬丁·庫帕） 今天，通行全球的海事衛(wèi)星電話，遍布城市的鐵塔基站，隨處可見的WIFI熱點(diǎn)，以及幾乎人手一部的手機(jī)。無線通信已經(jīng)和我們的生活密不可分。 隨著新一代的5G通信系統(tǒng)的建立，萬物無線互聯(lián)的時(shí)代正在向我們悄悄走來。 而這一切，都離不開天線！所有的無線傳輸，最終都要通過天線來傳輸能量。 那么你們知道天線是如何將有線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號(hào)的么？ 我們需要了解3個(gè)方面的知識(shí)！ 1 什么是天線？ 面對(duì)這個(gè)問題，我估計(jì)大家會(huì)一臉懵……不是太難，而是太簡(jiǎn)單了。 是的，這個(gè)問題確實(shí)簡(jiǎn)單，不過這里還是需要再說一遍。 狹義上的天線，指的就是我們無線通訊系統(tǒng)中，承載無線電波發(fā)射和接收的一種物理結(jié)構(gòu)。 而廣義上的天線，可以是指一切能夠輻射或者接收電磁能量的物理結(jié)構(gòu)。 專業(yè)天線書籍對(duì)天線的定義是，一種附有導(dǎo)行波與自由空間波相互轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)，夠拗口的~~ 在電路中，我們通過電子的移動(dòng)來傳輸射頻信號(hào)；在自由空間中，我們則通過光子來傳播電磁波信號(hào)。天線就是將電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾樱ɑ蚍粗┑囊环N結(jié)構(gòu)。 科普一下，光子是電磁輻射的載體，而在量子場(chǎng)論中光子被認(rèn)為是電磁相互作用的媒介子。光子靜止質(zhì)量為零。光子以光速運(yùn)動(dòng)，并具有能量、動(dòng)量、質(zhì)量。 在同等輸入能量的條件下，天線輻射強(qiáng)弱可以用天線輻射出來的電磁波的強(qiáng)弱來衡量，那么什么是電磁波？ 2 什么是電磁波？ 我估計(jì)大家可能覺得：“這很簡(jiǎn)單啊，電磁波就是一道波啊，就和聲波一樣。”
其實(shí)不然，電磁波的傳播和聲波還真不一樣。電磁波本質(zhì)上是電環(huán)接磁環(huán)接電環(huán)接磁環(huán)……這種連綿不絕環(huán)環(huán)相扣的傳播模式。
電磁波是由相同且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。 由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。
其傳播理論源自麥克斯韋方程：
什么？看不懂？
沒關(guān)系，復(fù)雜的計(jì)算交給電腦，我們只需要知道這個(gè)方程組可以用來解釋電磁波的傳輸原理就行了。 了解了天線和電磁波以后，我們接下來就講講天線是如何輻射電磁波的？
3 天線是如何輻射能量的 說到這個(gè)話題，小編翻遍了各種天線教科書，發(fā)現(xiàn)《天線》這本書有對(duì)天線輻射最清晰直觀的表述。
之前已經(jīng)說過了，天線是一種附有導(dǎo)行波與自由空間波相互轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)，也就是說，能量通過天線完成了電流和電磁波之間的互換。 那么，這個(gè)互換是如何產(chǎn)生的呢？
在均勻電流的周圍，是不會(huì)有電磁波輻射的（電場(chǎng)及磁場(chǎng)穩(wěn)定無變化），但是變化的電流周圍，就會(huì)有電磁波的產(chǎn)生。（這就是為什么LDO幾乎不會(huì)帶來輻射干擾，而DC-DC開關(guān)電源會(huì)帶來輻射干擾的原因）
我們都知道，電流是由電荷移動(dòng)而產(chǎn)生的。為了更直觀的解釋天線輻射的基本原理，我們通常用描述天線上電荷移動(dòng)的方式來描述天線的輻射。 下面讓我們以偶極子天線為例，描述下天線輻射產(chǎn)生的原理： ▲ 假設(shè)我們的偶極子天線就是一段長(zhǎng)直導(dǎo)體。當(dāng)電荷沿著長(zhǎng)直導(dǎo)體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍并不會(huì)有電磁波產(chǎn)生，也就不會(huì)有輻射。 但是，當(dāng)電荷沿長(zhǎng)直導(dǎo)體往返加速（或減速）運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在周圍產(chǎn)生電磁波，形成輻射。 我們假設(shè)，偶極子天線兩端分別各有一顆電量相等，極性相反的電荷，設(shè)兩顆電荷之間的初始間距為L(zhǎng)，而長(zhǎng)直導(dǎo)體的尺寸相當(dāng)：
設(shè)此時(shí)t=0，因?yàn)殡姾煞謩e位于導(dǎo)體兩端，所以兩顆電荷之間的壓差V為最大，電荷移動(dòng)的加速度為最大，但是電荷還沒有開始移動(dòng)，所以電流I=0，電場(chǎng)場(chǎng)線路圖所示。 電荷異性相吸，在不可描述的力的作用下，兩顆電荷開始靠近 而且移動(dòng)速度越來越快，而加速度則慢慢變小
假設(shè)此時(shí)t=1/8T，由于電荷的移動(dòng)，長(zhǎng)直導(dǎo)體上產(chǎn)生了電流，電場(chǎng)也發(fā)生了變化。兩個(gè)電荷是加速靠近的，從而推動(dòng)電場(chǎng)場(chǎng)線外移，也就是波前外移。 這里加入一個(gè)書中的一個(gè)名詞：波前 字面上的意思就是電磁波場(chǎng)線的外沿。 兩個(gè)電荷繼續(xù)移動(dòng)，并在中點(diǎn)交匯。此時(shí)t= 1/4T
此時(shí)電荷已加速到最大速度，所以電流I=max，而壓差V=0，電荷的加速度隨著壓差的消失也變?yōu)?，波前因?yàn)殡姾傻囊苿?dòng)而繼續(xù)向外移動(dòng)。 兩顆電荷交匯以后不是停下了，而是繼續(xù)移動(dòng)，所以我們看到電場(chǎng)場(chǎng)線在中點(diǎn)有一個(gè)交叉。而這個(gè)交叉最終會(huì)切斷原先的場(chǎng)線，從而產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)閉環(huán)。 兩顆電荷交錯(cuò)而過，繼續(xù)向相反的方向移動(dòng)，此時(shí)t=3/8T
我們看到由于電荷的交錯(cuò)，電荷之間的電場(chǎng)方向發(fā)生了變化，場(chǎng)線方向和原先相反，原先的場(chǎng)線只好和新場(chǎng)線做了個(gè)切割。 而且新場(chǎng)線不斷變大，從而對(duì)原場(chǎng)線產(chǎn)生了擠壓，波前不斷外移，就這樣，輻射產(chǎn)生了…… 要注意，此時(shí)電荷因?yàn)椴豢擅枋龅牧Φ挠绊懀湟苿?dòng)是減速的，電流不斷減小，而因?yàn)榫嚯x拉遠(yuǎn)，新的壓差又產(chǎn)生了，并且在不斷增大。 終于，這兩顆電荷經(jīng)過長(zhǎng)途跋涉，來到了長(zhǎng)直導(dǎo)體的末端，而不得不停下來。此時(shí)t=1/2T
我們看到，新的電場(chǎng)線已形成，和原先的場(chǎng)線強(qiáng)度相當(dāng)而方向相反。電流因?yàn)殡姾蛇\(yùn)動(dòng)的停止而歸零，電荷間的壓差則再次達(dá)到最大。 在接下來的1/2T時(shí)間里，兩個(gè)電荷會(huì)再次靠近，交匯，遠(yuǎn)離，直到回到原來的位置，一個(gè)新的閉環(huán)場(chǎng)線也將脫離導(dǎo)體，向外輻射。 這就是天線輻射的基本原理，怎么樣，是不是很簡(jiǎn)單??！ 當(dāng)長(zhǎng)直導(dǎo)體中，無數(shù)多個(gè)電荷，同時(shí)開始往復(fù)運(yùn)動(dòng)以后，就形成了下面這種輻射場(chǎng)：
我們看到，無窮無盡的場(chǎng)線被切割，被擠壓，不斷向外擴(kuò)散而去。 4 總結(jié) 通常來說，尺寸為 波長(zhǎng)/2的偶極子振子天線會(huì)有較強(qiáng)的輻射能力，但是當(dāng)偶極子天線遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，輻射能力會(huì)變得很差。 這是為什么呢？ 我覺得我們可以從偶極子天線輻射的原理來解釋，讓我們回到第一張圖，也就是t=0的時(shí)候。
當(dāng)天線尺寸比較小時(shí)，兩個(gè)電荷之間的壓差會(huì)比較小，而原始的場(chǎng)強(qiáng)也比較小，閉合場(chǎng)線離開天線后的能量攜帶也就比較小，輻射能力自然就差了。 最后來一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的公式，它簡(jiǎn)潔的描述了天線增益和天線尺寸及波長(zhǎng)之間的關(guān)系。
由這個(gè)公式可以看出，天線尺寸越大，天線的輻射性能越好。 好了，天線輻射原理的解釋到這就結(jié)束了，各位看官都看明白了么？
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