什么是天线及其用途？

天线是现代通信系统的重要组成部分，可以在任何距离（无论远近）传输和接收电磁波。这篇介绍性文章将回到该设备本身的基础知识及其有用的用途。

什么是天线？

首先，天线到底是什么，有什么用途？天线是一种发射和/或接收电磁能的装置。这种能量可以以光波、无线电波、手机信号、雷达信号......甚至微波炉等其他电磁发生装置产生的能量的形式存在。我们想要发射或接收的能量类型取决于应用。天线是为特定应用而设计的。天线有许多不同的类型：它们可以非常小，也可以非常大，设计也从简单到复杂，千差万别。例如，在雷达系统中，我们只想跟踪感兴趣的目标，而微波炉则向封闭空间（烤箱）内的特定目标（食物）辐射能量。

定义：天线是以适合特定应用的方式发射或接收电磁（EM）能量的装置。

电磁能的例子：光波、无线电波、手机信号、微波炉电源、雷达信号。

为什么要使用天线？

或者，我们可以使用某种类型的传输线将信号传输到远程接收器。光纤电缆在物理移动时的相位稳定性较差，这在不同的应用中可能会出现问题。如图所示，观察 10 GHz 同轴电缆的典型损耗，很快就能发现这种方法的局限性。波导的损耗要小得多，但其代价是频带有限且极不灵活。那么光缆呢？在两个固定地点之间运行时，它是实用的，但如果发射器、接收器或两者都在移动呢？光缆在物理移动时相位稳定性很差。

使用天线可以克服这些限制，因为天线的设计可以在没有物理连接的情况下在很远的距离上运行。在同一应用中还可以使用额外的天线来支持多个接收器（想想为多个手机提供服务的基站）。

天线示例

天线可以非常小，也可以非常大，其设计也可以从简单到复杂，千差万别。不过，天线可分为若干类型。

元件天线在设计上非常简单，其特点是在较宽的视野内辐射能量。图中所示的元件天线示例包括偶极子、半偶极子和环形天线。这些天线通常也在单一频率或有限的频率范围内工作。

行波天线，如图中所示的螺旋天线，可在更宽的频率范围内工作。

阵列天线的设计更为复杂，由许多元件天线组成。所示阵列天线的例子包括由不同尺寸偶极子元件组成的八木天线，以及由波导单个元件组成的平板阵列。

孔径天线使用某种孔径表面来辐射和/或收集电磁能量。图中所示的孔径天线包括抛物面天线和喇叭天线。

为什么有这么多不同的天线？

那么，为什么会有这么多不同类型的天线呢？这都是为了把能量集中到你想要的地方。在某些应用中，例如手机，您希望能够从任何方向接收（或发射）信号。而在雷达等其他应用中，则希望只将能量集中在目标上。这与此处所示的例子类似。灯泡会向所有方向发光，而聚光灯则用于照亮一小块区域。通过聚焦能量，我们还可以将能量传输到更远的地方。

聚焦射频能量
所需的照明度取决于应用

全向天线

我们还可以根据天线的辐射能量特性（通常称为辐射模式）对其进行分类。全向天线试图向所有方向辐射能量，就像我们的单灯泡例子一样。由于能量会扩散到更大的范围，因此在任何特定位置发射或接收的能量都是最小的，这也是这些天线通常被称为低增益天线的原因。全向天线的应用实例包括 Wi-Fi 路由器、手机、射频 ID 标签和笔记本电脑。

全向（低增益）天线应用：
GPS
无线网络
射频识别
CMOS

准定向天线

准定向天线以特定方式聚焦能量，在特定区域或感兴趣的区域接收或发射信号。如上图所示的扇形波束模式，可将能量集中在垂直面上，同时仍可在水平面上提供广角覆盖。这类天线的应用实例包括基站天线和海洋雷达。在这两种应用中，我们对所有方向的信号都感兴趣，但都在有限的仰角区域内。

定向天线

定向天线将能量集中在一个较小的区域内，就像我们的聚光灯一样，具有类似铅笔形状的辐射模式。由于大部分能量都集中在一个特定的方向上，因此信号可以从更远的地方接收到，这也是这类天线通常被称为高增益天线的原因。应用实例包括火控雷达和气象雷达。