关于天线的科普介绍

何宇奇 19021210816 （智慧宇宙新物种的诞生）

由于硕士的研究方向为电子科学与技术（电磁场与微波技术），正好借此机会 对天线，电磁波方面做一个简单的科普与介绍：

一、揭开天线的面纱

众所周知，天线是基站和手机发射信号用的。

天线这个词的英文是Antenna，原意为触须的意思。触须就是昆虫头顶上的两根长长的细丝，可别小瞧这样不起眼的玩意儿，昆虫正是由这些触角发送的各种化学信号来传递各种社交信息的。

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与此类似，在人类世界里，无线通信也是通过天线来传递信息的，只不过传递的是承载着有用信息的电磁波。下图就是手机和基站之间相互通信的一个示例。

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那么实际中的天线都长什么样呢？由于用途的不同，天线的形态实在是太多了，大到接收电视信号的锅（抛物面天线），小到隐藏在手机中的天线，因功能不同而形态各异。

说到天线，大多数人最常看到的就是家里无线路由器的天线了。

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就是这一根根棍子一样的天线，让我们能享受到飞一样的网速。

在很久以前，听广播是件很时髦的事情，收音机上面都有一根能一节一节拉伸的长长的天线，这种天线和路由器天线如出一辙，叫做鞭状天线，也叫伸缩天线或者拉杆天线。

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在史前时代，每个城市的最高建筑必然是电视塔，电视也都是通过天线来接收从电视塔发来的信号的，其顶上的两根触角一样的鞭状天线形成了很多人对天线的最初印象。不论是形状还是作用都和昆虫的触须完全类似。

除此之外，还有各种各样，形形色色的不同类型的天线，按照不同的分类方法都可以给出不同的类型。

1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。

2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。

4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。

6、按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线。

7、天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。

就像盲人摸象一样，每种分类方式都只能描述天线的一个侧面或者一类特征，把这些分类法所针对的特征全部糅合起来才能看清天线的全貌。

为了减少复杂度，蜉蝣君就先以最直观的分类方法为切入点，百闻不如一见，让大家看看不同用途的真实天线是什么样的。

下图中的这种天线很多人应该见过，在以前主要架在屋顶上，用于电视信号的接收（电视自带的鞭状天线实在是能力有限）。这种鱼骨状的天线就叫八木天线。

不用数到底天线上是不是有8根杆了。之所以叫八木天线这个名称是因为它的发明者是个叫八木秀次的日本人。八木天线主要用于电视信号的接收，用于无线通信的场景不多。

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下面这张图是用于雷达的抛物面天线，就像一个个巨大的锅一样，蔚为壮观。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向，这个形状是非常适合的。

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下面的这些“锅”就要小一些了，这就是用于收发微波信号来传递信息的微波天线。微波这类电磁波的波长很短，主要以直线传播，收发天线要相互对准才能工作，在无线通信中主要用作传输。

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如果你仔细看上面这些图，会发现在铁塔的最上端，有一些板状的东西，这就是本文的主角：通信天线（细分类型为定向天线：信号的收发在一定的方向上），最经常和手机直接眉目传情的就是这货。

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既然有定向天线，必然也会存在全向天线。顾名思义，全向天线可以360°无死角收发信号，室外全向天线，以及用于室内覆盖的吸顶天线。

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回到本文的主角：定向天线。要揭开这货神秘的面纱，就要拆开来看看内部到底装了些什么东西。

内部空荡荡的，结构并不复杂嘛，就是由振子，反射板，馈电网络和天线罩组成。这些内部结构都是做什么的，怎样就实现了定向发射接收信号的功能呢？

这一切就要从电磁波来说起了。

本文参考文献主要来自于知乎：网址如下https://zhuanlan.zhihu.com/p/51098683

二、剥开天线的外衣

天线之所以能高速地传递信息，就是因为它能把载有信息的电磁波发射到空气中，以光速进行传播，最终抵达接收天线。

这就好像用高速列车运送乘客一样，如果把信息比作乘客，那么运送乘客的工具：高速列车就是电磁波，而天线就相当于车站，负责管理调度电磁波的发送。

那么，什么是电磁波呢？

科学家对电和磁这两种神秘力量研究了上百年，最终英国的麦克斯韦提出：电流能在其周边产生电场，变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场。最终这个理论被赫兹的实验所证实。

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电磁场在这样的周期性变换中，电磁波就辐射出来，向空间传播。详情见文章：“电磁波看不见摸不着，这个年轻人的奇思妙想改变了世界”。

如上图所示，红色的线表示电场，蓝色的线表示磁场，电磁波的传播方向同时垂直于电场和磁场的方向。

那么，天线是怎样把这些电磁波发送出去的呢？看完下图就明白了。

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上面这种产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果最好，所以也经常被称作“半波振子”。

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有了振子，电磁波就可以源源不断地往外发射了。如下图所示。

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真实的振子长下图这样。

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半波振子把电磁波源源不断地向空间传播，但信号强度在空间上的分布却并不均匀，像是轮胎一样的环形。这就是最简单的天线：半波偶极子。

其实总结来说，天线就是用来发射和接受电磁波的装置，关于天线和微波的知识就介绍到这里，有任何问题欢迎联系邮箱：heyuqi@stu.xidian.edu.cn

谢谢