天線廣泛應用於電信領域，比如無線電通信、廣播、電視等。
天線接收到電磁波並將其轉換為電信號，或接收電信號並將其作為電磁波輻射。
在這篇文章中，讓我們來看看天線背後的科學。
如果我們有一個電信號，那麼我們如何將其轉換為電磁波呢？
你的腦海中可能有一個簡單的答案：那就是使用一個閉合的導線，在電磁感應原理的幫助下，將能夠產生一個波動的磁場和周圍的電場。
然而，源周圍的這種波動場在信號的傳輸中是沒有用處的。
這裡的電磁場不傳播，它只是波動。
在天線中，源周圍的電磁波需要與源分離，它們應該傳播。
在研究如何製作天線之前，讓我們先了解一下天線的物理原理。
波分離考慮放置一個正電荷和一個負電荷，這種排列很近的一對電荷稱為偶極子，它們顯然會產生如圖所示的電場。
假設這些電荷是如圖所示，在其路徑的中點振盪，速度將達到最大值，並且在它們的路徑末端，速度將為零，由於速度的變化，帶電顆粒將經歷連續的加速和減速。
現在的挑戰是找出如何使電磁場由於這種運動而變化。
讓我們只專注於一個電場線，在時間為零時形成的波前擴展並變形，在八分之一的時間段之後。
如圖所示：
你可能會感到驚訝，期望在此位置顯示一個如下圖所示的簡單的電場：
為什麼電場擴展形成一個像這樣的電場呢？
是因為加速或減速電荷會產生一些電場記憶效應，舊的電場不容易適應新的電場，我們需要花一些時間來理解這種記憶效應電場或扭結產生的加速或減速電荷，
我們將在另一篇文章中更詳細地討論這個有趣的話題。
如果我們繼續以同樣的方式分析，我們可以看到，在一個四分之一的時間週期內，波前端在一個點相遇：
在這之後，波前發生分離和傳播。
請注意，這種變化的電場會自動產生一個垂直於他的變化的磁場。
如果你畫出電場強度隨距離的變化，你可以看到波的傳播是本質上是正弦的。
有趣的是，所產生的傳播波長正好是偶極子長度的兩倍。
這正是我們在天線中所需要的，簡而言之，如果我們能安排振盪正電荷和負電荷，我們就能製造天線。
在實踐中這種振盪電荷的生產很容易，取一個在中心彎曲的導電棒並施加一箇中心的電壓信號，假定這是隨時間變化的信號，考慮這樣一種情況，在時刻0由於電壓的影響，電子將從偶極子的右邊移出，並且將是積累在左邊。
這意味著失去電子的另一端會自動帶正電。
這種安排產生了與之前的偶極子電荷情況相同的效果，即在導線的末端有正電荷和負電荷，隨著電壓隨時間的變化，正電荷和負電荷會來回穿梭，從而產生了波的傳播。
我們現在已經看到了天線作為發射機的工作原理，發射信號的頻率將與施加的電壓信號的頻率相同：
因為傳播以光速傳播，所以我們可以很容易地計算出傳播的波長：
為了實現完美的傳輸，天線的長度應該是波長的一半。天線的操作是可逆的，它可以像接收器一樣工作。
如果傳播的電磁場擊中它，我們將再次使用同一根天線並在此時施加電場，電子將累積在棒的一端，這和電偶極子是一樣的，當外加電場改變正負電荷在另一端積累時，變化的電荷積累意味著在天線中心產生一個變化的電壓信號。
該電壓信號是天線作為接收機工作時的輸出，輸出電壓信號的頻率與接收到的a.m.波的頻率相同。
從電場結構可以清楚地看出，為了獲得理想的接受效果，天線的尺寸應該是波長的一半。
在所有這些討論中，我們已經看到天線是一個開路，現在讓我們看看一些實際的天線和它們是如何工作的。
在過去，電視接收用的是偶極子接收天線，彩色條作為偶極子接收天線，這種天線還需要一個反射器和導向器來將信號聚集在偶極子上，這種完整的結構被稱為Yagi-Uda天線。
偶極天線將接收到的信號轉換成電信號，這些電信號通過同軸電纜傳送到電視單元。
如今，我們已經轉向Dish電視天線，其中包括兩個主要組成，一個拋物面狀反射鏡和一個低噪聲塊下變頻器。
拋物面接收來自衛星的電磁信號並將它們聚焦到lnbf上，拋物線的形狀很特別，經過專門且精確設計。
lnbf由一個饋電喇叭、波導、PCB和探頭組成。
在下圖中，你可以看到傳入的信號是如何通過饋電喇叭和波導聚焦到探頭上的。
就像我們在簡單偶極子情況下看到的那樣，會感應出電壓，如此生成的電壓信號會饋送到PCB進行信號處理。
例如從高頻到低頻的濾波轉換和信號處理後的放大，這些電信號通過一個同軸電纜傳送到電視單元。
如果你打開一個Lnb你很可能會發現兩個探測器而不是一個，第二個探針垂直於第一個探針，意味著可用頻譜可以使用兩次通過發送水平或者垂直極化。
一個探頭檢測水平極化信號，另一個探頭檢測垂直極化信號。
你手中的手機使用完全不同的天線，稱為貼片天線，貼片天線由放置在接地面上的金屬貼片或條組成，中間有一塊介電材料，這裡金屬貼片用作輻射元件，金屬貼片的長度應為適當發射和接收的波長的一半。
請注意，我們在此處說明的貼片天線的描述是非常基本的。
出品丨EDA365電子論壇
譯製丨巢影字幕組
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