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。人類第一次實現(xiàn)了信息的無線傳輸。

（世界上第一個無線電報機和馬可尼）

1973年4月的一天，手機之父馬丁·庫帕站在紐約街頭，掏出一個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，以及幾乎人手一部的手機。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轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號的么？

我們需要了解3個方面的知識！

1

什么是天線？

面對這個問題，我估計大家會一臉懵……不是太難，而是太簡單了。

是的，這個問題確實簡單，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來傳輸射頻信號；在自由空間中，我們則通過光子來傳播電磁波信號。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，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。光子靜止質(zhì)量為零。光子以光速運動，并具有能量、動量、質(zhì)量。

在同等輸入能量的條件下，天線輻射強弱可以用天線輻射出來的電磁波的強弱來衡量，那么什么是電磁波？

2

什么是電磁波？

我估計大家可能覺得：“這很簡單啊，電磁波就是一道波啊，就和聲波一樣?！?/p>

其實不然，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與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。

由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構(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)雜的計算交給電腦，我們只需要知道這個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，這個互換是如何產(chǎn)生的呢？

在均勻電流的周圍，是不會有電磁波輻射的（電場及磁場穩(wěn)定無變化），但是變化的電流周圍，就會有電磁波的產(chǎn)生。（這就是為什么LDO幾乎不會帶來輻射干擾，而DC-DC開關(guān)電源會帶來輻射干擾的原因）

我們都知道，電流是由電荷移動而產(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：

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假設(shè)我們的偶極子天線就是一段長直導(dǎo)體。當(dāng)電荷沿著長直導(dǎo)體勻速運動時，周圍并不會有電磁波產(chǎn)生，也就不會有輻射。

但是，當(dāng)電荷沿長直導(dǎo)體往返加速（或減速）運動時，就會在周圍產(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，而長直導(dǎo)體的尺寸相當(dāng)：

設(shè)此時t=0，因為電荷分別位于導(dǎo)體兩端，所以兩顆電荷之間的壓差V為最大，電荷移動的加速度為最大，但是電荷還沒有開始移動，所以電流I=0，電場場線路圖所示。

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

而且移動速度越來越快，而加速度則慢慢變小

假設(shè)此時t=1/8T，由于電荷的移動，長直導(dǎo)體上產(chǎn)生了電流，電場也發(fā)生了變化。兩個電荷是加速靠近的，從而推動電場場線外移，也就是波前外移。

這里加入一個書中的一個名詞：波前

字面上的意思就是電磁波場線的外沿。

兩個電荷繼續(xù)移動，并在中點交匯。此時t= 1/4T

此時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)?，波前因為電荷的移動而繼續(xù)向外移動。

兩顆電荷交匯以后不是停下了，而是繼續(xù)移動，所以我們看到電場場線在中點有一個交叉。而這個交叉最終會切斷原先的場線，從而產(chǎn)生一個電場閉環(huán)。

兩顆電荷交錯而過，繼續(xù)向相反的方向移動，此時t=3/8T

我們看到由于電荷的交錯，電荷之間的電場方向發(fā)生了變化，場線方向和原先相反，原先的場線只好和新場線做了個切割。

而且新場線不斷變大，從而對原場線產(chǎn)生了擠壓，波前不斷外移，就這樣，輻射產(chǎn)生了……

要注意，此時電荷因為不可描述的力的影響，其移動是減速的，電流不斷減小，而因為距離拉遠，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)過長途跋涉，來到了長直導(dǎo)體的末端，而不得不停下來。此時t=1/2T

我們看到，新的電場線已形成，和原先的場線強度相當(dāng)而方向相反。電流因為電荷運動的停止而歸零，電荷間的壓差則再次達到最大。

在接下來的1/2T時間里，兩個電荷會再次靠近，交匯，遠離，直到回到原來的位置，一個新的閉環(huán)場線也將脫離導(dǎo)體，向外輻射。

這就是天線輻射的基本原理，怎么樣，是不是很簡單??！

當(dāng)長直導(dǎo)體中，無數(shù)多個電荷，同時開始往復(fù)運動以后，就形成了下面這種輻射場：

我們看到，無窮無盡的場線被切割，被擠壓，不斷向外擴散而去。

4

總結(jié)

通常來說，尺寸為 波長/2的偶極子振子天線會有較強的輻射能力，但是當(dāng)偶極子天線遠小于工作波長時，輻射能力會變得很差。

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的時候。

當(dāng)天線尺寸比較小時，兩個電荷之間的壓差會比較小，而原始的場強也比較小，閉合場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。

最后來一個簡單粗暴的公式，它簡潔的描述了天線增益和天線尺寸及波長之間的關(guān)系。

由這個公式可以看出，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？

出品丨EDA365

原創(chuàng)作者丨汪洋大海

排版編輯丨阿遲

插畫繪制丨彎彎