在現代通訊工程中,天線與無源器件是構成無線通信系統的基礎與核心。它們負責信號的發射、接收、傳輸與處理,其性能直接影響著整個通信系統的效率、穩定性和覆蓋范圍。本文將系統解析通訊工程中常用的天線類型與關鍵無源器件,闡述其基本原理、特性與應用場景。
天線是進行電磁波能量與導行波能量相互轉換的裝置。根據不同的分類標準,天線種類繁多,以下是幾種在通訊工程中最常見和關鍵的天線類型。
原理與結構: 偶極子天線是最基本的天線形式之一,由兩根對稱的直導體組成,總長度通常為工作波長的一半,故又稱“半波振子”。其輻射方向圖在垂直于天線軸的方向上最大,呈“8”字形。
特性與應用: 結構簡單,易于設計和制造,常用作參考天線和陣列天線的單元。廣泛應用于調頻廣播、電視接收以及作為許多復雜天線(如八木天線)的驅動單元。
原理與結構: 可視為偶極子天線的一半,垂直安裝在一個接地的導電平面上(地網)。其長度為四分之一波長,因此也稱為“四分之一波長天線”。
特性與應用: 輻射方向圖在水平面內全向,垂直面內沿地面方向輻射最強。因其結構緊湊,廣泛用于車載通信、手持對講機、移動通信基站及各類便攜式無線設備中。
原理與結構: 由介質基板、接地板和上層的金屬輻射貼片構成。通過改變貼片的形狀(矩形、圓形等)和饋電方式,可以改變其諧振頻率和輻射特性。
特性與應用: 剖面低、重量輕、易于與電路板集成和批量生產。缺點是帶寬較窄。廣泛應用于全球定位系統(GPS)、無線局域網(WLAN)、射頻識別(RFID)及現代移動通信終端(如手機、平板電腦)中。
原理與結構: 由拋物面反射器和位于其焦點處的饋源組成。饋源輻射的球面波經拋物面反射后,轉變為方向性極強的平面波波束。
特性與應用: 增益極高,方向性極好。主要用于需要高增益、遠距離、點對點通信的場景,如衛星通信地面站、微波中繼通信、射電天文以及雷達系統。
原理與結構: 由多個(數十至數千個)天線單元按一定規則排列而成,通過控制每個單元的饋電相位,可以在不物理轉動天線的情況下,實現波束在空間的快速掃描和賦形。
特性與應用: 波束指向靈活、掃描速度快、可靠性高(個別單元失效影響小)。是第五代移動通信(5G)大規模MIMO、先進雷達(如預警雷達、艦載雷達)和衛星通信的關鍵技術。
無源器件是指在工作中不需要外部電源,即可對信號進行傳輸、分配、衰減、濾波、隔離等處理的元器件。它們是構建射頻前端、天線饋電網絡及測試系統不可或缺的部分。
功能: 將一路輸入信號等分或按特定比例分配到多路輸出(功分器),或將多路信號合成一路輸出(合成器)。
原理與類型: 基于傳輸線理論設計,常見的有威爾金森功分器(具有良好的端口隔離和匹配特性)。
應用: 天線陣列的饋電網絡、功率放大器的功率合成、多通道測試系統的信號分配等。
功能: 一種四端口器件,能夠從主傳輸線中耦合出一小部分信號功率到耦合端口,同時保證主線路信號傳輸基本不受影響。
原理: 通過兩條緊耦合的傳輸線實現能量的定向耦合。
應用: 主要用于信號的采樣監測(如功率、頻率)、反射測量(與檢波器結合構成駐波比測試儀)以及功率的分配與合成。
功能: 均為非互易三端口器件,允許信號沿特定方向環行傳輸(環形器),或僅允許信號單向通過并吸收反向信號(隔離器,可視為單方向的環形器)。
原理: 基于鐵氧體材料的旋磁效應,在外加磁場下實現。
應用: 隔離器常用于保護功率放大器免受來自天線端的反射功率沖擊;環形器常用于雙工器、雷達的收發切換等場合。
功能: 選擇性通過或抑制特定頻段的信號。
原理與類型: 由電感、電容、諧振腔或微帶線等構成諧振回路。主要類型有低通、高通、帶通、帶阻濾波器。
應用: 幾乎存在于所有射頻系統中,用于抑制帶外干擾和噪聲,選擇所需信道。如基站天線端的雙工器本質上就是兩個帶通濾波器的組合。
功能: 衰減器用于可控地降低信號功率電平;負載是單端口器件,用于吸收微波能量,提供良好的匹配終端。
類型: 衰減器有固定式、可調式、程控式;負載有固定式和滑動式。
應用: 衰減器用于調節信號強度、系統增益控制、測試系統電平匹配;負載用于吸收不需要的射頻能量,防止反射,是測試和系統調試中的基礎器件。
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天線與無源器件是通訊工程大廈的“磚瓦”與“關節”。理解并熟練應用各種天線,能夠根據覆蓋、容量、環境等需求進行合理選型與設計;而掌握無源器件的特性,則能有效地構建穩定、高效的信號傳輸與處理鏈路。隨著5G/6G、物聯網、衛星互聯網等技術的飛速發展,對天線(如大規模陣列天線、智能天線)和無源器件(如高集成度、低損耗、寬頻帶)的性能提出了更高要求,其創新與優化將持續推動整個通信行業的進步。
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更新時間:2026-01-07 03:03:10