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MarkHughes
在AntennaBasics系列的第二部分中，您将了解我们每天使用的天线背后的物理特性，包括介电常数，磁导率，增益，方向性等信息。
天线通过改变一个位置的电磁场并检测另一个位置的电磁场的变化来在位置之间传递信息。要了解天线如何将信息传输到越来越偏远的位置，您必须首先了解管理其操作的物理特性。
概观
天线基础知识简介提供了理解天线如何发送和接收信息所需的基本物理学的第一部分。本文将扩展前一篇文章的概念，包括近场和远场辐射图，介电常数，方向性和增益。
天线内部发生了什么？
想象一下，一根正弦波发生器连接到导线上，沿着导线长度产生时变电位差。在导线内部，电荷载流子由于施加的电位差而移动。由正弦波发生器产生的电位差的变化幅度和极性迫使电子不断加速，减速并改变沿着电线的行进方向。
首先，正弦波发生器沿一个方向移动电荷，产生随电压增加而增长的电场和磁场。在此期间，场不断变化，并且场的变化以快速但有限的速度向外传播。
随着发电机的循环继续，电压降低，磁场和电场的大小也减小。当正弦波发生器反转电压的极性然后增加电压的大小时，电荷载流子减速，改变方向，然后加速。这反转了电场和磁场的极性。
来自前一个半周期的最近发射的场和来自当前半周期的场产生了从天线向外传播的场强的交替极值。
赫兹偶极子产生的辐射。电线中电荷载流子的存在产生从电线发出的电场，电荷载流子的运动产生围绕电线的磁场，并且电荷的加速产生从电线向外传播的电磁波。
我强烈建议您查看麻省理工学院的JohnBelcher博士提供的一系列优秀视频，以更好地说明现场线路的变化。而且，如果你还记得多变量微积分，那么赛尔的电和磁学就比我在前面的讨论中提供的细节更详细。
靠近天线的区域，即dλ，被称为近场，并且以磁场为主。存在一到两个波长的过渡区，然后存在天线的远场区域，d2λ，其中电场变得更规则地图案化并占主导地位。
大多数天线在远场操作，并通过改变电场长距离传输信息。即使近场通信的范围限于几个波长，在天线附近的区域中利用强磁场的近场天线也变得越来越流行。
尽管诸如nRF24和蓝牙设备之类的无线电发射机具有有限的范围，但它们仍然使用远场通信-电场正在传输信息。RFID标签和NFC标签具有非常短的范围并且使用近场（即，磁性显着）通信。
辐射模式
上面的动画显示了恒定辐射功率密度的轮廓，随着时间向外传播，在通过垂直定向偶极天线的平面中描绘。这是三维辐射图案的二维切片。
由于复杂性，通常仅在天线周围描绘单个轮廓（等值线或等值面）以显示远场辐射图案。轮廓表面以天线为中心，轮廓线以与天线相交的正交平面为中心，通常围绕对称线。上面的赫兹偶极子在垂直方向上传输很少甚至没有能量。
将三维辐射图投影（作为二维图）到笛卡不同的天线设计产生不同的辐射模式模式的复杂性取决于天线的设计和构造。
天线规格表有时会带有三维投影。更常见的是，我们看到一个二维图，必须想象三维图案。
八木天线辐射方向图的极坐标和笛卡尔坐介电常数和渗透率
介电常数
MichaelFaraday注意到，当电介质（绝缘体）放置在平行板电容器的极板之间的间隙中时，电容会增加。这种现象是由于电介质介质内的电荷极化引起的。
介电常数是这些电荷在电场存在下如何容易地自我对准（极化）的量度。较高的介电常数表示对形成电场的阻力较大，并且扰动通过介质的传播较慢。
围绕低介电常数材料的高介电常数材料不会影响振荡频率，但高介电常数材料会降低波的传播速度。如果我们记得波速等于频率和波长的乘积，我们可以看到，如果频率保持不变，速度的降低必须伴随波长的相应减少。当波射出高介电常数材料时，波速和波长增加。
当天线嵌入高介电常数材料中时，天线的尺寸可以根据天线附近的电磁波的减小的波长而减小。
一些早期的GPS天线（f=1.56GHz）是60毫米乘60毫米和几毫米厚，电路进一步增加了单元的尺寸。通过将电路小型化技术与嵌入在高介电常数材料中的最新一代微带贴片天线配对，包括天线和电路的GPS单元可以以小型化的4mm×4mm×2.1mm厚的形状生产。
类似的技术用于允许和蜂窝电话具有谐振天线，该谐振天线基本上小于与在空气中传播相关的波长。
当波在不同介电常数的材料之间转变时，能量被反射。如果波从低介电常数（即高传播速度）材料移动到高介电常数（即低传播速度材料），则波将经历反转（即度相位）转移）。反射波可以与新波结合，产生“天线基础知识简介”中所见的各种干涉图案。
高速到低速波形转换。动画由宾夕法尼低速到高速波转换。动画由宾夕法尼亚渗透性
磁导率是材料在磁场中存储能量的能力。回想一下，天线发出的信号是电磁辐射的形式-涉及电场和磁场。因此，像介电常数一样，磁导率会影响电磁波的传播，这并不奇怪。实际上，介电常数和磁导率都会导致波速减慢和波长减小。
铁氧体棒环形天线，具有用于中波和长波为了强化介电常数和磁导率影响电磁辐射的速度（和波长）的观点，我们可以考虑“光速”，这实际上不仅是光的速度，而且是电磁辐射的速度。真空中的光速-宇宙中最快的速度，用c表示，用自由空间的介电常数和磁导率计算：
指向性，效率和收益
各向同性天线是在所有方向上均等地传播电磁能量的理论点源。总辐射功率是通过在围绕天线的半径为r的球体表面上积分功率通量密度来确定的（表面积=4πr2）。
积分代表理论总辐射功率。随着距离源的距离增加，积分球的表面积与球体半径的平方成比例地增加。来自各向同性发射器的能量均匀地扩散以覆盖这个越来越大的区域，因此电磁功率通量密度与距离源的距离的平方成比例地减小。
由于各向同性发射器的功率密度随距离迅速减小，因此天线工程师操纵从实际天线辐射的能量方向，以便在所需方向上增加功率密度并在其他方向上减小功率密度。
峰值方向性（或简称为方向性）是物理天线在其最集中方向上的功率密度与相同总功率传输水平的理论各向同性发射器的功率密度之比。
方向性表示为表示比率的常数或以dB为单位，较大的数字表示更多的聚焦光束。在所有方向上均匀辐射的天线将具有1（0dB）的方向性。由于缺乏在z方向上传输的能量，前面提出的赫兹偶极子具有1.5（1.76dB）的方向性。
天线可以根据其方向性在不同的应用中使用：
低方向性天线或多或少均等地从所有方向发送和接收信息。这些在移动应用中非常有用，其中发射器和接收器之间的方向可以改变。高方向性天线能够在更远的距离上发送和接收信息，但必须针对另一个天线。它们用于卫星电视等永久性安装。抛物面天线（例如卫星电视接收机中使用的天线）具有37.5dB的典型“定向增益”（或简称“增益”）。天线增益包括方向性以及天线的效率。
Gain=Efficiency×Directivity
效率考虑了由于制造缺陷，表面涂层损耗，缺陷，阻抗不匹配或任何其他因素导致的特定天线设计的实际损耗。虽然方向性总是大于或等于1（0dB），但天线增益可小于1（0dB）。
反光
天线的辐射方向图为我们提供了有关其在不同方向上的接收和发射特性的信息。辐射图案可以通过在前面添加定向元件（导向器）和在后面添加反射元件（反射器）来成形。
反射器重定向将辐射到天线后面的能量，使其沿向前方向传播。
图片来自TimothyTruckle（自己的作品在下面的旅行者号航天器之一的图像中可以看到天线反射器的一个例子。
旅行者及其卡塞格林天线。图片由美国宇接收时，它从大区域捕获能量并将其反射到接收元件。在传输时，它沿中心轴集中电磁辐射。由诸如此类的天线提供的增益极大地有助于在非常长的距离上成功传输信息。
另一方面，UHF电视天线在折叠偶极接收元件的远侧具有反射元件;它们收集并反射（朝向接收元件）否则会经过的无线电波。
UHF天线，最左边有四个反射器。图片来电路板
与反射元件一样，将引导元件添加到天线以形成辐射图案。它们的长度和间距设计成使得它们吸收能量并将其与波直接传播到接收元件或直接从传输元件同相地重新发射。这产生了建设性干扰，仅适用于天线的正向;来自侧面的波被吸收并重新异相，导致破坏性干扰。
结论
您可以通过设计和测试天线来开展自己的职业生涯，但是您更有可能需要了解天线的规格表以及如何将天线整合到您的设计中。
我希望这篇文章和它之前的一个系列中都能够为您提供更好的理解天线行为和特征。
