Magine伸出你的手，抓住文字，圖片和 信息傳遞。這或多或少是一個(gè) 天線 (有時(shí)稱為天線)確實(shí)：它是金屬棒或碟子 捕獲無線電波并將其轉(zhuǎn)化為饋送的電信號(hào) 變成類似的東西 收音機(jī) 或 電視 或 電話 系統(tǒng)。 像這樣的天線有時(shí)被稱為接收器。發(fā)射器是 與接收器相反的不同類型的天線： 它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線電波，以便它們可以傳播 有時(shí)繞地球數(shù)千公里甚至進(jìn)入太空 然后回來。天線和發(fā)射器是幾乎所有產(chǎn)品的關(guān)鍵 現(xiàn)代電信的形式。讓我們仔細(xì)看看什么 他們是以及他們是如何工作的!

　　照片：澳大利亞巨大的70米(230英尺)堪培拉深碟形衛(wèi)星天線。

　　天線的工作原理

　　假設(shè)你是一家廣播電臺(tái)的老板，你想 將您的程序傳輸?shù)礁鼜V闊的世界。你是怎么做到的?

　　你使用 麥克風(fēng) 要捕獲 聽 起來 人們的聲音和轉(zhuǎn)彎 他們進(jìn)入電氣 能源.你拿那個(gè) 電力 而且，松散地 說起來，讓它沿著高大的金屬天線流動(dòng)(增強(qiáng)它 動(dòng)力很多次，所以它會(huì)像你需要的那樣傳播到世界上)。作為 電子(內(nèi)部的微小粒子 原子) 在電流中沿 天線，它們創(chuàng)造了隱形 電磁輻射 以收音機(jī)的形式 波。這些波，部分是電波，部分是磁波，以 光，帶上你的收音機(jī) 與他們一起編程。當(dāng)我打開家里的收音機(jī)時(shí)會(huì)發(fā)生什么 幾英里外?您發(fā)送的無線電波流經(jīng)金屬天線 并導(dǎo)致電子來回?cái)[動(dòng)。這將產(chǎn)生一個(gè) 電流 - 一個(gè)信號(hào) 電子的 我的組件 收音機(jī)變回我能聽到的聲音。

　　插圖：發(fā)射器如何向接收器發(fā)送無線電波。1)流入發(fā)射器天線的電流使電子上下振動(dòng)，產(chǎn)生無線電波。2)無線電波以光速在空氣中傳播。3)當(dāng)波到達(dá)接收器天線時(shí)，它們使電子在其內(nèi)部振動(dòng)。這會(huì)產(chǎn)生重新產(chǎn)生原始信號(hào)的電流。

　　發(fā)射器和接收器天線通常非常相似 設(shè)計(jì)。例如，如果您正在使用衛(wèi)星電話之類的東西 可以向任何其他地方發(fā)送和接收視頻電話 在地球上使用太空 衛(wèi)星、您發(fā)送和接收的信號(hào) 所有這些都通過一個(gè)衛(wèi)星天線 - 一種特殊的天線 形狀像一個(gè)碗(技術(shù)上稱為 拋物面反射器, 因?yàn)楸P子以稱為拋物線的圖形形狀彎曲)。

　　照片：拋物面反射盤(1)捕捉入射波并將其反彈至 一個(gè)更小的集中“副反射器”，位于碟子的上方和中心(2)，它們來自該碟子 向下反射以進(jìn)行處理 (3)。像這樣的碟子也可以用作發(fā)射器，只需發(fā)送 相反方向的無線電波束。深空網(wǎng)絡(luò)天線圖片由深空網(wǎng)絡(luò)提供 美國宇航局.

　　經(jīng)常 但是，發(fā)射器和接收器看起來非常不同。電視或收音機(jī) 廣播天線是巨大的桅桿，有時(shí)延伸數(shù)百根 米/英尺到空中，因?yàn)樗鼈儽仨毎l(fā)送強(qiáng)大的信號(hào) 長距離。(我經(jīng)常收聽的其中一個(gè)，在 薩頓科爾菲爾德 在英國， 有一個(gè)270.5米或887英尺高的桅桿，大約有150個(gè)高的人站著 在彼此之上。但是你不需要電視上那么大的東西 或家里的收音機(jī)：一個(gè)小得多的天線就可以很好地完成這項(xiàng)工作。

　　波并不總是在發(fā)射器到接收器的空氣中掠過。根據(jù)我們想要發(fā)送的波的種類(頻率)，我們想要發(fā)送多遠(yuǎn)的波，以及我們想要發(fā)送的時(shí)間，實(shí)際上有 三 波浪傳播的不同方式：1)通過視線;2)通過地波;3)通過電離層。

　　藝術(shù)品：波如何從發(fā)射器傳播到接收器：1)通過視線;2)通過地波;3)通過電離層。

　　正如我們已經(jīng)看到的，他們可以通過所謂的射擊 “視線”，在一條直線上——就像一束光。在老式的長途電話網(wǎng)絡(luò)中，微波被用來在非常高的通信塔之間以這種方式傳輸呼叫。 (光纖電纜 在很大程度上使它過時(shí)了)。

　　照片：使用視線通信的天線需要像這樣安裝在高塔上。你可以看到天線的細(xì)偶極子從頂部伸出來，但你在這里看到的大部分只是將天線高高舉起的塔。照片由Pierre-Etienne Courtejoie提供，由美國陸軍提供。

　　它們可以在所謂的地波中繞地球曲率旋轉(zhuǎn)。AM(中波)無線電傾向于以這種方式傳播短到中等距離。這就解釋了為什么我們可以聽到地平線以外的無線電信號(hào)(當(dāng)發(fā)射器和接收器不在彼此的視線范圍內(nèi)時(shí))。

　　他們可以沖向天空，從 電離層 (地球高層大氣的帶電部分)，然后再次回到地面。這種效果在夜間效果最好，這就解釋了為什么遙遠(yuǎn)的(外國)AM廣播電臺(tái)在晚上更容易接收。在白天，射向天空的波被電離層的較低層吸收。在晚上，這不會(huì)發(fā)生。相反，電離層的更高層捕獲無線電波并將其拋回地球 - 為我們提供了一個(gè)非常有效的“天空鏡”，可以幫助攜帶很長的距離無線電波。

　　天線必須有多長?

　　最簡(jiǎn)單的天線是連接到 收音機(jī)。我11歲或12歲時(shí)制造的第一臺(tái)收音機(jī)是一臺(tái) 水晶套裝 具有長循環(huán) 銅 電線充當(dāng)天線。我運(yùn)行了 天線就在我臥室天花板周圍，所以它一定是 總共約20-30米(60-100英尺)長!

　　大多數(shù)現(xiàn)代晶體管無線電至少有兩個(gè)天線。其中之一 它們是一根長而閃亮的伸縮桿，從外殼中拉出并 旋轉(zhuǎn)以拾取FM(調(diào)頻)信號(hào)。這 另一個(gè)是外殼內(nèi)的天線，通常固定在主 電路板，它拾取AM(調(diào)幅)信號(hào)。 (如果您不確定 FM 和 AM 之間的區(qū)別，請(qǐng)參閱我們的 收音機(jī) 》一文。

　　為什么收音機(jī)中需要兩個(gè)天線?這些信號(hào) 不同的波段由不同波段的無線電波攜帶 頻率和波長。典型的AM無線電信號(hào)具有頻率 1000 kHz(千赫茲)，而典型的 FM 信號(hào)約為 100 MHz (兆赫茲)——所以它們的振動(dòng)速度快了大約一百倍。由于所有無線電 波以相同的速度傳播(光速，即300，000 公里/秒或每秒 186，000 英里)，AM 信號(hào)有 波長大約是FM信號(hào)的一百倍。你需要兩個(gè) 天線，因?yàn)閱蝹€(gè)天線無法拾取如此巨大的 不同的波長范圍。它是波長(或頻率，如果 你更喜歡)你試圖檢測(cè)的無線電波 確定您需要使用的天線的尺寸和類型。從廣義上講，簡(jiǎn)單(桿型)天線的長度必須約為波長的一半 您嘗試接收的無線電波(也可以制作 波長為四分之一的天線，波長約為十分之一的緊湊型小型天線， 以及更小的膜天線，盡管我們不會(huì)在這里討論)。

　　天線的長度并不是影響波長的唯一因素 你要撿起來;如果是，則具有固定天線長度的收音機(jī) 永遠(yuǎn)只能接收一個(gè)電臺(tái)。天線將信號(hào)饋入調(diào)諧電路 在無線電接收器內(nèi)部，旨在“鎖定”一個(gè)特定頻率并忽略其余頻率。 最簡(jiǎn)單的接收器電路(就像水晶收音機(jī)中的電路一樣) 無非是一圈電線，一個(gè) 二極管，以及 電容器，它將聲音輸入聽筒。 電路響應(yīng)(技術(shù)上， 共鳴，這意味著電振蕩)以您調(diào)諧的頻率 并丟棄高于或低于此頻率的頻率。通過調(diào)整電容器的值， 您可以更改諧振頻率，這會(huì)將收音機(jī)調(diào)諧到其他電臺(tái)。 天線的工作是從傳遞的無線電波中獲取足夠的能量，以使 電路以恰到好處的頻率諧振。

　　AM和FM天線：它的長短

　　讓我們看看它是如何在 FM 上工作的。如果我試著聽一個(gè)典型的 在 100 MHz (100，000，000 Hz) 的 FM 頻率上進(jìn)行無線電廣播， 攜帶我的程序的海浪長約3米(10英尺)。所以理想 天線長約1.5米(4英尺)，大致是 伸縮式 FM 無線電天線完全伸展時(shí)的長度。

　　照片：典型晶體管收音機(jī)內(nèi)的AM“環(huán)棒”天線 非常緊湊且具有高度的方向性。構(gòu)成天線的粉紅色電線纏繞在厚鐵氧體磁芯(黑色棒)上。通常，正如您在這里看到的，同一鐵氧體棒上有兩個(gè)獨(dú)立的天線：一個(gè)用于AM(中波)，一個(gè)用于LW(長波)。

　　現(xiàn)在對(duì)于AM，波長大約是AM的100倍，所以你為什么不 需要一個(gè) 300 米(0.2 英里)長的天線來拾取它們? 好吧，你確實(shí)需要一個(gè)強(qiáng)大的天線，你只是不知道它在那里! 晶體管收音機(jī)內(nèi)部的AM天線的工作方式非常不同 通往外面的 FM 天線的方式。 FM 天線拾取 電 無線電波的一部分， AM天線與 磁性部分 相反。 它是一段非常細(xì)的電線(通常 幾十米)在鐵氧體(鐵基磁)磁芯周圍循環(huán)幾十到幾百次，鐵氧體磁芯極大地集中了無線電信號(hào)的磁性部分，并在纏繞在它們的導(dǎo)線中產(chǎn)生(“感應(yīng)”)更大的電流。 這意味著像這樣的天線可能非常小，但仍然具有沖擊力。 如果沒有鐵氧體棒，環(huán)形天線要么需要更多的導(dǎo)線匝數(shù) (所以幾千而不是幾百或幾十)或電線環(huán) 需要大很多。這就是為什么收音機(jī)的外部天線有時(shí)會(huì)占用 大環(huán)的形式，直徑可能為10-20厘米(4-8英寸)左右。

　　藝術(shù)品：頂部：電磁無線電波由振動(dòng)的電波(藍(lán)色)和磁波(紅色)組成，以光速一起傳播(黑色箭頭)。下圖：左：FM天線拾取FM無線電波中相對(duì)較短波長的高頻電部分。右圖：AM鐵氧體環(huán)形天線拾取并集中較長波長、較低頻率電磁波的磁性部分。

　　到目前為止一切順利，但是呢 手機(jī)?為什么他們只需要短而粗 像這張照片中的天線?手機(jī)也使用無線電波，也以光速傳播， 典型頻率為 800 MHz(大約是 FM 收音機(jī)的十倍)。 這意味著它們的波長比FM收音機(jī)短約10倍，因此它們需要 大約十分之一大小的天線。在智能手機(jī)中，天線通常會(huì)伸展 在外殼內(nèi)部周圍。讓我們看看它是如何計(jì)算的：如果 頻率為800MHz，波長為37.5厘米(14.8英寸)，波長的一半 身高 18 厘米(7.0 英寸)。我目前的LG智能手機(jī)長約14厘米(5.5英寸)，所以你可以看到 我們處于正確的球場(chǎng)。

　　照片：1)這種伸縮式FM無線電天線拉出約1-2米(3-6英尺左右)的長度，大約是它試圖捕獲的無線電波長度的一半。2)手機(jī)的天線特別緊湊。較舊的天線(如左側(cè)的摩托羅拉)具有粗短的外部天線或伸縮天線。 (天線的暴露部分是我的手指指向的位和 還有另一個(gè)我們看不到的部分在外殼內(nèi)的電路板邊緣運(yùn)行。 較新的手機(jī)(如右側(cè)的諾基亞型號(hào))在外殼內(nèi)完全內(nèi)置了更長的天線。

　　更多類型的天線

　　最簡(jiǎn)單的無線電天線只是長直桿。多 室內(nèi)電視天線采用 偶 極 子：一根金屬棒分成兩塊， 水平折疊，所以看起來有點(diǎn)像一個(gè)人直立 雙臂水平伸展。更精致的戶外 電視天線有許多這樣的偶極子沿著中心排列 支撐桿。其他設(shè)計(jì)包括圓形環(huán)線和， 當(dāng)然，拋物線衛(wèi)星天線。為什么有這么多不同的設(shè)計(jì)? 顯然，無論如何，從發(fā)射器到達(dá)天線的波都是完全相同的。 天線的形狀和大小恰好是。不同模式的偶極子將有助于集中信號(hào)，使其更容易檢測(cè)。通過添加未連接的“虛擬”偶極子(稱為導(dǎo)向器和反射器)，可以將更多的信號(hào)反射到實(shí)際的接收偶極子，從而進(jìn)一步增加這種效果。 這相當(dāng)于增強(qiáng)信號(hào)，并且能夠拾取比簡(jiǎn)單天線更弱的信號(hào)。

　　圖稿：四種常見的天線類型(紅色)和它們拾取最好的地方(橙色)：基本偶極子、折疊偶極子、偶極子和反射器以及八木。基本或折疊偶極子天線在其極點(diǎn)的前面或后面拾取得同樣好，但在兩端都很好。帶有反射器的天線在一側(cè)的拾取效果比另一側(cè)好得多，因?yàn)榉瓷湓?左側(cè)的紅色偶極子狀條)將更多的信號(hào)反射到右側(cè)折疊的偶極子上。八木更加夸大了這種效果，在一側(cè)接收到非常強(qiáng)的信號(hào)，而在其他任何地方幾乎沒有信號(hào)。它由多個(gè)偶極子、反射器和導(dǎo)向器組成。

　　天線的重要特性

　　天線的三個(gè)特性特別重要，即方向性、增益和帶寬。

　　方向性

　　偶極子非常 定向：它們拾取傳入的無線電波，這些無線電波在 與它們成直角。這就是為什么電視天線必須正確 安裝在您的家中，并面向正確的方式，如果您要 獲得清晰的圖片。FM收音機(jī)上的伸縮天線較少 顯然是方向性的，特別是如果信號(hào)很強(qiáng)：如果你 讓它筆直向上，它將捕獲來自 幾乎任何方向。收音機(jī)內(nèi)部的鐵氧體AM天線是 更具方向性。聽AM，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你 需要旋轉(zhuǎn)你的收音機(jī)，直到它拿起一個(gè)非常強(qiáng)大的 信號(hào)。(找到最佳信號(hào)后，請(qǐng)嘗試將收音機(jī)正好旋轉(zhuǎn) 90 度，并注意 信號(hào)經(jīng)常幾乎消失到零。

　　雖然高度定向的天線 可能看起來很痛苦，當(dāng)它們正確對(duì)齊時(shí)，它們有助于減少 來自您正在嘗試的電臺(tái)或信號(hào)附近的干擾 來檢測(cè)。但方向性并不總是一件好事。想想你的手機(jī)。 您希望它能夠在與 最近的電話桅桿，或者拾取消息，無論它碰巧指向哪個(gè)方向 躺在你的包里，所以高度定向的天線并不好。 同樣，對(duì)于 全球定位系統(tǒng) 告訴你你在哪里的接收器 使用來自多顆太空衛(wèi)星的信號(hào)。由于信號(hào)來自不同 衛(wèi)星，在天空的不同地方，因此它們來自不同的方向，所以，再次， 高度定向的天線將'沒有那么有幫助。

　　獲得

　　這 獲得 天線是一種非常技術(shù)性的測(cè)量，但是， 從廣義上講，歸結(jié)為它提高 信號(hào)。即使沒有 天線已插入。那是因?yàn)榻饘偻鈿ず推渌? 組件充當(dāng)基本天線，不聚焦在任何特定位置 方向，并默認(rèn)拾取某種信號(hào)。添加適當(dāng)?shù)?定向天線，您將 獲得 一個(gè)更好的信號(hào)。 增益以分貝 (dB) 為單位，(作為廣泛的經(jīng)驗(yàn)法則)增益越大 您的接待效果越好。就電視而言，您可以從復(fù)雜的產(chǎn)品中獲得更多收益 室外天線(例如，在平行“陣列”中具有 10-12 個(gè)偶極子的天線)比來自簡(jiǎn)單的偶極子。 所有室外天線都比室內(nèi)天線以及窗口和固定天線工作得更好 具有更高的增益，并且比內(nèi)置的更好。

　　帶寬

　　天線的 帶寬 是頻率范圍(或 波長，如果您愿意)，它可以有效工作。這 帶寬越寬，不同無線電的范圍越大 你可以撿起的波浪。這對(duì)電視之類的東西很有幫助， 您可能需要選擇許多不同的頻道，但很多 對(duì)電話、手機(jī)或衛(wèi)星通信不太有用 你感興趣的只是一個(gè)非常具體的無線電波 在相當(dāng)窄的頻段上傳輸。

　　照片：更多天線：1)為天線供電的天線 無線射頻識(shí)別標(biāo)簽 卡在圖書館的書里。它內(nèi)部的電路沒有電源：它從傳入的無線電波中獲取所有能量。2) PCMCIA 內(nèi)部的偶極子天線 無線上網(wǎng) 無線網(wǎng)絡(luò)卡。這個(gè)適用于波長為12.5cm的2.4GHz無線電波，這就是為什么它只需要大約6cm長左右。

　　誰發(fā)明了天線?

　　這個(gè)問題沒有簡(jiǎn)單的答案，因?yàn)闊o線電已經(jīng)演變成一種有用的東西。 技術(shù)貫穿 19 世紀(jì)下半葉，這要?dú)w功于相當(dāng)多的工作 很少有不同的人——理論科學(xué)家和實(shí)際實(shí)驗(yàn)者。

　　這些先驅(qū)是誰?蘇格蘭物理學(xué)家 詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 1864年左右想出了無線電理論， 和 海因里希·赫茲 證明無線電波在大約 20 年后確實(shí)存在(它們是 后來一段時(shí)間稱赫茲波以紀(jì)念他)。幾年后，1894年8月14日，在英國牛津的一次會(huì)議上，英國物理學(xué)家， 奧利弗旅館，演示了如何使用無線電波進(jìn)行信號(hào)傳輸 從一個(gè)房間到另一個(gè)房間，他后來(在他1932年的自傳中)將其描述為“一種非常幼稚的無線電電報(bào)”。 洛奇于 1898 年 2 月 1 日申請(qǐng)了“電報(bào)”的美國專利，描述了“操作員的設(shè)備，通過現(xiàn)在已知的 作為“赫茲波電報(bào)”，將信息跨空間傳輸?shù)蕉鄠€(gè)不同的 各地個(gè)人...“洛奇在那個(gè)階段不知道， 古列爾莫·馬可尼 正在進(jìn)行自己的實(shí)驗(yàn) 大約在同一時(shí)間，在意大利，并最終證明了他更出色的表演者：許多人認(rèn)為他 直到今天，“無線電的發(fā)明者”，而事實(shí)上，他只是一群有遠(yuǎn)見的人之一 幫助將電磁波科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N實(shí)用的、改變世界的技術(shù)。

　　藝術(shù)品：奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)在太空中將無線電波從發(fā)射器(紅色)發(fā)送到一定距離外的接收器(藍(lán)色)的插圖，取自他1898年的專利 US 609，154：電報(bào).由美國專利商標(biāo)局提供。

　　最初的無線電實(shí)驗(yàn)都沒有使用我們今天會(huì)立即識(shí)別的發(fā)射器或接收器。例如，赫茲和洛奇使用了一種名為 火花隙振蕩器：幾個(gè)鋅球連接到短長的銅線上，它們之間有氣隙。洛奇和馬可尼都使用 布蘭利凝聚體 (玻璃 裝滿金屬屑的管子)，用于檢測(cè)它們傳輸?shù)牟? 并收到了，盡管馬可尼發(fā)現(xiàn)它們“太不穩(wěn)定和不可靠”，并最終設(shè)計(jì)了自己的探測(cè)器。有了這種新設(shè)備， 他進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，研究天線的高度如何影響他可以傳輸?shù)木嚯x。 一個(gè)信號(hào)。

　　正如他們所說，其余的都是歷史!