天线原理和应用，盐水和塑料一样可以造天线了

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• 1、天线原理和应用：通信天线不再是金属制，盐水和塑料一样可以造天线了
• 2、天线原理和应用，天线究竟是如何工作的

1、天线原理和应用：通信天线不再是金属制，盐水和塑料一样可以造天线了

✍现在，盐水和塑料可以用来制作天线了！

他们代替金属形成无线电信号，这种新天线可以使甚高频和超高频信号的传送变得更加容易。

图1 通信基站的天线，白色的东东

✈那么什么是VHF和UHF信号？

图2 无线电频谱

日常生活中的电磁通信，都是依赖某种频率的电磁波，某段频率一旦划给某种通信系统使用，那么其他系统就不能使用了，否则会造成严重的干扰。

这样说来，频谱资源具有稀缺性，无法增加也不会减少，因此显得极度珍贵。

根据国际电信联盟定义，

目前人类可以识别使用的电磁波频率范围从3kHz~300GHz。

为了方便表述，3kHz~300GHz的频段根据频率高低被分成了：

VLH(甚低频)\LF(低频)\MF(中频）\HF(高频)\VHF(甚高频)\UHF(超高频)\EHF(极高频)和THF(太赫兹辐射)共8个部分。

『书归正传』

天线是个什么东东？

日常生活中，我们天天抱着手机，手机的网络信号就是靠基站的天线哦。

图3 基站与手机(用户)的网络连接，靠的是天线发射信号

班长在前面的文章中，也提到了天线的原理，这里再简要复习一下：

手机双天线设计，支持同时接入4G LTE和5G网络

中学物理中，我们学习过，当给两个金属极板（电容）通电后，就会在极板之间产生电场。

图4 电容在通电后，两个极板积聚电荷

如果此时换成交变的电流，那么就会产生变化的电场，变化的电场会产生磁场，磁场再产生电场......

图5 天线辐射的从弱到强

有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，如此循环，就有了电磁场和电磁波┅

现在，我再把极板的角度“张开”一些，有助于“电磁场”向外“泄露”，这就形成了天线啦。

图6 电磁波的动态过程

产生电场的这两根直导线，就叫做振子。通常两臂长度相同，所以叫对称振子。

图7 天线的动态示意图

长度像下面这样的，叫半波对称振子。

图8 半波对称振子天线

液态金属与天线

液体天线中的液体，当然不是随便灌注的液体，而是导电的液体。

用导电液体取代普通天线辐射单元所使用的金属材料所构成的天线。

图9 各种各样形状的天线振子，都是金属的

液体天线有使用离子液体作辐射单元的，也有采用液态金属或液晶材料的。

相比于传统的金属天线，液体天线能够在不施加压力的状态下变化成各种形状，弯折也不会导致材料疲劳，甚至能在被破坏之后自我修复并且能消除空气缝隙，具有巨大的优势和发展前景。

图10 终结者电影中的液态金属机器人

液态金属的研究从上世纪七十年代就开始了，主要运用军事领域。

图11 2017年美空军在“国防部实验室日”展示液态金属天线样机

上世纪九十年代末起，国外科学家开始重点研究镓合金，代替汞开展液态金属的机理探索和应用研究。

镓无毒，在手掌上就可化为液态，合金性能稳定，具有良好的介电性能和热胀冷缩性能。通过加入其他元素，可形成镓合金来调节熔点。

图12 液态金属

研究表明，当镓中加入铟元素，形成的镓铟共晶合金，其熔点可在零摄氏度以下，用于电路设计，可通过机械、电压等外部作用，对电路中镓铟液态金属的形貌、位置等进行控制，可实现灵活设计，且易于电路重构，颠覆了传统铜制电路灵活性不足且难以更改重构的缺点。液态金属天线设计有多个不同形状的微通道，微通道内注入液态金属。

液态金属熔点极低，如镓铟合金的熔点只有-28℃，室温下呈液态，具有流动性，具备优良的导电性。

图13 液态金属天线工作原理

通过对天线中的液态金属施加拉普拉斯真空压力，可使其流动至微通道的不同位置，改变天线的物理结构(天线电路结构、形状)，可使液态金属天线的频率从吉赫兹频率转换至兆赫兹或太赫兹频率，实现按需调整天线频率。

而常规天线一般只能在固定频率范围内工作，无法动态改变频率。

液体天线

液体天线，并不是液体的天线：

这些天线使用流体金属发射和接收无线电信号，在需要甚高频或超高频频率(频率在30MHz至3000MHz之间)的情况下会非常有用。

他们相比传统的金属天线，往往体积很小、更容易重构。

由于这些原因，它们也正在被研究人员应用于物联网和5G。

现在，研究人员已经开发出一种先进的基于液体的天线系统，它依赖于一种现成的成分：盐水。

图14 盐水

依靠盐水的液体金属天线有更多的好处，因为相比于液态金属，它是现成的、成本低、生态友好。

到目前为止，已经存在了几种盐水天线，但这些天线在波束引导和赋形方面存在缺陷。

图15 电磁波束主要向着一个用户覆盖

什么是波束赋形？

天线会朝着四面八方发射电磁波，如果能够将无线电信号的能量集中到给定的用户手机上，就意味着可以提高传输的范围和效率。

图16 俯看、水平看、3维空间的天线辐射

如果知道用户手机的位置，并确信它将保持不变，你可以简单地使用一个天线，它的形状主要是从一个方向发射能量并指向它。

但是如果接收器手机的位置不确定，或者它在移动，或者你想换一个不同的接收器，那么事情就变得很棘手。

在这种情况下，常常会引入一种叫做波束引导或波束赋性的技术。

Beam-steering or Beamforming

5G网络中将大规模的采用这种技术。

图17 天线主要覆盖写字楼区域，其他区域减少能量辐射

波束引导可以让你调整天线的焦点，而不必移动它来指向不同的方向。

它涉及到在天线处调整一组无线电波的相对相位：这些波可以在不需要的方向上相互抵消，并在你想要发送的方向上加强信号。

不同的波束模式或状态也是可能的。

例如，如果在一个给定的方向向多个接收器手机用户，发送相同的信号，你可能想要一个更宽的波束；

如果你只与一个用户手机相互，则需要一个更窄的波束。

一种新的盐水天线

然而，在最近发表的IEEE一篇文章中，南京航空航天大学的研究者们提出了一种新的盐水基天线。

它可以实现12个定向波束状态和一个全向状态。

它的圆形结构允许全量360度的波束转向，工作频率在334到488兆赫之间。

该设计由一个圆形的地面平面组成，有13个透明的丙烯酸管，可根据需要填充(或排空)盐水。

一根管子位于中心，作为驱动单极子(无线电信号通过管底部的铜盘馈入)。

周围是12个所谓的寄生单极子。

当只有驱动的单极子被激发时，这就产生了一个全向信号。

但剩下的12个单极，当充满水，一起工作作为反射器，并给出广播信号方向。

图18 暗室中测试的盐水天线

设计这种天线最具挑战性的部分是如何有效和高效地控制水寄生单极，为了做到这一点，研究团队开发了一种使用微型泵的液体控制系统，这种系统也可以应用于其他液体天线或天线阵列。

使用水单极装置的一个吸引人的特点是：水的高度和激活状态都可以通过微流控技术进行动态调节，而微流控技术比金属天线具有更高的设计灵活性。

更重要的是，如果不使用，天线可以完全“关闭”。

当天线完全关闭和排水时，雷达几乎无法探测到。

击落美军无人机？原理学会了，就差个雷达系统了

相比之下，这种效果很难用金属天线实现。

新天线的工作范围为334兆赫至488兆赫，这使得它成为极高频天线(如物联网和海上应用)的一个有力竞争者。

但是，盐水天线也有一个限制：

盐水的介电常数(衡量它与电场的相互作用方式)对温度变化很敏感。

2、天线原理和应用，天线究竟是如何工作的

天线广泛应用于电信领域，比如无线电通信、广播、电视等。

天线接收到电磁波并将其转换为电信号，或接收电信号并将其作为电磁波辐射。

在这篇文章中，让我们来看看天线背后的科学。

如果我们有一个电信号，那么我们如何将其转换为电磁波呢？

你的脑海中可能有一个简单的答案：那就是使用一个闭合的导线，在电磁感应原理的帮助下，将能够产生一个波动的磁场和周围的电场。

然而，源周围的这种波动场在信号的传输中是没有用处的。

这里的电磁场不传播，它只是波动。

在天线中，源周围的电磁波需要与源分离，它们应该传播。

在研究如何制作天线之前，让我们先了解一下天线的物理原理。

波分离考虑放置一个正电荷和一个负电荷，这种排列很近的一对电荷称为偶极子，它们显然会产生如图所示的电场。

假设这些电荷是如图所示，在其路径的中点振荡，速度将达到最大值，并且在它们的路径末端，速度将为零，由于速度的变化，带电颗粒将经历连续的加速和减速。

现在的挑战是找出如何使电磁场由于这种运动而变化。

让我们只专注于一个电场线，在时间为零时形成的波前扩展并变形，在八分之一的时间段之后。

如图所示：

你可能会感到惊讶，期望在此位置显示一个如下图所示的简单的电场：

为什么电场扩展形成一个像这样的电场呢？

是因为加速或减速电荷会产生一些电场记忆效应，旧的电场不容易适应新的电场，我们需要花一些时间来理解这种记忆效应电场或扭结产生的加速或减速电荷，

我们将在另一篇文章中更详细地讨论这个有趣的话题。

如果我们继续以同样的方式分析，我们可以看到，在一个四分之一的时间周期内，波前端在一个点相遇：

在这之后，波前发生分离和传播。

请注意，这种变化的电场会自动产生一个垂直于他的变化的磁场。

如果你画出电场强度随距离的变化，你可以看到波的传播是本质上是正弦的。

有趣的是，所产生的传播波长正好是偶极子长度的两倍。

这正是我们在天线中所需要的，简而言之，如果我们能安排振荡正电荷和负电荷，我们就能制造天线。

在实践中这种振荡电荷的生产很容易，取一个在中心弯曲的导电棒并施加一个中心的电压信号，假定这是随时间变化的信号，考虑这样一种情况，在时刻0由于电压的影响，电子将从偶极子的右边移出，并且将是积累在左边。

这意味着失去电子的另一端会自动带正电。

这种安排产生了与之前的偶极子电荷情况相同的效果，即在导线的末端有正电荷和负电荷，随着电压随时间的变化，正电荷和负电荷会来回穿梭，从而产生了波的传播。

我们现在已经看到了天线作为发射机的工作原理，发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同：

因为传播以光速传播，所以我们可以很容易地计算出传播的波长：

为了实现完美的传输，天线的长度应该是波长的一半。天线的操作是可逆的，它可以像接收器一样工作。

如果传播的电磁场击中它，我们将再次使用同一根天线并在此时施加电场，电子将累积在棒的一端，这和电偶极子是一样的，当外加电场改变正负电荷在另一端积累时，变化的电荷积累意味着在天线中心产生一个变化的电压信号。

该电压信号是天线作为接收机工作时的输出，输出电压信号的频率与接收到的a.m.波的频率相同。

从电场结构可以清楚地看出，为了获得理想的接受效果，天线的尺寸应该是波长的一半。

在所有这些讨论中，我们已经看到天线是一个开路，现在让我们看看一些实际的天线和它们是如何工作的。

在过去，电视接收用的是偶极子接收天线，彩色条作为偶极子接收天线，这种天线还需要一个反射器和导向器来将信号聚集在偶极子上，这种完整的结构被称为Yagi-Uda天线。

偶极天线将接收到的信号转换成电信号，这些电信号通过同轴电缆传送到电视单元。

如今，我们已经转向Dish电视天线，其中包括两个主要组成，一个抛物面状反射镜和一个低噪声块下变频器。

抛物面接收来自卫星的电磁信号并将它们聚焦到lnbf上，抛物线的形状很特别，经过专门且精确设计。

lnbf由一个馈电喇叭、波导、PCB和探头组成。

在下图中，你可以看到传入的信号是如何通过馈电喇叭和波导聚焦到探头上的。

就像我们在简单偶极子情况下看到的那样，会感应出电压，如此生成的电压信号会馈送到PCB进行信号处理。

例如从高频到低频的滤波转换和信号处理后的放大，这些电信号通过一个同轴电缆传送到电视单元。

如果你打开一个Lnb你很可能会发现两个探测器而不是一个，第二个探针垂直于第一个探针，意味着可用频谱可以使用两次通过发送水平或者垂直极化。

一个探头检测水平极化信号，另一个探头检测垂直极化信号。

你手中的手机使用完全不同的天线，称为贴片天线，贴片天线由放置在接地面上的金属贴片或条组成，中间有一块介电材料，这里金属贴片用作辐射元件，金属贴片的长度应为适当发射和接收的波长的一半。

请注意，我们在此处说明的贴片天线的描述是非常基本的。

出品丨EDA365电子论坛

译制丨巢影字幕组

排版编辑丨巢妹

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