无线通信正以令人难以置信的速度发展。据 Statista 统计，在过去十年中，智能手机用户的数量几乎翻了两番。现在几乎每个行业都在使用无线设备。智能基础设施、物联网、智能汽车和娱乐业等领域都离不开先进的天线系统。本文介绍天线系统的基本原理、不同类型的天线，以及先进天线的未来。
现代天线类型的四个特性
当今先进的天线系统能够以更高的效率、更好的信号质量和更大的覆盖范围来发射和接收电磁波。为设计这些系统以获得最佳性能，工程师们会针对每种特定应用考虑天线的四个基本特性。
电磁频率
电磁辐射频率可以调节。这种可测量的水平称为 RF（射频），占据电磁频谱的特定频带。天线通过将电信号转换成电磁波进行发射和接收。应用决定这些波的频率。
例如，长距离超视距雷达天线可以发射和接收 3 至 30MHz 的低频电磁波，而 5G 天线可以发射和接收的频率高得多，范围为 450MHz 至 7GHz 以及 25GHz 至 52GHz。
天线带宽
简单的天线处理单一频率，而大多数先进的天线系统可处理一系列电磁频率。该范围就是天线的“带宽”。天线的带宽定义了支持的最低和最高频带之间的频谱宽度。
低带宽天线效率高，结构简单，不易受到干扰。然而，它们适应不断变化的通信标准的能力非常有限。它们基本上在有限的频率范围内工作。
高带宽天线在多个同步频带上提供更大的灵活性，并且通常结构紧凑。然而，这些天线更容易受到干扰。它们还需要精心的设计和信号解读系统，这使得它们昂贵且复杂。
天线的增益
天线的“增益”可以调整，将辐射能量导向并集中到特定方向。天线的增益以分贝 (dB) 为单位，决定了其发送或接收信号的有效性。广播天线将无线电信号同时发送到不同距离的不同接收器，从而产生几十分贝到几百分贝的极高增益值。与此同时，家用 Wi-Fi 天线的设计覆盖范围有限，增益很少高于 10 分贝。直观来看，天线增益值越高，产生信号所需的功率就越高。
信号极化
天线极化是指天线产生或接收的电磁波的电场分量的方向。天线极化可用来提高点对点天线的性能。极化主要有三种类型：垂直（线性）、水平（线性）和圆形。
- 垂直极化天线通常用于广播系统中，因为许多接收天线是垂直定向的，例如汽车天线。
- 水平方向通常用于长距离点对点通信，因为这些信号不太容易受到降雨（分散信号并降低完整性）等大气条件的影响。
- 圆极化天线常见于卫星通信系统。无论接收天线的方向或旋转如何，都可以使用，因为接收天线的方向或旋转经常会随着天线的移动而改变。
天线的基本类型
有几种常见的天线类型，每种类型都具有独特的特性，适合特定应用，而不适合其他应用。
偶极天线
偶极天线，如 Pulse Electronics W5017，是最容易识别的天线类型，通常用于无线电和电视广播，以及 Wi-Fi 路由器等无线通信系统。偶极天线通常具有针对特定频率优化的窄带宽。它们的增益适中，范围在 2dB 到 6dB 之间。鉴于它们的线性性质，它们可以在垂直和水平极化下工作。
抛物面反射天线
抛物面反射天线，如 2867885，通常被称为“圆盘式卫星天线”，日常用于卫星通信系统，但也可以用于长距离点对点通信链路。抛物面反射天线具有中等至宽带宽，从而比偶极天线支持更多的频率。它们以高增益著称，增益范围为 20dB 至 100dB，支持线极化和圆极化。
阵列天线
阵列天线由按照一定规律排列的多个独立天线元件组成。通过有意控制每个天线单元的相位和幅度，阵列天线可以提供波束成形，并将信号波束导向接收器，以改善信号质量。这些天线系统因应用而异，可以实现中等至宽带宽。它们可以提供 10dB 至 30dB 的中等增益，并且可以适应线性（水平或垂直）和圆极化。然而，阵列天线的极化是单个天线单元极化的函数。 阵列天线经常出现在电信塔的顶部和人口稠密的城市地区。这些阵列天线系统支持复杂的通信基础设施，如 5G 天线、MIMO（多输入多输出）基础设施等。
贴片天线
Abracon APAGM2704A-C2G 等贴片天线是一种非常轻薄的天线，用于便携式设备和其他无线通信设备。这些天线由安装在电介质基板上的扁平金属贴片组成，可以设计为支持线极化和圆极化。贴片天线通常具有范围从 2dB 到 9dB 的中等增益值，并且根据其配置可以实现中等到宽带宽。
未来的先进天线系统
支持无线天线类型的基本物理原理永远不会改变，但控制、优化和提升天线通信效率的系统只会继续发展。不同类型天线的使用取决于天线功能的频率、带宽、增益和极化。现代无线系统包括本文列出的天线类型，以及利用相同基本类型天线的专用天线。任何无线系统的整体性能都可能受到所用天线的显著影响，但也可能受到信号控制系统的操纵。
天线技术的许多先进应用利用复杂的控制系统，例如 MIMO、波束成形、分布式天线、多路复用和空间分集系统。这些应用使用本文中提到的相同核心属性，但可以显著提高当前和未来无线通信系统的通信性能。有关这一主题的更多信息，请查看我们的另一篇文章“天线技术的高级应用”。
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