ANSYS BLOG
February 21, 2023
常見的天線設計簡介
如果你正在用手機或筆記本電腦閱讀這篇文章，那麼要感謝的是天線的存在。天線是我們生命中不可或缺的一環，從電動遊戲到為汽車的導航系統提供動力，甚至使推動深空小行星的一切都成為可能。但是儘管天線已經無處不在，但天線的設計和應用卻千差萬別。
天線如何運作？
從簡單的偶極線天線到相控多輸入多輸出 (MIMO) 陣列，所有天線本質上都做同樣的事情——發送和接收電磁訊號。 為此需將電訊號轉換為可傳輸的電磁，接著訊息會以特定波長透過空氣發送，由位於所需目的地的另一根天線接收和拆解。
Example of a horn antenna
透過在太空中發送訊號，天線使我們能夠以光速進行遠距離通訊。這種無線連接對於我們跨行業、領域的進步至關重要，包括醫療保健、航空航天、通訊和移動。 隨著天線應用的不斷增長，每個案例所需的天線類型也在隨之增長。
為什麼有不同類型的天線？
範圍和可用空間等多種因素決定了給定應用的最佳天線類型。例如，用於保持飛機與控制塔接觸的天線與藍牙咖啡杯中的天線非常不同。 兩者都需要具有全向能力的天線，但飛機需要更大的範圍，而杯子則需要符合非常小空間的天線。
天線設計標準
• 頻寬：特定訊號的頻率範圍
• 極化：天線輻射的電場方向
• 方向性：輻射集中在一個方向上的程度
• 物理空間：天線必須安裝的區域的大小
• 增益：在峰值輻射方向傳輸了多少功率
• 效率：天線的輻射功率與其傳輸功率之比率
常見的天線類型
了解常見天線類型的一般特性，將有助於您為您的應用選擇合適的天線。
範例中的天線類型從左到右：號角天線、縫隙天線、八木天線和矩形貼片天線
半波偶極子天線
半波偶極天線是以偶極天線為基礎的，它是由兩根導電棒或導線製成的最簡單實用的天線。 「半波」術語是指天線的物理尺寸是工作頻率波長的一半。
由於此類型的天線設計和製造相對簡單，因此半波偶極天線非常普遍。 事實上，幾乎所有的天線都是基於這種設計，它具有乾淨的線性極化和旋轉對稱的輻射模式。
半波偶極子天線由長度為 L = l/2 的線性導電元件組成，通常透過沿其長度中間插入的間隙進行饋電。 雖然它們通常被認為是窄帶天線，但增加用於形成天線主體的導線的半徑是增加頻寬的有效方法。
PIFA 天線
平面倒 F (PIFA) 天線存在於手機和幾乎所有電子設備中。 作為偶極天線的變體，這些天線的製造成本非常低，並且可以生成成多種變體以實現不同的頻寬，使其成為適應小空間的不錯選擇。
號角天線
喇叭天線通常用於需要非常高方向性的應用，例如雷達槍。 它們具有相當簡單的幾何形狀，可以以更少的損耗處理更高的功率。
喇叭天線由一段波導組成，波導的末端向外張開，並終止於一個開放的孔徑。 放射性的設計目的是增加天線的方向性並縮小號角平面內的波束寬度。
為了形成天線的號角，號角天線可以僅在電場方向（E 平面扇形號角）、僅在磁場方向（H 平面扇形號角）或兩種方向都張開（金字塔形號角）。
號角天線通常都有寬廣的頻寬，在波導的截止頻率以上工作，並輻射與波導中的電場方向相同的線性極化波。
八木宇田天線
有時簡稱為「八木」天線，八木天線由單個偶極天線組成，該天線在其他（非驅動）線性導電元件陣列內運行。 這些在高方向性至關重要的應用中非常有效，通常用作電視接收天線。
八木天線中反射器和導向器的確切數量各不相同，但典型的設計包括一個「反射器」元件和三個「導向器」元件。 反射器元件略長於偶極子，而導向器元件略短於偶極子。
與具有旋轉對稱輻射圖的孤立偶極天線不同，八木天線具有高度定向性，其最大輻射指向導波器並遠離反射器。
與偶極子天線一樣，八木天線是窄頻天線，具有線性極化，電場方向與偶極子相同。
槽孔天線
槽孔天線基於與偶極天線相同的概念，但它們使用一組不同的電流——磁電流而不是電電流。可以在飛機的鼻錐和電路板上找到。
槽孔天線由平面導體中的矩形半波長長「槽孔」組成。 根據 Babinet 原理，操作類似於半波偶極天線。 輻射場也大致類似於半波偶極天線的輻射場，但電場和磁場的極化近似調換。
槽孔天線的輻射方向圖近似於偶極天線的輻射方向圖，但由於接地平面的截斷而導致輕微的不對稱性。 槽孔天線的頻寬隨槽孔的寬度而變化，並且是線性極化的，電場方向垂直於槽孔的長度。
長方形補片天線
薄型應用的最常見選擇是長方形補片天線，以適應手機等平坦空間。 雖然補片天線的概念很簡單，但可以很容易地對其進行修改以在更寬的頻帶下工作、增加隔離度或在多個頻率上工作。
長方形補片天線由寬度 (W) 和長度 (L) 的矩形導電元件組成，放置在厚度為 (d) 和相對介電常數 (er) 的電介質板的表面上，帶有導電背襯。
補片天線的輻射是由於補片下方空腔中的場共振而發生的。 當天線的長度略小於導波長度的一半時，就會發生這種共振，因為補片末端的場邊緣效應使補片看起來比實際長度更長。
長方形補片天線通常由微帶線饋電，同軸探頭穿過電介質，或與諧振腔或其他鄰近諧振器耦合。
為了確定在專案中使用的是最合適的天線，工程師使用 Ansys HFSS等模擬軟體測試和驗證他們的設計。 無論是創建衛星、印刷電路板還是其他高級高頻電子設備，模擬都可以展示不同天線配置的性能。
查看 Ansys 的服務與產品
查看 Ansys 的服務與產品
Contact Us
立即聯絡我們
