天线长度是如何计算的?天线为什么需要谐振?

百科   2024-10-29 23:11   北京  

一、天线长度是如何计算的?

半波长和四分之一波长工程中被广泛应用于天线系统设计。

1.半波长Chalf Wwavelength

半波长是指电磁波在传播方向上的一半波长距离。具体来说,对于某一频率的电磁波,其波长是传播方向上的两个峰值或谷值之间的距离。半波长通常用于设计天线系统,例如调谐器或天线长度的选取。

2.四分之一波长Quarter Wavelength 

四分之一波长是指电磁波在传播方向上的四分之一波长距离。与半波长类似,四分之一波长也用于设计天线系统。具体来说,在一些天线设计中将天线长度设置为四分之一波长可以使其在特定频率上进行共振,以获得更好的波导特性。此外,四分之一波长也被用于设计反射器、传输线和阻抗匹配器等元件。

我們都知道理想天线的长度是半波长。平时说的四分之一波长天线,实际上需要考虑“地”才能构成完整的天线,也就是我们常说的“非平衡天线”;天线本身只是天线的一部分。

波长λ = 光速c/频率f

5GHz wifi天线长度计算:

波长λ=(3* 100,000,000)/ 5GHz=0.06m=6cm

一般使用1/4波长的普通导线,即用导线长度约为1.5cm。

2.4GHz wifi天线长度计算:

波长λ= (3 * 100,000,000) / 2.4GHz=0.125m=12.5cm

一般使用1/4波长的普通导线,即用导线长度约为3.125cm。

915MHz数传天线长度计算:

波长λ= (3 * 100,000,000) / 915MHz=0.328m=32.8cm

一般使用1/4波长的普通导线,即用导线长度约为8.197cm。

二、天线为什么需要半波长?

我们常用的天线一般都是谐振天线,就是说是驻波形式的,而半波长是能够构成驻波的最小单元。原因如下图:

可见,对于正常传输的信号,在半波长的金属结构上,信号进入负半周期的时候、刚好也到了导体的末端、需要反射回来反向传播;“负半周期+反向传播”又变成正信号,刚好可以叠加,从而形成驻波。这样信号可以在这个导体结构中逐渐增强,每周期可以最大量的辐射能量。


三、天线为什么需要谐振?

天线上振荡电荷每周期能辐射出去的能量比较少(参照辐射场和近场的大小比例),只有更多的电荷对参与辐射,才能保证每个周期辐射出去的能量绝对值足够大。在天线中,源每个周期可以提供的能量是固定的,当源每个周期可以提供的能量、全部被天线辐射出去之后(含天线自身损耗),谐振就维持在给定的幅度不变了;如下图:

上图是一个谐振结构建立平衡的过程示意图。通过对半波长的分析我们知道,源输入的信号会在谐振结构中叠加。因为源的能力是固定的,所以这种叠加不会无限增加下去。𝑆𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒=𝐼2𝑅P_{Source}=I^2R时,谐振结构达到平衡。在天线工作的过程中,源本身的振幅是很小的,而天线上振荡电流的幅度是很大的,振幅的大小取决于天线的Q值。对于Q值很高的窄带天线,天线中的振荡幅度很惊人。这就是天线为啥需要谐振的原因。


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