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 天線 (有時稱為天線)確實：它是金屬棒或碟子 捕獲無線電波并將其轉化為饋送的電信號 變成類似的東西 收音機 或 電視 或 電話 系統。 像這樣的天線有時被稱為接收器。發射器是 與接收器相反的不同類型的天線： 它將電信號轉換為無線電波，以便它們可以傳播 有時繞地球數千公里甚至進入太空 然后回來。天線和發射器是幾乎所有產品的關鍵 現代電信的形式。讓我們仔細看看什么 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)堪培拉深碟形衛星天線。

　　天線的工作原理

　　假設你是一家廣播電臺的老板，你想 將您的程序傳輸到更廣闊的世界。你是怎么做到的?

　　你使用 麥克風 要捕獲 聽 起來 人們的聲音和轉彎 他們進入電氣 能源.你拿那個 電力 而且，松散地 說起來，讓它沿著高大的金屬天線流動(增強它 動力很多次，所以它會像你需要的那樣傳播到世界上)。作為 電子(內部的微小粒子 原子) 在電流中沿 天線，它們創造了隱形 電磁輻射 以收音機的形式 波。這些波，部分是電波，部分是磁波，以 光，帶上你的收音機 與他們一起編程。當我打開家里的收音機時會發生什么 幾英里外?您發送的無線電波流經金屬天線 并導致電子來回擺動。這將產生一個 電流 - 一個信號 電子的 我的組件 收音機變回我能聽到的聲音。

　　插圖：發射器如何向接收器發送無線電波。1)流入發射器天線的電流使電子上下振動，產生無線電波。2)無線電波以光速在空氣中傳播。3)當波到達接收器天線時，它們使電子在其內部振動。這會產生重新產生原始信號的電流。

　　發射器和接收器天線通常非常相似 設計。例如，如果您正在使用衛星電話之類的東西 可以向任何其他地方發送和接收視頻電話 在地球上使用太空 衛星、您發送和接收的信號 所有這些都通過一個衛星天線 - 一種特殊的天線 形狀像一個碗(技術上稱為 拋物面反射器, 因為盤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 向下反射以進行處理 (3)。像這樣的碟子也可以用作發射器，只需發送 相反方向的無線電波束。深空網絡天線圖片由深空網絡提供 美國宇航局.

　　經常 但是，發射器和接收器看起來非常不同。電視或收音機 廣播天線是巨大的桅桿，有時延伸數百根 米/英尺到空中，因為它們必須發送強大的信號 長距離。(我經常收聽的其中一個，在 薩頓科爾菲爾德 在英國， 有一個270.5米或887英尺高的桅桿，大約有150個高的人站著 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：一個小得多的天線就可以很好地完成這項工作。

　　波并不總是在發射器到接收器的空氣中掠過。根據我們想要發送的波的種類(頻率)，我們想要發送多遠的波，以及我們想要發送的時間，實際上有 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。

　　藝術品：波如何從發射器傳播到接收器：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絡中，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。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(當發射器和接收器不在彼此的視線范圍內時)。

　　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的(外國)AM廣播電臺在晚上更容易接收。在白天，射向天空的波被電離層的較低層吸收。在晚上，這不會發生。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?

　　最簡單的天線是連接到 收音機。我11歲或12歲時制造的第一臺收音機是一臺 水晶套裝 具有長循環 銅 電線充當天線。我運行了 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!

　　大多數現代晶體管無線電至少有兩個天線。其中之一 它們是一根長而閃亮的伸縮桿，從外殼中拉出并 旋轉以拾取FM(調頻)信號。這 另一個是外殼內的天線，通常固定在主 電路板，它拾取AM(調幅)信號。 (如果您不確定 FM 和 AM 之間的區別，請參閱我們的 收音機 》一文。

　　為什么收音機中需要兩個天線?這些信號 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無線電信號具有頻率 1000 kHz(千赫茲)，而典型的 FM 信號約為 100 MHz (兆赫茲)——所以它們的振動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 信號有 波長大約是FM信號的一百倍。你需要兩個 天線，因為單個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 永遠只能接收一個電臺。天線將信號饋入調諧電路 在無線電接收器內部，旨在“鎖定”一個特定頻率并忽略其余頻率。 最簡單的接收器電路(就像水晶收音機中的電路一樣) 無非是一圈電線，一個 二極管，以及 電容器，它將聲音輸入聽筒。 電路響應(技術上， 共鳴，這意味著電振蕩)以您調諧的頻率 并丟棄高于或低于此頻率的頻率。通過調整電容器的值， 您可以更改諧振頻率，這會將收音機調諧到其他電臺。 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。如果我試著聽一個典型的 在 100 MHz (100，000，000 Hz) 的 FM 頻率上進行無線電廣播， 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的長度。

　　照片：典型晶體管收音機內的AM“環棒”天線 非常緊湊且具有高度的方向性。構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獨立的天線：一個用于AM(中波)，一個用于LW(長波)。

　　現在對于AM，波長大約是AM的100倍，所以你為什么不 需要一個 300 米(0.2 英里)長的天線來拾取它們? 好吧，你確實需要一個強大的天線，你只是不知道它在那里! 晶體管收音機內部的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。 它是一段非常細的電線(通常 幾十米)在鐵氧體(鐵基磁)磁芯周圍循環幾十到幾百次，鐵氧體磁芯極大地集中了無線電信號的磁性部分，并在纏繞在它們的導線中產生(“感應”)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，環形天線要么需要更多的導線匝數 (所以幾千而不是幾百或幾十)或電線環 需要大很多。這就是為什么收音機的外部天線有時會占用 大環的形式，直徑可能為10-20厘米(4-8英寸)左右。

　　藝術品：頂部：電磁無線電波由振動的電波(藍色)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無線電波中相對較短波長的高頻電部分。右圖：AM鐵氧體環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?為什么他們只需要短而粗 像這張照片中的天線?手機也使用無線電波，也以光速傳播， 典型頻率為 800 MHz(大約是 FM 收音機的十倍)。 這意味著它們的波長比FM收音機短約10倍，因此它們需要 大約十分之一大小的天線。在智能手機中，天線通常會伸展 在外殼內部周圍。讓我們看看它是如何計算的：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。

　　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)手機的天線特別緊湊。較舊的天線(如左側的摩托羅拉)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 還有另一個我們看不到的部分在外殼內的電路板邊緣運行。 較新的手機(如右側的諾基亞型號)在外殼內完全內置了更長的天線。

　　更多類型的天線

　　最簡單的無線電天線只是長直桿。多 室內電視天線采用 偶 極 子：一根金屬棒分成兩塊， 水平折疊，所以看起來有點像一個人直立 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。其他設計包括圓形環線和， 當然，拋物線衛星天線。為什么有這么多不同的設計? 顯然，無論如何，從發射器到達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，使其更容易檢測。通過添加未連接的“虛擬”偶極子(稱為導向器和反射器)，可以將更多的信號反射到實際的接收偶極子，從而進一步增加這種效果。 這相當于增強信號，并且能夠拾取比簡單天線更弱的信號。

　　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的拾取效果比另一側好得多，因為反射元件(左側的紅色偶極子狀條)將更多的信號反射到右側折疊的偶極子上。八木更加夸大了這種效果，在一側接收到非常強的信號，而在其他任何地方幾乎沒有信號。它由多個偶極子、反射器和導向器組成。

　　天線的重要特性

　　天線的三個特性特別重要，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收音機上的伸縮天線較少 顯然是方向性的，特別是如果信號很強：如果你 讓它筆直向上，它將捕獲來自 幾乎任何方向。收音機內部的鐵氧體AM天線是 更具方向性。聽AM，你會發現你 需要旋轉你的收音機，直到它拿起一個非常強大的 信號。(找到最佳信號后，請嘗試將收音機正好旋轉 90 度，并注意 信號經常幾乎消失到零。

　　雖然高度定向的天線 可能看起來很痛苦，當它們正確對齊時，它們有助于減少 來自您正在嘗試的電臺或信號附近的干擾 來檢測。但方向性并不總是一件好事。想想你的手機。 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方向 躺在你的包里，所以高度定向的天線并不好。 同樣，對于 全球定位系統 告訴你你在哪里的接收器 使用來自多顆太空衛星的信號。由于信號來自不同 衛星，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性的測量，但是， 從廣義上講，歸結為它提高 信號。即使沒有 天線已插入。那是因為金屬外殼和其他 組件充當基本天線，不聚焦在任何特定位置 方向，并默認拾取某種信號。添加適當的 定向天線，您將 獲得 一個更好的信號。 增益以分貝 (dB) 為單位，(作為廣泛的經驗法則)增益越大 您的接待效果越好。就電視而言，您可以從復雜的產品中獲得更多收益 室外天線(例如，在平行“陣列”中具有 10-12 個偶極子的天線)比來自簡單的偶極子。 所有室外天線都比室內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 對電話、手機或衛星通信不太有用 你感興趣的只是一個非常具體的無線電波 在相當窄的頻段上傳輸。

　　照片：更多天線：1)為天線供電的天線 無線射頻識別標簽 卡在圖書館的書里。它內部的電路沒有電源：它從傳入的無線電波中獲取所有能量。2) PCMCIA 內部的偶極子天線 無線上網 無線網絡卡。這個適用于波長為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。

　　誰發明了天線?

　　這個問題沒有簡單的答案，因為無線電已經演變成一種有用的東西。 技術貫穿 19 世紀下半葉，這要歸功于相當多的工作 很少有不同的人——理論科學家和實際實驗者。

　　這些先驅是誰?蘇格蘭物理學家 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 年后確實存在(它們是 后來一段時間稱赫茲波以紀念他)。幾年后，1894年8月14日，在英國牛津的一次會議上，英國物理學家， 奧利弗旅館，演示了如何使用無線電波進行信號傳輸 從一個房間到另一個房間，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”。 洛奇于 1898 年 2 月 1 日申請了“電報”的美國專利，描述了“操作員的設備，通過現在已知的 作為“赫茲波電報”，將信息跨空間傳輸到多個不同的 各地個人...“洛奇在那個階段不知道， 古列爾莫·馬可尼 正在進行自己的實驗 大約在同一時間，在意大利，并最終證明了他更出色的表演者：許多人認為他 直到今天，“無線電的發明者”，而事實上，他只是一群有遠見的人之一 幫助將電磁波科學轉變為一種實用的、改變世界的技術。

　　藝術品：奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)在太空中將無線電波從發射器(紅色)發送到一定距離外的接收器(藍色)的插圖，取自他1898年的專利 US 609，154：電報.由美國專利商標局提供。

　　最初的無線電實驗都沒有使用我們今天會立即識別的發射器或接收器。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)，用于檢測它們傳輸的波 并收到了，盡管馬可尼發現它們“太不穩定和不可靠”，并最終設計了自己的探測器。有了這種新設備， 他進行了系統的實驗，研究天線的高度如何影響他可以傳輸的距離。 一個信號。

　　正如他們所說，其余的都是歷史!