天线理论基础：频率、波长、阻抗匹配等概念详解

天线理论基础：频率、波长、阻抗匹配等概念详解

无线通信是以波的形式进行的。因此，了解与波相关的概念和特性可以更好地帮助我们学习天线理论。本文将介绍几个基础但重要的概念，包括频率、波长、阻抗匹配、驻波比和反射功率以及带宽。

频率

标准定义：波在特定时间段内的重复速率称为频率，常用 f 表示，单位是赫兹，英文为 Hz 。

简单地说，频率是指事件发生频率的过程。周期波在每 T 秒（时间段）后重复出现。周期波的频率为时间周期 T 的倒数。

它的数学表达式如下：

如下图所示，表示正弦波的一个半周期。

这个波每 2t 时间重复一次，时间单位为ms，那么T=2t ms，频率f=1/2T KHz。

波长

其定义为“两个连续的最大点（波峰）或两个连续的最小点（波谷）之间的距离，称为波长，一般用”λ“表示，单位可以是m，μm，nm等。

如下图所示较直观地展现了什么是波长。

也可以从图中看出，频率越高，波长越小，反之亦然。我们在高中物理中学过，波长与频率的关系：

其中 c 是光速：3x108m/s。

阻抗匹配

它指的是在电路的两个部分之间实现最佳的功率传输，单位是欧姆。

具体来说，阻抗匹配涉及到调整一个电路元件（如一个天线）的阻抗，使之与另一个电路元件（如一个信号源）的阻抗相匹配，从而减少功率的反射和提高功率的传输效率。

在天线场景里，天线、传输线和电路的阻抗应匹配，可以使天线和接收器或发射器之间进行最大功率的传输。

• 如果天线阻抗与自由空间阻抗匹配，则天线辐射的功率将被有效辐射。
• 对于接收机天线，天线的输出阻抗应与接收机放大器电路的输入阻抗相匹配。
• 对于发射机天线，天线的输入阻抗应与发射机放大器的输出阻抗以及传输线阻抗相匹配。

驻波比和反射功率

定义：驻波中最大电压与最小电压之比称为电压驻波比，Voltage Standing Wave Ratio，简称VSWR。

它有如下指导意义：

• 阻抗匹配：VSWR用来衡量传输线（如同轴电缆）与负载（如天线）之间的阻抗匹配程度。理想情况下，如果负载的阻抗与传输线的特性阻抗完全匹配，VSWR为1，表示没有反射发生。
• 信号传输效率：高VSWR值意味着传输线上存在较大的反射，这会导致功率传输效率降低，信号质量下降。
• 设备安全：持续的高VSWR可能会对发射机等设备造成损害，因为反射功率可能会转化为热量，导致设备过热。

带宽

即为特定通信指定的波长频率带称为带宽。也就是说信号在发送或接收时，是在一定频率范围内完成的。这个特定的频率范围被分配给一个特定的信号，这样其他信号就不会干扰它的传输。

• 带宽是传输信号的较高频率和较低频率之间的频率带。
• 带宽一旦分配，如果不能被其他人使用，称为绝对带宽。
• 整个频谱被划分为带宽，以分配给不同的发射机。

数学上，如果用𝑓ℎ表示高频截止频率，𝑓𝑙表示低频截止频率，那么绝对带宽 𝐵 可以表示为：

B=fh−fl

这里又衍生出另一个概念：带宽百分比。

它的定义是绝对带宽与该带宽的中心频率之比。为了计算带宽百分比，先引入谐振频率的概念，指的是频带内信号强度最大的特定频，也被称为频段的中心频率 ：fC

计算带宽百分比是为了了解组件或系统可以处理多少频率变化。它的数学表达式如下：

好了，今天先聊到这里，感谢阅读！