ANSYS 部落格
February 21, 2023
常見天線設計簡介
喇叭天線的範例
通過在空間中發送信號，天線使我們能夠以光速在長距離上進行通信。這種無線連線能力，對人類在醫療、航太、通訊和行動等各產業的進展至關重要。隨著天線的應用層面不斷增加，每個使用案例所需的天線類型也隨之增加。
為什麼有不同的天線類型？
範圍和可用空間等多項因素，決定了特定應用的最佳天線類型。舉例來說，用於讓飛機與控制塔台保持聯絡的天線，與藍牙咖啡馬克杯中的天線截然不同。這兩者都需要具備全向功能的天線，但是飛機所需範圍更大得多，馬克杯所需的天線則必須能放入非常狹小的空間。
天線設計標準
- 頻寬：特定訊號的頻率範圍
- 極化：天線幅射的電場方向
- 指向性：在單一方向輻射集中的程度
- 實體空間：天線必須容納得下的空間大小
- 增益：以尖峰輻射方向傳送的功率
- 效率：天線輻射功率與所提供能量的比率
一般天線類型
瞭解一般天線類型的一般特性，有助於為您的應用選擇正確的天線。
天線類型 (從左到右) 的範例：喇叭天線、槽孔天線、八木宇田天線和矩形補片天線
半波偶極天線
半波偶極以偶極天線為基礎，由兩個傳導桿或電線製成，是最簡單實用的天線。「半波」是指在運作頻率下，電線實體大小為一半波長。
半波偶極天線的設計與製造方式都很簡單，因此很常見。事實上，幾乎所有天線都是以這項設計為基礎，具有乾淨、線性極化以及旋轉對稱的輻射模式。
半波偶極天線由長度 L = l/2 的線性導電元件所構成，通常是從沿著長度一半插入的空隙饋送。雖然半波偶極天線通常視為窄頻天線，但在提高頻寬方面，增加構成天線主體的電線半徑是非常有效的方法。
PIFA 天線
平面倒 F 型 (PIFA) 天線用於手機，也用於幾乎所有電子裝置。這些天線是偶極天線的各種變化，製作成本極低，可以多種變化印刷以達到不同的頻寬，也因此成為適合狹小空間的好選擇。
喇叭天線
喇叭天線常用於需要高度指向性的應用，例如雷達槍。喇叭天線的幾何構造相當簡單，可以較低損失處理較高功率能量。
喇叭天線由一段波導區段所構成，在末端以喇叭形向外展開，終端是開放的孔洞。喇叭形的目的是提高天線的指向性，並在喇叭形的平面縮窄波束寬度。
如要構成天線的喇叭形，喇叭天線可以只朝電場方向展開 (E 平面扇形喇叭)、只朝磁場的方向展開 (H 平面扇形喇叭) 或朝雙向展開 (金字塔喇叭)。
喇叭天線的頻寬通常很寬，運作頻率高於波導的截止頻率，並發射出方向與波導中電場方向相同的線性極化波。
八木宇田天線
八木宇田天線有時簡稱「八木」天線，由單偶極天線構成，在其他 (非驅動) 線性傳導元件的陣列內操作。在需要高指向性且通常用於電視收訊天線的應用中，這類方法非常有效。
八木宇田天線反射器和導向器的確切數量視情況而異，但典型的設計會包含一個「反射器」元件和三個「導向器」元件。反射器元件比偶極稍長，導向器元件比偶極稍短。
八木宇田天線與具備旋轉對稱輻射模式的獨立偶極不同，指向性高，最大輻射朝向導向器方向、與反射器方向相反。
八木宇田天線跟偶極一樣為窄頻，具有線性極化，電場方向與偶極對齊。
槽孔天線
槽孔天線的概念與偶極天線相同，但使用不同的電流組，使用的是磁力而非電力。槽孔天線用於飛機的鼻錐及電路板。
槽孔天線由平面導體中的矩形半波「槽孔」所構成。根據巴比涅原理，其運作方式與半波偶極天線相似。輻射場也與半波偶極天線大致相似，但會對電場和磁場發生大致換位的極化。
槽孔天線的輻射模式與偶極天線很相近，但地平面截切會造成些微不對稱。槽孔天線的頻寬會隨著槽孔寬度而變動，並且線性極化，電場方向則會與槽孔的長度垂直。
矩形補片天線
矩形補片天線是應用於較扁平產品的最常見選擇，透過印刷以放入手機等扁平空間內。雖然矩形補片天線的概念很簡單，但可以輕鬆修改成以更寬的頻帶運作、提高隔離度，或是在多頻率上運作。
矩形補片天線由寬度 (W) 和長度 (L) 的矩形導電元件所構成，元件位於厚度 (d) 與相對電容率 (er) 的電介質平板上，具有導電背襯。
補片天線的輻射是補片下腔內磁場的共振所致。天線長度略短於導波長度的一半時，就會發生這種共振，因為補片末端的散射場會使補片「看起來」比實際長度還要長。
矩形補片天線通常由微帶線饋送，同軸針透過電介質，或與共振腔或其他近似共振器耦合。
為了協助判斷最適合用於各專案的天線，工程師會使用 Ansys HFSS 等模擬軟體測試並證明其設計。無論是建立衛星、印刷電路板或其他進階高頻電子裝置，模擬都會顯示不同天線配置的效能。觀看網路研討會「透過模擬最佳化天線設計」進一步瞭解。