天线的工作原理：从运动的电子到无线电波

无线电看起来像魔法。一小块金属无需任何连接，就能把能量送过山谷到达接收机。但其背后的物理却始于一件简单的事：电子在导线中运动。本指南将一步步跟随这种运动，从普通导线讲到实际工作的偶极子天线和单极子天线，再回过头来讲天线如何接收信号。

从导线开始：电子在做什么？

金属导线中本来就充满了可以移动的电子。在铜中，大约每个原子有一个电子可以在金属中自由移动，而不是束缚在某个原子上。这些电子不需要电池来提供，在连接任何东西之前它们就已经存在。

接上电源后，导线中会产生电场。电场推动每个自由电子，它们在快速随机运动之外，开始朝同一方向漂移。

这种漂移慢得惊人，通常每秒只有不到一毫米。灯之所以几乎立刻点亮，是因为电场沿导线传播的速度远远快于电子本身，整条导线上的电子几乎同时开始运动。

是什么让电子来回运动？

电池朝一个方向推动。无线电发射机则不同。它产生交变电压，电压平滑变化、反转极性并不断重复。

当导线的一端为正时，电子被推向这一端。当极性反转时，电力也随之反转，电子转向另一方向。它们并不会沿导线真正前进，只是在各自的位置附近来回运动。

有一个细节常常引起混淆。电子带负电，因此它们的运动方向与我们按惯例称为电流的方向相反。这个惯例在人们了解电子之前就已确立，并沿用至今。所以电流箭头和电子箭头指向相反。

读懂波形：图表究竟显示了什么？

无线电信号通常画成正弦波。四个基本术语可以描述它：

• 周期：波形完整重复一次。
• 振幅：波偏离零点的最大程度。
• 频率：每秒发生的周期数，单位为赫兹。868 MHz 的无线电信号每秒重复 8.68 亿次。
• 相位：某一时刻波处于其周期中的位置。

最重要的是记住，图表显示的是电压或电流等物理量如何随时间变化。它不是电子的实际路径。电子并不是沿着正弦曲线的形状在导线中行进。

读懂波形的最好方法是跟随一个完整周期。电流直接描述了电子的集体运动，因此这里使用电流。每个电子还保持着快速的随机运动，所以下文的“运动”是指它们的集体漂移。请记住，惯例电流的方向与这种漂移相反。请按图上的编号来看：

1. 最左端。电子已向左移动到极限。它们的集体漂移短暂停止，因此电流为零。
2. 向右，速度最快。电子经过中心位置。电流达到峰值并指向左，因此红色曲线位于最低点。
3. 减速，然后到达最右端。电子到达另一个极端，集体漂移再次短暂停止。电流为零。
4. 向左，速度最快。电子以相反方向经过中心。电流达到峰值并指向右，因此红色曲线位于最高点。
5. 回到起点。它们再次减速到达最左端，下一个周期开始。

请注意，位置和电流并不同时达到峰值。电流为零时电子离中心最远，电子经过中心时电流最强。

这个例子是简单的电阻导线，电压与电流同步升降，所以电压曲线的时序相同。天线则不同。电子响应其所在位置的局部电场，电流和电荷沿天线变化，因此仅凭电压曲线并不总能得知电流的确切时序。

移动的距离也极其微小。在典型的无线电频率和电流下，来回漂移的距离可能远小于一个原子。

这种运动如何产生无线电波？

这里有三个物理事实共同起作用：

1. 电子具有电场。任何电荷周围都有电场，并延伸到周围空间。
2. 电流产生磁场。运动的电荷在导线周围产生磁场。
3. 变化的场相互产生。变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。

恒定电流产生恒定磁场，这个磁场只是停留在导线周围。但在天线中，电流和电荷每秒改变方向数百万次。由于变化以有限的速度传播，天线附近的场无法瞬间调整。变化的场有一部分继续向外移动，成为电场和磁场自我维持的模式。这种传播的模式就是电磁波，它以光速把能量从天线带走。

电子留在金属中。只有波会传播出去。

波也有自己的时序。它源于变化，因此它携带的场取决于电流变化的快慢。电子反向的时刻电流变化最快，而此时电流本身为零。这种影响需要时间传播，所以到达远处的时间更晚。因此电子位置、电流和向外传播的场并不同时达到峰值。

为什么天线长度很重要？

波长（常写作 λ）是波在一个周期内传播的距离。无线电波非常快，但在 868 MHz 时每个周期极其短暂，因此在下一个周期开始前，波只传播约 345 mm。

现在想象信号沿天线传播。到达顶端时金属结束了，信号便反射回来。在合适的长度下，出射波和反射波结合成沿天线分布的强烈重复电流模式。这有点像在恰当的时刻推秋千：发射机的每一次新推动都叠加在已有的运动上。这就是谐振，也是信号时序和天线长度需要配合的原因。

有两种长度特别常见。半波天线从一端到另一端的长度为半个波长。四分之一波长天线是一个四分之一波长的振子，与接地平面配合工作。

理解了这个概念，计算就很简单。波长等于光速除以频率，因此以米为单位的四分之一波长约等于 75 除以以 MHz 为单位的频率。在两个常见的 LoRa 频率上，868 MHz 约为 86 mm，915 MHz 约为 82 mm。

偶极子天线：两条臂协同工作

偶极子天线是两条在中心连接信号源的导电臂。信号源把电子推入一条臂，同时从另一条臂拉出，然后反向。这样，电子沿两条臂朝同一总体方向运动，先朝一个方向再朝另一方向，电荷被反复推向两端。

在典型的半波偶极子中，这会稳定为一种称为驻波的重复模式：

• 电流在中心附近最强，到顶端降至接近零，因为电子无法流过金属的末端。
• 电荷在两端附近积聚，一端为正，另一端为负，每半个周期互换一次。

结果就是人们熟悉的甜甜圈形辐射方向图。偶极子向两侧辐射最强，沿两端方向几乎没有辐射。

偶极子如何逐步发射波

电荷和电场线提供了另一种理解同一过程的有用方式。电场线从正电荷指向负电荷，所以来看看这些线在第一个半周期内的变化：

1. 电荷开始分离。信号源把电子沿天线向下推。上臂留下正电荷，下臂获得负电荷，从中心附近开始。短电场线将它们连接起来。
2. 场向外扩展。随着电荷沿臂扩展，电场线也随之向外增长。场的变化以光速传播，所以远处的空间尚未感受到它们。
3. 电荷达到峰值。四分之一周期后，顶端附近积聚的电荷最多，电子的集体漂移短暂停止。电流为零，与我们之前跟随的周期一样。
4. 变化向外传播。当电子反向时，天线周围的电场和磁场发生变化。这些变化以光速向外传播，把能量带走。图中的曲线帮助我们想象电场，它们并不是从导线上断开飞走的实物细线。

在下一个半周期，电荷以相反的方式积聚，模式重复，电场方向相反。这种不断重复、向外传播的变化电场和磁场模式，就是无线电波。

单极子天线：一个振子和一个接地平面

四分之一波长单极子是一个四分之一波长的导电振子，与一个称为接地平面的导电表面配合工作。信号馈入振子底部和该表面之间。尽管名称如此，接地平面并不需要与大地相连。

设想一个理想的、平坦且完全导电的接地平面。其表面的电荷响应振子而重新分布，在平面上方产生的效果，与平面下方存在天线的镜像完全相同。振子顶端的正电荷对应镜像顶端的负电荷，镜像中的电流沿相应方向流动。振子和镜像合在一起，形状与半波偶极子相同。接地平面在电学上补上了缺失的另一半。

这意味着，理想四分之一波长单极子的辐射方向图与偶极子甜甜圈的上半部分相同。

当然，实际的接地平面并非无限大。车顶、一组径向导线或电路板都可以充当接地平面，但小的或不规则的表面会改变调谐，并可能使方向图倾斜。镜像模型是一个起点，并不是对每种设备的精确描述。

偶极子与单极子：简单比较

以下是相同频率下两种设计的并排对比。

两种设计并没有绝对的优劣。选择通常取决于可用空间、安装表面以及设备所附着的物体。

可选技术说明：阻抗和增益

在理想情况下，半波偶极子的馈电阻抗约为 73 Ω，增益约为 2.15 dBi。无限大、完全导电接地平面上的理想四分之一波长单极子，阻抗约为前者的一半，约 36 Ω，增益约为 5.15 dBi，因为相同的功率进入了一半的空间。实际安装的峰值增益取决于其几何形状、损耗和辐射方向图。

天线如何接收信号

现在把整个过程反过来。当电磁波到达接收天线时，其电场推动金属中的自由电子。随着电场交替变化，电子来回运动，在天线馈电点产生微小的交变电压和电流。接收机将该信号放大并解码。

由于一种称为互易性的特性，天线在发射和接收时通常具有相同的辐射方向图和增益。沿两端方向发射较弱的偶极子，从该方向接收也同样较弱。

一个实际例子：追踪器上的单极子

Loko GPS 追踪器使用单极子天线，因此以上内容都直接适用。其方向图在顶端方向最弱，所以把天线直接指向另一台无线电设备，通常不如保持天线竖直。它需要一个导电表面配合工作，附近的金属或身体可能改变其调谐并吸收能量。正如这些关于无线电视距和信号范围的指南所解释的，天线位置只是无线电链路的一部分。

延伸阅读

• What's the difference between a dipole and a ground plane antenna? (Electronic Design)
• Understanding antenna specifications and operation, part 2 (DigiKey)
• Dipole antenna 和 monopole antenna（维基百科，英文）