電磁輻射與協變電動力學

偶極天線(dipole antenna)

偶極天線是那匹苦幹的馬:它把導線中的振盪電流變成向太空奔流的無線電波——反過來運作時,又把經過的電波接住、變回電流。它是電偶極輻射的實務化身:一個你真的能造出來、能饋電的振盪偶極子。

在最簡單的形式裡,兩根共線的導體棒在內端由交流源驅動。電流並不均勻——它在開放端必須為零,而對常見的半波偶極天線(總長等於 lambda/2)而言,會在導線上形成半個正弦的駐波。天線的輻射能力由其輻射電阻 R_rad 刻畫,其定義使得時間平均輻射功率為 P = (1/2) I_0^2 R_rad;對短偶極子 R_rad = 790 (d/lambda)^2 歐姆,而共振的半波偶極天線 R_rad 約為 73 歐姆。遠場圖案是甜甜圈形,側向最強、沿著導線為零——正是電偶極的 sin(theta) 依賴。

輻射電阻是「真」的,因為源無法把它跟尋常的歐姆電阻區分開——兩者都從饋電端汲取功率——但在這裡「損失」掉的功率不是熱,而是有用的輻射波。把發射機匹配到天線約 73 歐姆的共振電阻(因此有 75 歐姆的同軸電纜),是真實天線工程的核心。更長的天線或天線陣,藉由引入更高的多極與各單元之間的干涉,把圖案變得更銳利。

對波長 lambda 的廣播,半波偶極天線的實際長度約為 lambda/2。對頻率接近 100 MHz 的 FM 廣播,lambda 約為 3 公尺,天線因此約 1.5 公尺——正是真實屋頂或汽車天線的尺寸。它的輻射電阻約 73 歐姆,這也是為什麼饋線做成接近 75 歐姆。

半波偶極天線長約 lambda/2,輻射電阻約 73 歐姆,圖案是 sin(theta) 甜甜圈。

輻射電阻不是熱耗散——它代表以輻射帶走的功率,儘管它像電阻一樣從饋電端汲取能量。真實偶極天線上的電流並不均勻;它在開放端降為零,這正是半波駐波圖案之所以重要的原因。

又称
half-wave dipole偶極子天線