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單極天線的設計原則：如何利用波長來優化性能？
單極天線是一種由直杆形導體組成的射頻天線，通常垂直安裝在某種導電表面上，稱為接地面。此類天線的發射信號與接收信號通過單極天線的下端與接地面之間的連接進行傳輸。相較於雙極天線，單極天線具有它特有的工作方式及設計原則。要最大化單極天線的性能，波長的選擇成為了一個關鍵因素。
單極天線的長度直接決定在傳輸特定頻率時的性能，這與預期的無線電波長密切相關。
單極天線通常是以四分之一波長設計為主，這意味著其長度大約是所需無線電波波長的四分之一。然而，在廣播應用中，五分之八波長的設計也頗為熱門，因為這樣的長度能最大化向外輻射的功率。在這兩種長度下，天線的性能從不同角度發揮出最佳的效率，特別是在地面廣播領域。
歷史背景
單極天線的發明可以追溯到1895年，當時由古列爾莫·馬可尼進行了歷史性的無線電通信實驗。在這些早期的實驗中，馬可尼使用了兩根同樣的水平導線作為雙極天線，經過實驗他發現透過一根懸掛在空中的導線連接發射機，並將另一端接地，可以傳輸更遠的距離。因此，單極天線也被稱為馬可尼天線。
輻射模式
像垂直懸浮的雙極天線一樣，單極天線也具有全向輻射模式，可以在所有方位上均勻輻射能量，並且它辐射的能量隨著仰角的改變而變化。在天線軸線的天頂上，輻射減少趨近於零。
單極天線的獨特之處在於它對於地面的輻射模式影響更為明顯，這使得設計時需要考慮地面特性。
從技術上來看，單極天線的原理可以想像成將垂直雙極天線的下半部替換為一個垂直的導電面（接地面）。在一個無限且導電的接地面上，這樣的結構證明了其輻射模式與雙極天線的上半部是相同的。對於設計者而言，理解這些基本的輻射特性是最佳化單極天線的重要步驟。
增益與輸入阻抗
由於單極天線只有向上發射，因此其增益可被視為類似於雙極天線的兩倍，且其輻射阻抗也僅為雙極天線的一半。舉例來說，四分之一波長的單極天線增益約為5.2 dBi，而輻射阻抗則約為36.5 Ohms。在這種設計中，輸入阻抗明顯是純電阻的，而在不同波長下，其電抗性質隨著天線長度變化，呈現出不同的反應。
在實際應用中，使用不同類型的人工接地面或自然接地面，將會顯著影響到天線的性能和增益。
隨著天線長度的增加，金屬導體的效果會越來越顯著，這對於傳輸信號的增強也越為重要。對於大多數無線通訊或廣播應用，設計師會仔細考慮這些因素，以確保單極天線最大化其在指定頻率下的工作效率。
單極天線的類型
單極天線在多種應用中被廣泛使用，從低於20 MHz 的傳輸到較高頻率的通信系統。傳統的設計包括垂直天線、T型天線和伞型天線等，以提高增益和效率。而在VHF和UHF頻率中，由於需要的接地面變得更小，因此人工接地面變得普遍，這樣的設計可使天線懸空作業。
隨著無線技術的進步，單極天線的變體出現了，例如在行動設備中的倒F天線，這進一步拓展了它們的應用潛力。
如今，單極天線依然是無線通訊中的關鍵組件，從基本的便攜式無線電到複雜的無線網絡系統，無不使得這項技術展示其獨特的優勢。但是，對於未來的無線技術，我們能否期待單極天線在設計和性能上持續創新，滿足不斷變化的需求?
