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超高頻的單極天線：為什麼車頂上的天線如此神奇？
在無線電通訊領域中，單極天線作為一種重要的天線結構，常常出現在許多我們日常接觸的設備上，尤其是車輛的手機天線。這類天線的設計和運作原理，使它們能有效地接收和發送信號，而這些技術背後的物理學卻經常被忽視。
單極天線的基本結構
單極天線是一種由直立的杆狀導體組成的無線電天線，通常垂直安裝在一些導電表面上，這個導電表面被稱為接地平面。當發射器發送信號時，信號會在單極下端和接地平面之間產生，形成有效的發射或接收信號的途徑。
單極天線的設計使其能夠發生電波的共振，大部分的設計是基於目標無線電波的波長。
單極天線的歷史
單極天線的歷史可以追溯到1895年，時任無線電先驅的古列爾莫·馬可尼 (Guglielmo Marconi) 在進行實驗時發明了這種天線。他最初使用的是海因里希·赫茲 (Heinrich Hertz) 發明的偶極天線，但在實驗中發現，將一端連接地面，另一端懸掛在空中，他能夠實現更長距離的通訊。因此，單極天線有時也被稱為馬可尼天線。
輻射模式與性能
單極天線的輻射模式是一種全向輻射模式，這意味著它在水平方向上的每個方向輻射的功率是均等的。然而，這種天線的垂直輻射會隨著高度的變化而變化，高度越接近天線，輻射功率會逐漸減少。從地面上看，單極天線呈現出一種圓形的輻射模式，輻射出垂直極化的電波。
與偶極天線相比，單極天線的輻射效能受到接地的影響更大，因此在設計方案中，選擇合適的地面平面非常重要。
增益和輸入阻抗
在設計單極天線時，增益和輸入阻抗是重要的性能指標。由於單極天線只向地面上方輻射功率，其增益被認為是同類偶極天線的兩倍。以1/4波長的單極天線為例，其增益可達到5.2 dBi，並且在共振狀態下，輸入阻抗可達到36.5歐姆。
單極天線的多樣化應用
單極天線在不同比例和設計上的變化使其廣泛應用於各種場景。在20 MHz以下的頻率，天線的設計通常是船上或地面上的垂直桅杆。而在更高頻率範圍內，如VHF和UHF，天線則常配合人造接地平面使用。這使得單極天線在無線通信中不斷發展。
無論是在汽車上的短天線還是在手機上的反向F天線，單極天線的設計變化極大，適應了現代通信技術的需求。
車頂的天線：見證了單極天線的進步
在現代汽車中，車頂的天線設計不僅要考慮到信號的接收和發射，更需要與車輛的美觀相結合。車輛的金屬頂部形成有效的接地平面，使得這些天線能達到最佳性能。汽車使用的短天線，多為單極天線，其設計考慮到車輛的空氣動力學，常見於行車通訊和無線電廣播等應用。
結論
單極天線的運作原理和設計使其成為無線通信中的重要組件，尤以其在汽車等日常生活設備中的應用最為顯著。隨著技術的進步，這一天線的應用將如何進一步演變？
