电场、磁场与天线的关系

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同相分量是传播延时的结果。来自于天线的波并不是在空间中的所有点同时瞬时形成,而是以光速来传播。在远离天线的距离上,这个延时就导致了同相的E场和H场成分产生。这样,E场和H场具有不同的分量,包含了场的能量储存(虚部)部分或辐射(实部)部分。虚部部分由天线的电容和电感来决定,并主要存在于近场中。实部部分由称为辐射电阻的东西来决定,它是由于传输延迟产生的,并存在于距离天线很远的远场中。接收天线(如那些在EMC测试中所使用的),可以被放置在距离源很近的位置,这时它们的近场效应的影响就大于远场辐射的影响。在这种情况下,接收和发射天线间就通过电容和互感进行耦合,这样接收天线就成了发射部分的负载。四、反射的重要性当人看向一面镜子时,会联想到电磁辐射的反射效应。为什么波会从金属表面反射回来呢?这些辐射的反射结果是什么呢?反射的基础是金属表面的场边界条件。

对于E场和H场的场边界条件如图6所示。在金属的内部,当受电场影响时,电荷会自由移动,当有时变磁场存在时会有电流产生。金属附近的电荷会引起金属表面电荷的迁移。E场的任何切向分量都会引起电荷的移动,直至 E 的切向分量为零。影响的结果是位于金属表面之下的等效镜像或虚电荷,如图7(c)所示。镜像不是真实的,而是对实际结果有等价效果的电荷的表征。时变磁场会在理想导体中感应一个电流。电流会抵抗磁场,以使没有法向分量可以穿透金属表面。这样如图7(c)所示的电流镜像就使得H的法向分量在金属表面消失。

图7 电场反射原理图

镜像效应非常重要,因为天线经常在导电表面附近,如地球、汽车或飞机的金属板,电路板地平面,产品的金属外壳,EMC测试时的参考接地板等。辐射到空间的场是来源于天线和镜像的场的总和。如果考察偶极子的E场,是很容易看到这种效应的。

图8(a)中显示一个平行于导体的偶极子和它的镜像。当偶极子垂直于地平面时,具有反向电荷的偶极子镜像存在于它的下面,如图8(b)所示。在这两个例子中,空间中一些点的场是来自于偶极子和它的镜像场的总和。当场从偶极子辐射到金属体上时,如图8(c)所示,反射就可以解释为从镜像传出的波。

图8 偶极子天线镜像原理

由此原理,如图9所示的单极天线也可以等效成偶极子天线,具有一半偶极子天线长度的单极天线由于地平面镜像的作用,使其具有偶极子天线的等效长度,即偶极子天线的长度为单极天线长度的2倍。

图9 单极天线和偶极子天线辐射模型

五、天线阻抗与频率的关系

天线阻抗是频率的函数。天线上电流和电荷的分布是随着频率而变化的。偶极子上的电流一般是一个由频率确定的关于天线位置的正弦函数。由于信号的波长依赖于频率,在某个频率上天线的长度等于一个波长的几分之几。偶极子上的电流对于不同的频率分别为1/2和1倍的波长,如图10(a)和图10(b)所示。对于1/2波长的情况(单极天线为1/4波长),激励源上的电流是最大的,因此在这个频率天线的输入阻抗是最小的,等于天线的电阻值(实际电阻+辐射电阻)。在天线的长度为一个波长的情况,源的电流为零,因此,输入阻抗为无限大。阻抗与频率的关系图如图10(c)所示。?

图10 天线阻抗频率特性

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