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天線輻射的基本原理解析

發(fā)布時(shí)間:2024-07-03作者來(lái)源:金航標(biāo)瀏覽:2189


隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的持續(xù)升溫,依托無(wú)線連接技術(shù)的多樣化行業(yè)應(yīng)用正不斷涌現(xiàn)。在此背景下,無(wú)線連接產(chǎn)品中的天線設(shè)計(jì)已成為電子工程師們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。今天,我們將再次深入淺出地探討天線設(shè)計(jì)的基本原理與知識(shí),以期為工程師們提供更多啟示與幫助。


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電磁波產(chǎn)生的基本原理


按照麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,變化的電場(chǎng)在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。這樣,變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)之間相互依賴,相互激發(fā),交替產(chǎn)生,并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間輻射出去。

周期性變化的磁場(chǎng)激發(fā)周期性變化的電場(chǎng),周期性變化的電場(chǎng)激發(fā)周期性變化的磁場(chǎng)。
電磁波不同于機(jī)械波,它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì),它只靠“變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)”的機(jī)理來(lái)傳播。
當(dāng)電磁波頻率較低時(shí),主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞;當(dāng)頻率逐漸提高時(shí),電磁波就會(huì)外溢到導(dǎo)體之外,不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量,這就是一種輻射。在低頻的電振蕩中,磁電之間的相互變化比較緩慢,其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去。然而,在高頻率的電振蕩中,磁電互變甚快,能量不可能返回原振蕩電路,于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。
根據(jù)以上的理論,每一段流過(guò)高頻電流的導(dǎo)線都會(huì)有電磁輻射
但是他們?cè)诓煌胤叫枰胁煌墓δ埽械膶?dǎo)線用作傳輸,就不希望有太多的電磁輻射損耗能量;有的導(dǎo)線用作天線,就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。于是就有了傳輸線和天線。無(wú)論是天線還是傳輸線,都是電磁波理論或麥克斯韋方程在不同情況下的應(yīng)用。
對(duì)于傳輸線,這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量,而不會(huì)向外輻射;對(duì)于天線,這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某一頻率的無(wú)線電信號(hào)時(shí),效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必須采用適當(dāng)?shù)奶炀€才行!研究什么樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收,也就形成了天線這門學(xué)問。

高頻電磁波在空中傳播,如遇著導(dǎo)體,就會(huì)發(fā)生感應(yīng)作用,在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流,使我們可以用導(dǎo)線接收來(lái)自遠(yuǎn)處的無(wú)線電信號(hào)。

2

天線


在無(wú)線通信系統(tǒng)中,需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波,或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量(或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線,通過(guò)天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量,并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后,接收天線將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量,經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。

把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來(lái)的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而又分為導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以,所謂饋線,實(shí)際上就是傳輸線。
天線的電參數(shù)
天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射,所謂天線的電參數(shù),就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。
①天線的方向性
衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。
主瓣寬度:主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。越寬越好。
旁瓣電平:旁瓣電平是指離主瓣最近且電平[敏感詞]的第一旁瓣的電平。實(shí)際上,旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域,所以其電平越低越好。
方向系數(shù):在離天線某一距離處,天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo),能[敏感詞]比較不同天線的方向性,表示了天線集束能量的電參數(shù)。
②天線效率
天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。
③增益系數(shù)
增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù),它的定義為:方向系數(shù)與天線效率的乘積。
物理意義:天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無(wú)方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解,為定向天線與理想全向天線(其輻射在各方向均等)在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)之比。
例:如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線,需要100W的輸入功率,而用增益為 G=13dB=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí),輸入功率只需100 / 20=5W。換言之,某天線的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō),與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比,把輸入功率放大的倍數(shù)。
④極化方向
極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。
極化方向,就是天線電場(chǎng)的方向。天線的極化方式有線極化(水平極化和垂直極化)和圓極化(左旋極化和右旋極化)等方式。
⑤頻帶寬度
天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說(shuō),上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的,當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí),往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí),天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍,這一頻率范圍稱為頻帶寬度,簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。
⑥輸入阻抗
對(duì)于發(fā)信機(jī)來(lái)說(shuō),天線是一個(gè)負(fù)載,如何使天線能最多地?cái)z取能量,就要解決一個(gè)匹配總是。只有當(dāng)天線本身的阻抗與發(fā)信機(jī)的阻抗相等是,才能得到最大的發(fā)射功率!
對(duì)于高頻信號(hào)講,天線是很長(zhǎng)的導(dǎo)線。高頻信號(hào)從饋點(diǎn)流向天線端點(diǎn)以及從端點(diǎn)反射回來(lái)所用的時(shí)間,足以引起天線各部分電壓、電流的幅度和相位產(chǎn)生很大的差別,致使天線的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)以及饋電點(diǎn)的位置不同,呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子,當(dāng)每臂長(zhǎng)度為四分一波長(zhǎng)時(shí),呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻,容易做到與饋電電纜及發(fā)信機(jī)直接匹配。

當(dāng)條件限制,無(wú)法將天線的長(zhǎng)度修整到適當(dāng)數(shù)值時(shí),一般應(yīng)在天線電路中附加電感電容等電抗元件抵消天線本身呈現(xiàn)的電抗,有時(shí)還需要加阻抗變壓器將天線阻抗變換到發(fā)信電路的要求值,這些附加元件構(gòu)成的設(shè)備叫“天線調(diào)諧器”或“天線匹配器”。

3

傳輸線


傳輸線是用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱,它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸,因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)。其所引導(dǎo)的電磁波被稱為導(dǎo)行波。

傳輸線,同樣作為導(dǎo)體,其設(shè)計(jì)初衷與天線截然相反,旨在最小化電磁波在傳輸過(guò)程中的輻射損失。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),金屬制成的傳輸線采用了特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),旨在有效約束能量,避免其以輻射形式散失。以普遍應(yīng)用的同軸線纜為例,其核心為一根導(dǎo)線,外圍環(huán)繞著另一層環(huán)形導(dǎo)線,兩者共同構(gòu)成了一個(gè)封閉的空間,確保電磁波在此空間內(nèi)傳輸,而不會(huì)向外輻射。

在傳輸線技術(shù)中,TEM波(即橫電磁波)因其獨(dú)特的傳輸特性而廣受歡迎,被廣泛應(yīng)用于多種類型的傳輸線中,包括但不限于雙平行線、同軸線、帶狀線以及微帶線等。這些傳輸線類型各有特色,但共同點(diǎn)是它們都能高效地以TEM波模式傳輸信號(hào),同時(shí)最大限度地減少電磁輻射,確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效。



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