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天線輻射的基本原理解析

發(fā)布時間:2024-07-03作者來源:金航標瀏覽:2199


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


1

電磁波產(chǎn)生的基本原理


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

周期性變化的磁場激發(fā)周期性變化的電場,周期性變化的電場激發(fā)周期性變化的磁場。
電磁波不同于機械波,它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì),它只靠“變化電場產(chǎn)生變化磁場,變化磁場產(chǎn)生變化電場”的機理來傳播。
當電磁波頻率較低時,主要借由有形的導電體才能傳遞;當頻率逐漸提高時,電磁波就會外溢到導體之外,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、磁能隨著電場與磁場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,每一段流過高頻電流的導線都會有電磁輻射
但是他們在不同地方需要有不同的功能,有的導線用作傳輸,就不希望有太多的電磁輻射損耗能量;有的導線用作天線,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。
對于傳輸線,這種導線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量,而不會向外輻射;對于天線,這種導線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導線在發(fā)射和接收某一頻率的無線電信號時,效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必須采用適當?shù)奶炀€才行!研究什么樣結(jié)構(gòu)的導線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收,也就形成了天線這門學問。

高頻電磁波在空中傳播,如遇著導體,就會發(fā)生感應(yīng)作用,在導體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流,使我們可以用導線接收來自遠處的無線電信號。

2

天線


在無線通信系統(tǒng)中,需要將來自發(fā)射機的導波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波,或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機所產(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。到達接收點后,接收天線將來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)饋線輸送到接收機輸入端。

把天線和發(fā)射機或接收機連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而又分為導線傳輸線、同軸線傳輸線、波導或微帶線等。所以,所謂饋線,實際上就是傳輸線。
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,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處產(chǎn)生一定大小的信號之比。
例:如果用理想的無方向性點源作為發(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,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說,與無方向性的理想點源相比,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矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。
極化方向,就是天線電場的方向。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,上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計的,當工作頻率偏離設(shè)計頻率時,往往要引起天線參數(shù)的變化。當工作頻率變化時,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,簡稱為天線的帶寬。
⑥輸入阻抗
對于發(fā)信機來說,天線是一個負載,如何使天線能最多地攝取能量,就要解決一個匹配總是。只有當天線本身的阻抗與發(fā)信機的阻抗相等是,才能得到最大的發(fā)射功率!
對于高頻信號講,天線是很長的導線。高頻信號從饋點流向天線端點以及從端點反射回來所用的時間,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,致使天線的長度、結(jié)構(gòu)以及饋電點的位置不同,呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子,當每臂長度為四分一波長時,呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻,容易做到與饋電電纜及發(fā)信機直接匹配。

當條件限制,無法將天線的長度修整到適當數(shù)值時,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,它的作用是引導電磁波沿一定方向傳輸,因此又稱為導波系統(tǒng)。其所引導的電磁波被稱為導行波。

傳輸線,同樣作為導體,其設(shè)計初衷與天線截然相反,旨在最小化電磁波在傳輸過程中的輻射損失。為了實現(xiàn)這一目標,金屬制成的傳輸線采用了特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計,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,其核心為一根導線,外圍環(huán)繞著另一層環(huán)形導線,兩者共同構(gòu)成了一個封閉的空間,確保電磁波在此空間內(nèi)傳輸,而不會向外輻射。

在傳輸線技術(shù)中,TEM波(即橫電磁波)因其獨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,但共同點是它們都能高效地以TEM波模式傳輸信號,同時最大限度地減少電磁輻射,確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效。



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