天线辐射的基本原理解析

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2024-07-03 12:48:37 891

随着物联网领域的持续升温，依托无线连接技术的多样化行业应用正不断涌现。在此背景下，无线连接产品中的天线设计已成为电子工程师们日益关注的焦点。今天，我们将再次深入浅出地探讨天线设计的基本原理与知识，以期为工程师们提供更多启示与帮助。

电磁波产生的基本原理

按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间辐射出去。

周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。

电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。

当电磁波频率较低时，主要借由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。

根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。

但是他们在不同地方需要有不同的功能，有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。

对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。

高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。

天线

在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。

把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而又分为导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。所以，所谓馈线，实际上就是传输线。

天线的电参数

天线的基本功能就是能量转换和定向辐射，所谓天线的电参数，就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量。

①天线的方向性

衡量天线将能量向所需方向辐射的能力。

主瓣宽度：主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的程度的物理量。越宽越好。

旁瓣电平：旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平。实际上，旁瓣区是不需要辐射的区域，所以其电平越低越好。

方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。这是方向性中最重要的指标，能精确比较不同天线的方向性，表示了天线集束能量的电参数。

②天线效率

天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比。

③增益系数

增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它的定义为：方向系数与天线效率的乘积。

物理意义：天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输出功率放大的倍数。也可以这样通俗地理解，为定向天线与理想全向天线（其辐射在各方向均等）在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号之比。

例：如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20=5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

④极化方向

极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。

极化方向，就是天线电场的方向。天线的极化方式有线极化（水平极化和垂直极化）和圆极化（左旋极化和右旋极化）等方式。

⑤频带宽度

天线的电参数都与频率有关，也就是说，上述电参数都是针对某一工作频率设计的，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

⑥输入阻抗

对于发信机来说，天线是一个负载，如何使天线能最多地摄取能量，就要解决一个匹配总是。只有当天线本身的阻抗与发信机的阻抗相等是，才能得到最大的发射功率！

对于高频信号讲，天线是很长的导线。高频信号从馈点流向天线端点以及从端点反射回来所用的时间，足以引起天线各部分电压、电流的幅度和相位产生很大的差别，致使天线的长度、结构以及馈电点的位置不同，呈现的阻抗也不同。如中心馈电的偶极振子，当每臂长度为四分一波长时，呈现约50至75欧的纯电阻，容易做到与馈电电缆及发信机直接匹配。

当条件限制，无法将天线的长度修整到适当数值时，一般应在天线电路中附加电感电容等电抗元件抵消天线本身呈现的电抗，有时还需要加阻抗变压器将天线阻抗变换到发信电路的要求值，这些附加元件构成的设备叫“天线调谐器”或“天线匹配器”。

传输线

传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称，它的作用是引导电磁波沿一定方向传输，因此又称为导波系统。其所引导的电磁波被称为导行波。

传输线，同样作为导体，其设计初衷与天线截然相反，旨在最小化电磁波在传输过程中的辐射损失。为了实现这一目标，金属制成的传输线采用了特定的结构设计，旨在有效约束能量，避免其以辐射形式散失。以普遍应用的同轴线缆为例，其核心为一根导线，外围环绕着另一层环形导线，两者共同构成了一个封闭的空间，确保电磁波在此空间内传输，而不会向外辐射。

在传输线技术中，TEM波（即横电磁波）因其独特的传输特性而广受欢迎，被广泛应用于多种类型的传输线中，包括但不限于双平行线、同轴线、带状线以及微带线等。这些传输线类型各有特色，但共同点是它们都能高效地以TEM波模式传输信号，同时最大限度地减少电磁辐射，确保信号传输的稳定与高效。

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