天線(xiàn)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的原理解析

無(wú)線(xiàn)電波應(yīng)該稱(chēng)作電磁波或者簡(jiǎn)稱(chēng)為EM波，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電波包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)。來(lái)自發(fā)射器、經(jīng)由天線(xiàn)發(fā)出的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，天線(xiàn)是信號(hào)到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口。

電磁波

圖1

圖1展示了典型的半波偶極子天線(xiàn)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的。轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)被調(diào)制為正弦波，電壓呈極性變化，因此在天線(xiàn)的各元件間生成了電場(chǎng)，極性每半個(gè)周期變換一次。天線(xiàn)元件的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，方向每半個(gè)周期變換一次。電磁場(chǎng)互為直角正交。

圍繞著半波偶極子的電磁場(chǎng)包括一個(gè)電場(chǎng)和一個(gè)磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)均為球形且互成直角（如圖2所示）。天線(xiàn)旁邊的磁場(chǎng)呈球形或弧形，特別是距離天線(xiàn)近的磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從天線(xiàn)向外發(fā)出，越向外越不明顯，特性也逐漸趨向平面。接收天線(xiàn)通常接收平面波。

雖然電磁場(chǎng)存在于天線(xiàn)周?chē)?，但他們?huì)向外擴(kuò)張，超出天線(xiàn)以外后，電磁場(chǎng)就會(huì)自動(dòng)脫離為能量包獨(dú)立傳播出去。實(shí)際上電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相產(chǎn)生，這樣的“獨(dú)立”波就是無(wú)線(xiàn)電波。

圖2

距離天線(xiàn)一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本為平面并以直角相交。注意傳播方向和電磁場(chǎng)均成直角。在圖2（a）中，傳播方向和電磁場(chǎng)線(xiàn)方向成正交，即垂直紙面向內(nèi)或向外。在圖2（b）中，磁場(chǎng)線(xiàn)垂直紙面向外，如圖中圓圈所示。

近場(chǎng)

對(duì)近場(chǎng)似乎還沒(méi)有正式的定義，它取決于應(yīng)用本身和天線(xiàn)。通常，近場(chǎng)是指從天線(xiàn)開(kāi)始到1個(gè)波長(zhǎng)（λ）的距離。波長(zhǎng)單位為米，公式如下：

λ= 300/fMHz

因此，從天線(xiàn)到近場(chǎng)的距離計(jì)算方法如下：

λ/2π = 0.159λ

圖3標(biāo)出了輻射出的正弦波和近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)通常分為兩個(gè)區(qū)域，反應(yīng)區(qū)和輻射區(qū)。在反應(yīng)區(qū)里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是最強(qiáng)的，并且可以單獨(dú)測(cè)量。根據(jù)天線(xiàn)的種類(lèi)，某一種場(chǎng)會(huì)成為主導(dǎo)。例如環(huán)形天線(xiàn)主要是磁場(chǎng)，環(huán)形天線(xiàn)就如同變壓器的初級(jí)，因?yàn)樗a(chǎn)生的磁場(chǎng)很大。

圖3

近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界、運(yùn)行頻段的波長(zhǎng)如圖3所示。天線(xiàn)應(yīng)位于正弦波左側(cè)起始的位置。輻射區(qū)內(nèi)，電磁場(chǎng)開(kāi)始輻射，標(biāo)志著遠(yuǎn)場(chǎng)的開(kāi)始。場(chǎng)的強(qiáng)度和天線(xiàn)的距離成反比（1/ r3）。圖3所示的過(guò)渡區(qū)是指近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的部分（有些模型沒(méi)有定義過(guò)渡區(qū)）。圖中，遠(yuǎn)場(chǎng)開(kāi)始于距離為2λ的地方。

遠(yuǎn)場(chǎng)

和近場(chǎng)類(lèi)似，遠(yuǎn)場(chǎng)的起始也沒(méi)有統(tǒng)一的定義。有認(rèn)為是2 λ，有堅(jiān)持說(shuō)是距離天線(xiàn)3 λ或10 λ以外。還有一種說(shuō)法是5λ/2π，另有人認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)天線(xiàn)的最大尺寸D，距離為50D2/λ。還有人認(rèn)為近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的交界始于2D2/λ。也有人說(shuō)遠(yuǎn)場(chǎng)起始于近場(chǎng)消失的地方，就是前文提到的λ/2π。

遠(yuǎn)場(chǎng)是真正的無(wú)線(xiàn)電波。它在大氣中以3億米/秒的速度，即接近18.64萬(wàn)英里/秒的速度傳播，相當(dāng)于光速。電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相支持并互相產(chǎn)生，信號(hào)強(qiáng)度和距離平方成反比（1/r2）。麥克斯韋在其著名的公式中描述了這一現(xiàn)象。

麥克斯韋方程組

19世紀(jì)70年代末，在無(wú)線(xiàn)電波發(fā)明之前，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋預(yù)測(cè)出了電磁波的存在。他綜合了安培、法拉第和歐姆等人的定律，制定了一套方程表達(dá)電磁場(chǎng)是如何相互產(chǎn)生和傳播的，并斷定電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相依存、互相支持。19世紀(jì)80年代末，德國(guó)物理學(xué)家海因里?！ず掌澴C明了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。

麥克斯韋創(chuàng)造了四個(gè)基本方程，表達(dá)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和時(shí)間之間的關(guān)系。電場(chǎng)隨時(shí)間推移產(chǎn)生移動(dòng)電荷，也就是電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。另一組方式是說(shuō)，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。天線(xiàn)發(fā)出的電磁波在空間中自行傳播。本文沒(méi)有列出這些方程組，但你應(yīng)該記得包含一些不同的方程。

應(yīng)用

遠(yuǎn)場(chǎng)在空間中傳播的強(qiáng)度變化由Friis公式?jīng)Q定：

Pr = PtGrGtλ2/16π2r2

公式中，Pr =接收功率；Pt =發(fā)射功率；Gr = 接收天線(xiàn)增益（功率比）；Gt =發(fā)射天線(xiàn)增益（功率比）；r=到天線(xiàn)的距離。公式在視線(xiàn)所及的無(wú)障礙開(kāi)闊空間中適用。

這里有兩個(gè)問(wèn)題需要討論。接收功率和距離r的平方成反比，和波長(zhǎng)的平方成正比，也就是說(shuō)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)、頻率較低的電磁波傳的更遠(yuǎn)。例如，同等的功率和天線(xiàn)增益下，900MHz的信號(hào)會(huì)比2.4GHz的信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)。這一公式也常常用它來(lái)分析現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的信號(hào)強(qiáng)度。

為了準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的傳播，還必須了解天線(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射模式。在近場(chǎng)的反應(yīng)區(qū)里，接收天線(xiàn)可能會(huì)和發(fā)射天線(xiàn)會(huì)由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯(cuò)誤的結(jié)果。另一方面，如果有特定的測(cè)量?jī)x器，近場(chǎng)的輻射模式就可以準(zhǔn)確測(cè)量。

近場(chǎng)在通信領(lǐng)域也很有用。近場(chǎng)模式可以用于射頻識(shí)別（RFID）和近場(chǎng)通信（NFC）。

射頻識(shí)別（RFID）

RFID是條形碼的電子版，它是一個(gè)內(nèi)部有芯片的很薄的標(biāo)簽，其中芯片集成了存儲(chǔ)和特定的電子代碼，可以用作識(shí)別、最總或其他用途。標(biāo)簽還包含一個(gè)被動(dòng)收發(fā)器，在接近“閱讀器”的時(shí)候，由閱讀器發(fā)出的很強(qiáng)的RF信號(hào)就會(huì)被標(biāo)簽識(shí)別。閱讀器和標(biāo)簽的天線(xiàn)都是環(huán)形天線(xiàn)，相當(dāng)于變壓器的初級(jí)和次級(jí)。

由標(biāo)簽識(shí)別的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波轉(zhuǎn)換成直流，為標(biāo)簽存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)供能。發(fā)射器將代碼發(fā)送到閱讀器上，用于識(shí)別和處理。主動(dòng)標(biāo)簽有時(shí)會(huì)用到電池，將感應(yīng)距離延長(zhǎng)到近場(chǎng)以外的地方。RIFD標(biāo)簽的頻率范圍各不相同，有125kHz、13.56MHz和900MHz。

在900MHz，波長(zhǎng)為：

λ= 300/900 = 0.333m 或 33.33cm

因此根據(jù)近場(chǎng)距離計(jì)算公式：

λ/2π= 0.159λ= 0.159（0.333） = 0.053m （約2英寸）

感應(yīng)距離通常超過(guò)這一數(shù)字，所以這一頻率下距離實(shí)際上也延伸到了遠(yuǎn)場(chǎng)。

近場(chǎng)通信（NFC）

NFC也采用了存儲(chǔ)和類(lèi)似于信用卡的特定代碼。電池驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)器可以把代碼發(fā)射到閱讀器上。NFC也使用近場(chǎng)，范圍一般為幾英寸。NFC的頻率為13.56MHz，因此波長(zhǎng)為：

λ= 300/13.56 = 22.1m （72.6英尺）

近場(chǎng)距離為不超過(guò)：

λ/2π = 0.159λ = 0.148（72.6） = 11.5英尺

因?yàn)殡娏肯牡停瑢?shí)際的感應(yīng)距離很少超過(guò)1英尺。

近場(chǎng)工作區(qū)反射電平測(cè)試原理及方法

近場(chǎng)工作區(qū)反射電平測(cè)試原理

采用自由空間電壓駐波比法測(cè)量近場(chǎng)工作區(qū)反射電平，測(cè)量原理是基于微波暗室中存在有直射信號(hào)和反射信號(hào)，微波暗室中空間任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是直射信號(hào)和反射信號(hào)的矢量合，在空間形成駐波，駐波數(shù)值的大小就反映了微波暗室內(nèi)反射電平的大小。

VSWR法測(cè)量原理圖

當(dāng)接收天線(xiàn)主瓣對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，所接收到的信號(hào)為ED。移動(dòng)接收天線(xiàn)，則接收天線(xiàn)的直射信號(hào)ED與反射信號(hào)ER的相對(duì)相位將會(huì)改變，此時(shí)接收天線(xiàn)收到的信號(hào)幅度將產(chǎn)生波動(dòng)，如圖所示，這一波動(dòng)反映空間固有駐波，由此即可得到反射電平。

暗室空間駐波圖

將接收天線(xiàn)轉(zhuǎn)到比最大電平低a（dB）的方位角q時(shí)，則所接收的直射信號(hào)Eq=ED10a/20。當(dāng)反射信號(hào)與直射信號(hào)同相時(shí)合成場(chǎng)最大，這時(shí)以b表示：

當(dāng)反射信號(hào)與直射信號(hào)反相時(shí)合成場(chǎng)最小，這時(shí)以c表示：

則反射電平：

因此測(cè)出空間駐波曲線(xiàn)和接收天線(xiàn)方向圖，就可以計(jì)算出微波暗室反射電平。

測(cè)試方法

在近場(chǎng)工作區(qū)內(nèi)針對(duì)主反射墻的吸波材料進(jìn)行特定頻段吸收特性的測(cè)試。

測(cè)試位置的選取

測(cè)試近場(chǎng)工作區(qū)反射電平時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)先置于暗室中心軸線(xiàn)上，接收天線(xiàn)置于正對(duì)被測(cè)墻壁的一個(gè)合理位置，并沿兩天線(xiàn)軸線(xiàn)移動(dòng)一段距離進(jìn)行反射電平的測(cè)試。測(cè)試位置如圖所示。

近場(chǎng)靜區(qū)測(cè)試位置示意圖（俯視圖）

近場(chǎng)靜區(qū)測(cè)試位置示意圖（側(cè)視圖）

測(cè)試設(shè)備連接示意圖

測(cè)試步驟

連接好測(cè)試系統(tǒng)，按圖2-5置發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)于測(cè)試位置Ⅰ；

設(shè)置信號(hào)源頻率為1GHz，輸出功率調(diào)至合適大小使發(fā)射天線(xiàn)輻射信號(hào)，接收天線(xiàn)在正對(duì)發(fā)射天線(xiàn)方向，沿待測(cè)行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄接收信號(hào)曲線(xiàn)，測(cè)試曲線(xiàn)作為這條行程線(xiàn)的參考電平線(xiàn)；

將接收天線(xiàn)方向朝向被測(cè)墻壁吸波材料方向，接收天線(xiàn)沿這條測(cè)量行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄空間駐波曲線(xiàn)；

改變天線(xiàn)極化方式，重復(fù)以上步驟a）～c）的測(cè)量；

分別在2GHz、5GHz、10GHz、18GHz、40GHz頻率點(diǎn)，重復(fù)步驟b）~d），直至完成所有頻率點(diǎn)測(cè)量；

改變發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)位置，如圖2-3所示，分別至位置Ⅱ、位置Ⅲ，重復(fù)上述步驟b）~e）的測(cè)量;

改變發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)高度，如圖2-4所示，分別至H2、H3，重復(fù)上述步驟b）~f）的測(cè)量。

數(shù)據(jù)處理

遠(yuǎn)場(chǎng)靜區(qū)幅度均勻性測(cè)試方法

遠(yuǎn)場(chǎng)靜區(qū)幅度均勻性是指發(fā)射天線(xiàn)保持不動(dòng)，接收天線(xiàn)在靜區(qū)內(nèi)沿指定行程線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)幅度變化情況。

在進(jìn)行幅度均勻性測(cè)試時(shí)，接收天線(xiàn)沿圖所示的區(qū)域不同高度的行程線(xiàn)進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，采集區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置的幅度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選及處理后得到靜區(qū)內(nèi)一個(gè)圓形平面的幅度均勻性測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)靜區(qū)內(nèi)多個(gè)平面進(jìn)行測(cè)量，得到整個(gè)靜區(qū)的幅度均勻性測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試步驟

連接好測(cè)試系統(tǒng)，按圖3-2置發(fā)射天線(xiàn)及接收天線(xiàn)于測(cè)試位置Ⅰ；

設(shè)置信號(hào)源頻率為1GHz，輸出功率調(diào)至合適大小使發(fā)射天線(xiàn)輻射信號(hào)，接收天線(xiàn)在正對(duì)發(fā)射天線(xiàn)方向，沿待測(cè)行程線(xiàn)移動(dòng)，并記錄接收信號(hào)曲線(xiàn)；

改變測(cè)試行程線(xiàn)在一個(gè)測(cè)試面內(nèi)的不同高度進(jìn)行測(cè)量；

改變天線(xiàn)極化方式，重復(fù)以上步驟a）～c）的測(cè)量；

分別在3GHz、5GHz、10GHz、18GHz頻率點(diǎn)，重復(fù)步驟b）~d），直至完成所有頻率點(diǎn)測(cè)量；

改變測(cè)試面，重復(fù)上述步驟b）~e）的測(cè)量。
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