電磁波產(chǎn)生的基本原理與天線(xiàn)的基本介紹 - 全文

一、 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?chē)臻g要產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又要產(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(lài)，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去。

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(lài)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)，主要籍由有形的導(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，其能量幾乎全部反回原電路而沒(méi)有能量輻射出去。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能反回原振蕩電路，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(xiàn)都會(huì)有電磁輻射。有的導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)用作天線(xiàn)，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(xiàn)和天線(xiàn)。無(wú)論是天線(xiàn)還是傳輸線(xiàn)，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(xiàn)，這種導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)，這種導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)在發(fā)射和接收某一頻率的無(wú)線(xiàn)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€(xiàn)才行！　　研究什么樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收，也就形成了天線(xiàn)這門(mén)學(xué)問(wèn)。

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(xiàn)接收來(lái)自遠(yuǎn)處的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。

二、天線(xiàn)

在無(wú)線(xiàn)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(xiàn)電波，或者將無(wú)線(xiàn)電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來(lái)輻射和接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置稱(chēng)為天線(xiàn)。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(xiàn)傳輸?shù)桨l(fā)射天線(xiàn)，通過(guò)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)輸送到接收機(jī)輸入端。

綜上所述，天線(xiàn)應(yīng)有以下功能：

１． 天線(xiàn)應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊＿@首先要求天線(xiàn)是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng)，其次要求天線(xiàn)與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。

２． 天線(xiàn)應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來(lái)波最大限度的接受，即方向具有方向性。

３． 天線(xiàn)應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線(xiàn)有適當(dāng)?shù)臉O化。

４． 天線(xiàn)應(yīng)有足夠的工作頻帶。

這四點(diǎn)是天線(xiàn)最基本的功能，據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線(xiàn)的依據(jù)。

把天線(xiàn)和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來(lái)的系統(tǒng)稱(chēng)為饋線(xiàn)系統(tǒng)。饋線(xiàn)的形式隨頻率的不同而分為又導(dǎo)線(xiàn)傳輸線(xiàn)、同軸線(xiàn)傳輸線(xiàn)、波導(dǎo)或微帶線(xiàn)等。所以，所謂饋線(xiàn)，實(shí)際上就是傳輸線(xiàn)。

天線(xiàn)的電參數(shù)

天線(xiàn)的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所謂天線(xiàn)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(xiàn)的方向性

衡量天線(xiàn)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(xiàn)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最高的第一旁瓣的電平。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。 （天線(xiàn)輻射的主瓣旁瓣類(lèi)似方波信號(hào)的頻譜圖）

前后比：

前后比指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。前后比越大，天線(xiàn)的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

方向系數(shù)：

在離天線(xiàn)某一距離處，天線(xiàn)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(xiàn)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)，能精確比較不同天線(xiàn)的方向性，表示了天線(xiàn)集束能量的電參數(shù)。

2. 天線(xiàn)效率

天線(xiàn)效率定義為天線(xiàn)輻射功率與輸入功率之比。

常用天線(xiàn)的輻射電阻R來(lái)試題天線(xiàn)輻射功率的能力。天線(xiàn)的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一電阻R，當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線(xiàn)上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線(xiàn)輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，即輻射電阻越大，說(shuō)明天線(xiàn)的輻射能力越強(qiáng)。

3. 增益系數(shù)

增益系數(shù)是綜合衡量天線(xiàn)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(xiàn)效率的乘積，記為： D為方向系數(shù)，為天線(xiàn)效率。 可見(jiàn)，天線(xiàn)方向系數(shù)和越高，則增益系數(shù)也就越高。

物理意義：天線(xiàn)的增益系數(shù)描述了天線(xiàn)與理想的無(wú)方向性天線(xiàn)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(xiàn)與理想全向天線(xiàn)（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(xiàn)，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。 換言之，某天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電場(chǎng)的方向。天線(xiàn)的極化方式有線(xiàn)極化方式有線(xiàn)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。

如何理解線(xiàn)極化？首先想象那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，電場(chǎng)在一個(gè)平面以正弦波傳播，磁場(chǎng)在電場(chǎng)的正交平面也以正弦波傳播，我們從起點(diǎn)沿著傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一段短線(xiàn)，這種極化就是線(xiàn)極化。那么線(xiàn)極化的方向如何確定呢？當(dāng)高頻電流通過(guò)天線(xiàn)時(shí)，會(huì)在天線(xiàn)上產(chǎn)生高頻電壓，形成高頻電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)方向一般與天線(xiàn)的走向一致，即線(xiàn)極化的極化方向是與天線(xiàn)的走向一致的。如果天線(xiàn)是水平方向架設(shè)的導(dǎo)線(xiàn)，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是水平方向的，叫它“水平極化”天線(xiàn)；如果天線(xiàn)是垂直于地面架設(shè)的導(dǎo)線(xiàn)，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線(xiàn)。（通常直線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)為線(xiàn)極化）

如何理解圓極化呢？同樣是那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，不過(guò)此時(shí)的電場(chǎng)大小始終不變，但是方向圍繞著x軸不變旋轉(zhuǎn)變化，但在任何一個(gè)平面上的投影都是一個(gè)正弦波，有點(diǎn)類(lèi)似我們對(duì)信號(hào)的處理中輻度不變，但相位在不斷變化。此時(shí)，從原點(diǎn)向傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一個(gè)圓，這種極化就是圓極化。當(dāng)然，向左旋轉(zhuǎn)就是左旋極化，向右旋轉(zhuǎn)就是右旋極化。（通常螺旋結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)為圓極化）

只有收信天線(xiàn)的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應(yīng)出最大的信號(hào)來(lái)。根據(jù)這一原理，我們可以推斷出以下結(jié)論。

對(duì)于線(xiàn)極化，當(dāng)收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向一致（電場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)最大（電磁波在極化方向上投影最大）；隨著收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向偏離越來(lái)越多時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)越?。ㄍ队安粩鄿p小）；當(dāng)收信天線(xiàn)的極化方向與線(xiàn)極化方向正交（磁場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)為零（投影為零）。線(xiàn)極化方式對(duì)天線(xiàn)的方向要求較高。當(dāng)然在實(shí)際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會(huì)引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時(shí)一個(gè)信號(hào)既可以被水平天線(xiàn)接收，也可以被垂直天線(xiàn)接收，但無(wú)論如何，天線(xiàn)的極化方向常常是需要考慮的重要問(wèn)題。

對(duì)于圓極化，無(wú)論收信天線(xiàn)的極化方向如何，感應(yīng)出的信號(hào)都是相同的，不會(huì)有什么差別（電磁波在任何方向上的投影都是一樣的）。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)的方位（這里的方位是天線(xiàn)的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數(shù)場(chǎng)合都采用了圓極化方式。

打個(gè)形象的比喻，線(xiàn)極化類(lèi)似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類(lèi)似蛇繞在木棍上繞行。再打個(gè)比喻，你拿一根繩子，上下擺，繩子傳遞的波就是線(xiàn)極化形式的；不斷地畫(huà)圓，傳遞的波就是圓極化的。