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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。
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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,主要籍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,其能量⼏乎全部反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,能量不可能反回原振荡电路,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。
每⼀段流过⾼频电流的导线都会有电磁辐射。
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。
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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
蜜春堂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=13
dB=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”。
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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。
传输线也是⼀种导体,但是与天线不同,不希望电磁波在这⾥传播时有辐射。所以,⽤⾦属做成的传
输线的结构,是尽量不辐射能量。以最常的同轴线缆为例,中间⼀根导线,外⾯还有⼀圈环形导线,电磁波就在这样⼀个空间中传播,⽽不会辐射出去。最常⽤的是TEM波(横波)传输线,主要包括:双⾏平等线,同轴线,带状线,微带线等。
来源:互联⽹公开资料,EMC家园编辑

本文发布于:2024-09-21 15:30:08,感谢您对本站的认可!

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