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电场、磁场与天线的关系

2019-05-13 09:45
可靠性杂坛
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一、电场与磁场

电场(E场)产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m/V,电场强度正比于导体之间的电压,反比于两导体间的距离。磁场(H场)产生于载流导体的周围,磁场的单位为m/A,磁场正比于电流,反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时,会产生电磁(EM)波,E场和H场互为正交同时传播,如图1所示。

图1 产生电磁(EM)波,E场和H场互为正交

同时传播电磁场的传播速度由媒体决定;在自由空间等于光速3×108 m /s。在靠近辐射源时,电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定,仅在远处是正交的电磁场。当干扰源的频率较高时,干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小,或者干扰源与被干扰者之间的距离r>λ/2π 时,则干扰信号可以认为是辐射场即远场,它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以泄漏和耦合形式,通过绝缘支撑物等(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。当干扰源的频率较低时,干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长,或者干扰源与干扰对象之间的距离r<λ/2π,则干扰源可以认为是近场,它以感应场形式进入被干扰对象的通路。近场耦合用电路的形式来表达就是电容和电感,电容代表电场耦合关系,电感或互感代表磁场耦合关系。这样辐射干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。图2是辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图。

图2 辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系

二、天线检测信号的方法

天线具有两种转换的功能:转换电磁波为电路可以使用的电压和电流,转换电压和电流为发射到空间的电磁波。信号是通过电磁波传输到空间中的,电磁波由分别用V/m和A/m来度量的电场和磁场构成。依据要检测的场的种类,天线具有特定的结构。如图3(a)所示的设计来拾取电场的天线由棒子和金属板构成,而如图3(b)所示的用来拾取磁场的天线则由线环构成。有时电子电气产品中的一部分(如电缆、长印制线等)就会无意识地具有这样的特性而成为天线。EMC其中一个很重要的任务就是关注并消减这些无意识的天线。当电场(V/m)碰上天线时,它沿长度方向感应一个相对于地的电压值(m·V/m=V)。与天线互连的接收机检测天线与地之间的电压。这种天线模型也可以等效为测量空间中电位的电压表的一条引线,另一条电压表引线是电路的地。

图3 用来拾取电场和磁场的天线形状

一些天线由线环构成。这些天线探测磁场而不是电场,它们是磁场天线。正像流过线圈的电流可以产生穿过线圈的磁场一样,当磁场通过线圈时线圈中也会感应出电流。磁场天线的两端被固定在一个接收电路上,这样可以由环天线引入的电流来探测磁场。磁场一般垂直于场的传播方向,所以环面应该与波传播方向平行来检测场。辐射电场的天线具有两个互相绝缘的单元。最简单的电场天线是偶极子天线,它的名字非常自然地暗示了它有两个单元。两个导体元作用类似电容器极板,只是电容板间的场是辐射到空间中,而不是被限制在两极板之间。另外,构成磁场天线的线圈类似电感,它的场被辐射到空间而不是禁锢在一个封闭的磁路中。

三、天线的形成及对电磁场的辐射

图4 电场天线形成原理

正如前面提到的,电场天线可以与电容相关联。如图4(a)所示为简单的平行板电容器,当电荷堆积在板上时,板间就会产生电场。如果板被展开并置于同一个平面,板之间的电场就会伸展到空间中。相同的情形就发生在如图4(b)所示的电场偶极子天线上。天线每部分的电荷在天线两极之间就会产生一个进入空间的场,偶极子天线的两臂之间具有一个固有的电容,如图4(c)所示。需要有电流来给偶极子臂充电,天线上每部分的电流朝相同的方向流动,这样的电流被称为天线模电流。这个条件很特殊,因为它导致了辐射的产生。当应用到天线两极的信号振荡时,场保持不断换向并将波发送到空间中。

图5 电场天线辐射形成示意图

偶极子上的电荷和电流产生的场互相垂直。如图5(a)所示,在天线上施加电压,电场E从正电荷方向指向负电荷方向。天线上的充电电流产生磁场H,方向为环绕着金属线并满足右手定则,如图5(b)所示。上帝创造了这个规律,当电子沿着金属线移动时,就会产生环绕着金属线的磁力“风”。将右手拇指指向电流的方向,环绕在金属线上的手指方向就是磁场方向。磁场的环绕导致了天线的电感特性。天线因此是一个既具有来自于电荷分布的电容,又具有来自于电流分布的电感特性的电抗性器件。

如图5(c)所示,E和H场是互相垂直的。它们以互相链接循环的方式从天线散布到空间中。当天线上的信号振荡时就形成了波。横电磁(TEM)波是在E和H的相互垂直的情况下产生的。天线也可以将一个TEM波通过互易性的原理来转换回电流和电压,天线具有发射和接收的互补性。天线的辐射情况如图6所示。天线的电抗部分在天线周围的电场和磁场中储存能量。电抗性的功率在天线的电源和电抗性元件间进行后向和前向的交换。

图6 辐射的功率流

正如在L-C电路中的电压和电流具有90°的相位差,如果天线的电阻可以忽略,天线的E场(由电压产生)和H场(由电流产生)具有90°的相位差。在一个电路中,只有当负载的阻抗有实的分量,引起电流和电压同相时,实的功率才能释放出来。这个情况也适用于天线。天线具有一些小电阻值,所以存在于天线中产生消耗的实的功率成分。为了出现辐射,E场和H场一定是同相的,如图5(c)所示。对于起电容和电感作用的天线来说,辐射是如何发生的呢?

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