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高频电磁中的天线到底是如何工作的?

要回答这个问题,必须先了解一下电磁波辐射和传播的原理。
电磁辐射实际上是电磁能量以波的形式通过空间传播的现象。根据电磁学基本理论,大量带电粒子的定向移动会形成电流,电流周围会产生磁场,随时间变化的电流则会产生变化的磁场;同样,随时间变化的磁场也能产生电场。这样变化的电场和磁场交替产生,在空间中保持相互垂直的关系不断向外传播,这就是电磁辐射。示意图如下所示:

我们由电磁辐射现象形成的原因可以得知,电磁辐射产生必须具备两个条件:
1.必须存在时变源,时变源可以是时变的电荷源、时变的电流源或者时变的电磁场,并且时变源的频率应该足够高,才有可能产生明显的辐射效应。(这也是为什么电磁辐射发生在高频段)
2.波源电路必须开放,源电路的结构方式对辐射强弱有极大影响。封闭的电路结构(如谐振器)是不会产生电磁辐射的。

那么天线,就是无线通信系统中用来辐射和接收无线电波的装置。
天线的作用是将传输线中的导行电磁波转化为空间电磁波或者实现相反的过程(体现天线的互易性),即天线实际上是一个换能器。以无线电通信设备为例,在发射端,发射机产生的已调制的高频振荡电流(能量)经馈电设备输入发射天线,发射天线将高频电流或导波转变为无线电波向周围空间辐射;在接收端,无线电波(能量)通过接收天线转变成高频电流或导波,经馈电设备传送到接收机。

实际上,当导线上载有交变电流时,就会辐射电磁波,并且辐射能力与导线的长短和形状有关。交变电流满足了电磁辐射条件1,那么条件2怎么满足呢?
如果把电压源连接到一个另一端接着天线的双线传输线中,假设电压源是正弦的,在导体间的电场也是与电压源相同的正弦周期。导体间时变的电场和磁场形成可在传输线上传播的电磁波。如果把天线结构除去,自由空间波可以通过“连接”开放的末端电线(用虚线表示)形成。如下图所示:

我们类比水纹波,有鹅卵石掉入平静的水面中时,水面产生扰动,水纹波在水表面行进。如果扰动去除,波不会停止或消失而是继续它们的行进过程。如果持续扰动,新的波会与前面的波连续产生。这与电荷扰动产生电磁波是同样的道理,由信号源产生起始的电荷扰动是短时间的,即使信号源不复存在,传输线中的电磁波也会传输到天线,最后辐射到自由空间。如果电荷扰动是连续的、自然的,辐射的电磁波会连续存在且有序地跟在前面的电磁波后面。因此可以得出结论,场需要电荷激发,却不需要电荷维持。场可以脱离电荷存在

如果传输线上下两导线的距离很近,两导线所产生的的感应电动势几乎可以抵消,因而辐射很微弱;如果将两导线张开,这时由于两导线的电流方向相同,由两导线所产生的感应电动势方向相同,因而辐射增强。当导线的长度远小于辐射电磁波的波长时,辐射很微弱;当导线的长度可与辐射的电磁波波长相比拟时,导线上的电流就大大增加,形成较强的辐射。
这里张开的导线结构就满足了电磁辐射的条件2——开放条件。将上述能产生显著辐射的直导线称为振子,振子就是一个简单的天线

现实生活中的很多天线,例如车载天线、通信基站天线、电视天线等,都是不同形态的振子或者振子的变形与组合。汽车上面的这个类似鱼鳍的东西其实就是汽车的车载天线。正是因为汽车上安装了各种各样的天线,汽车才能同时具备数字广播、移动电视、GPS导航系统和语言识别等多种功能。

0 条评论 A文章作者 M管理员
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