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本帖最后由 alexwang 于 2020-5-7 09:29 编辑 : d8 v+ i: X5 Z( v$ `. \
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EDA365原创 作者：汪洋大海
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1895年，意大利人伽利尔摩·马可尼 在家中第一次接收到了2.7公里以外山顶上发出的无线电信号。人类第一次实现了信息的无线传输。 " X k5 N; p6 |* Q1 o$ {% t
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1973年4月的一天，手机之父马丁·库帕站在纽约街头，掏出一个约有两块砖头大的无线电话，并打了一通，引得过路人纷纷驻足侧目。 ; f" F1 Q" a9 |; o
# J. F& O$ [1 W3 K今天，通行全球的海事卫星电话，遍布城市的铁塔基站，随处可见的WIFI热点，以及几乎人手一部的手机。无线通信已经和我们的生活密不可分。 随着新一代的5G通信系统的建立，万物无线互联的时代正在向我们悄悄走来。 8 F" h' d* w3 m
5 G) ~/ ^/ @2 [, ?" b; U0 h2 T
& G6 L" M% ?% h0 ~ Z而这一切，都离不开天线！所有的无线传输，最终都要通过天线来传输能量。
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- C( a) @4 O- y @- b那么你们知道天线是如何将有线信号转变为无线信号的么？ 我们需要了解3个方面的知识！ / p( }- x$ Y% |6 Y2 o
1、什么是天线？ 7 Q& s. [5 W& Y3 q: K8 z) v
面对这个问题，我估计大家会一脸懵……不是太难，而是太简单了。 是的，这个问题确实简单，不过这里还是需要再说一遍。
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狭义上的天线，指的就是我们无线通讯系统中，承载无线电波发射和接收的一种物理结构。
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. [/ a, g, m/ A; |- o而广义上的天线，可以是指一切能够辐射或者接收电磁能量的物理结构。
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! R2 o- H" I* A+ \. b l专业天线书籍对天线的定义是，一种附有导行波与自由空间波相互转换区域的结构，够拗口的~~ 6 [% Q+ l( `% ?4 O
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4 h1 b1 J7 W- }- z) N# `0 g在电路中，我们通过电子的移动来传输射频信号；在自由空间中，我们则通过光子来传播电磁波信号。天线就是将电子转变为光子（或反之）的一种结构。 # G) G* `- e. K4 Z
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8 ^) Z" S) S2 J. h8 {科普一下，光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有能量、动量、质量。 & f5 x' X6 l2 u
在同等输入能量的条件下，天线辐射强弱可以用天线辐射出来的电磁波的强弱来衡量，那么什么是电磁波？ 0 U* ~) w0 v( |7 n* z7 a
2、什么是电磁波？ ) W; f# E) N5 W: c5 A
我估计大家可能觉得：“这很简单啊，电磁波就是一道波啊，就和声波一样。” + u0 t# H% l% C7 l0 t- H8 B
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其实不然，电磁波的传播和声波还真不一样。电磁波本质上是电环接磁环接电环接磁环……这种连绵不绝环环相扣的传播模式。
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电磁波是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。 S% s7 F9 S4 o/ H& j
由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。
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/ w; q/ a; p7 E- z# e其传播理论源自麦克斯韦方程： ' Y; G! w. P; h! J
* T5 t: d9 H. l9 r8 H什么？看不懂？
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/ F! T) F; {# a2 V" C: f没关系，复杂的计算交给电脑，我们只需要知道这个方程组可以用来解释电磁波的传输原理就行了。 了解了天线和电磁波以后，我们接下来就讲讲天线是如何辐射电磁波的？ 0 Z/ }% Z, P, C1 g9 T1 _) F+ G
/ |5 W( }+ L& C* ~3、天线是如何辐射能量的 1 ?5 k' j" p6 j# ^% I, {2 _4 v6 U
说到这个话题，小编翻遍了各种天线教科书，发现《天线》这本书有对天线辐射最清晰直观的表述。 b$ p2 p: C& J; L, f7 s' w" T) k
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之前已经说过了，天线是一种附有导行波与自由空间波相互转换区域的结构，也就是说，能量通过天线完成了电流和电磁波之间的互换。 那么，这个互换是如何产生的呢？ Y8 x5 J0 x" p/ a; M
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在均匀电流的周围，是不会有电磁波辐射的（电场及磁场稳定无变化），但是变化的电流周围，就会有电磁波的产生。（这就是为什么LDO几乎不会带来辐射干扰，而DC-DC开关电源会带来辐射干扰的原因）
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我们都知道，电流是由电荷移动而产生的。为了更直观的解释天线辐射的基本原理，我们通常用描述天线上电荷移动的方式来描述天线的辐射。 下面让我们以偶极子天线为例，描述下天线辐射产生的原理：
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▲ 假设我们的偶极子天线就是一段长直导体。当电荷沿着长直导体匀速运动时，周围并不会有电磁波产生，也就不会有辐射。 5 g1 Y; s1 S& `; z
但是，当电荷沿长直导体往返加速（或减速）运动时，就会在周围产生电磁波，形成辐射。 / k* ^. t4 A9 O3 i
我们假设，偶极子天线两端分别各有一颗电量相等，极性相反的电荷，设两颗电荷之间的初始间距为L，而长直导体的尺寸相当： 3 `4 G7 f4 ~. w3 c0 u5 r2 w
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, `% ]: C: R3 p设此时t=0，因为电荷分别位于导体两端，所以两颗电荷之间的压差V为最大，电荷移动的加速度为最大，但是电荷还没有开始移动，所以电流I=0，电场场线路图所示。
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电荷异性相吸，在不可描述的力的作用下，两颗电荷开始靠近，而且移动速度越来越快，而加速度则慢慢变小
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假设此时t=1/8T，由于电荷的移动，长直导体上产生了电流，电场也发生了变化。两个电荷是加速靠近的，从而推动电场场线外移，也就是波前外移。 这里加入一个书中的一个名词：波前字面上的意思就是电磁波场线的外沿。两个电荷继续移动，并在中点交汇。此时t= 1/4T 8 l. ^% L- d7 [6 ~" O k
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_+ X8 f/ l4 Q7 [! R此时电荷已加速到最大速度，所以电流I=max，而压差V=0，电荷的加速度随着压差的消失也变为0，波前因为电荷的移动而继续向外移动。 + N; }1 W7 i* ?& b/ G- C; z
两颗电荷交汇以后不是停下了，而是继续移动，所以我们看到电场场线在中点有一个交叉。而这个交叉最终会切断原先的场线，从而产生一个电场闭环。 ) y% R- F1 k) ?8 a! \
两颗电荷交错而过，继续向相反的方向移动，此时t=3/8T
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我们看到由于电荷的交错，电荷之间的电场方向发生了变化，场线方向和原先相反，原先的场线只好和新场线做了个切割。 # t' I. }3 P2 h* b
而且新场线不断变大，从而对原场线产生了挤压，波前不断外移，就这样，辐射产生了…… & M; G6 b. _$ L
要注意，此时电荷因为不可描述的力的影响，其移动是减速的，电流不断减小，而因为距离拉远，新的压差又产生了，并且在不断增大。
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终于，这两颗电荷经过长途跋涉，来到了长直导体的末端，而不得不停下来。此时t=1/2T
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; O) s0 D5 a$ b! i我们看到，新的电场线已形成，和原先的场线强度相当而方向相反。电流因为电荷运动的停止而归零，电荷间的压差则再次达到最大。 6 X& E& |3 P6 W( S
在接下来的1/2T时间里，两个电荷会再次靠近，交汇，远离，直到回到原来的位置，一个新的闭环场线也将脱离导体，向外辐射。
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这就是天线辐射的基本原理，怎么样，是不是很简单啊！
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当长直导体中，无数多个电荷，同时开始往复运动以后，就形成了下面这种辐射场：
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$ q0 F# S9 K0 g/ X5 \( B& D& l我们看到，无穷无尽的场线被切割，被挤压，不断向外扩散而去。 ! P' w- j m, `0 N1 }% Y
4、总结 0 _8 t' i, F7 i+ P N7 S
通常来说，尺寸为 波长/2的偶极子振子天线会有较强的辐射能力，但是当偶极子天线远小于工作波长时，辐射能力会变得很差。 这是为什么呢？
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我觉得我们可以从偶极子天线辐射的原理来解释，让我们回到第一张图，也就是t=0的时候。
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4 u- u" A% d, Q C- `/ h当天线尺寸比较小时，两个电荷之间的压差会比较小，而原始的场强也比较小，闭合场线离开天线后的能量携带也就比较小，辐射能力自然就差了。 最后来一个简单粗暴的公式，它简洁的描述了天线增益和天线尺寸及波长之间的关系。
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由这个公式可以看出，天线尺寸越大，天线的辐射性能越好。
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好了，天线辐射原理的解释到这就结束了，各位看官都看明白了么？ 9 L2 |; y1 {" R! I* u7 m5 n4 A# V
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注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载。
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发表于 2019-4-16 16:45
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