發(fā)射模式
無(wú)線電波會(huì)以什么方向從偶極子天線發(fā)射?
圖15展示了圖8(c)所示的1m長(zhǎng)度偶極子天線周圍±5m電場(chǎng)范圍的計(jì)算結(jié)果。在此圖中,天線位于直立位置的中心。不考慮地板的反射情況。信號(hào)源的輸出阻抗為0Ω。隨著色彩從藍(lán)色變?yōu)榧t色,電場(chǎng)變得更強(qiáng)。
圖15(a)是頻率為30MHz的情形。在相對(duì)較低的頻率范圍內(nèi),電場(chǎng)集中在天線周圍且看起來(lái)像朝著頂端和底端擴(kuò)散。形狀不同于如圖6所示的基本模式的原因是主要觀察的是近場(chǎng)(稍后講述)。
圖15(b)是1/2波長(zhǎng)諧振的情形。隨著頻率升高,電場(chǎng)開始橫向擴(kuò)散,隨后在諧振頻率處大范圍擴(kuò)散。這個(gè)頻率范圍相對(duì)更接近如圖6所示的基本模式。
圖15(c)是3/2波長(zhǎng)諧振的情形??梢园l(fā)現(xiàn)發(fā)射分成6個(gè)方向。隨著頻率升高,發(fā)射傾向于分成這些方向。
同樣地,圖16展示了磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。(因?yàn)橐呀?jīng)調(diào)節(jié)了色標(biāo),所以電場(chǎng)和磁場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)具有相同的色彩)。
如(a)所示,低頻范圍中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)形狀明顯不同。此外,隨著電場(chǎng)和磁場(chǎng)在如圖(b)和(c)所示的高頻范圍內(nèi)朝著遠(yuǎn)離天線的方向移動(dòng),電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度趨于一致。電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的分布差異與波阻抗有關(guān),這將會(huì)在后文中講述。
[page]偶極子天線的理論特性
如圖15和16所示,盡管可以使用電磁模擬裝置來(lái)觀察如何從偶極子天線發(fā)射無(wú)線電波,但如果是簡(jiǎn)單的模型,也可以根據(jù)電磁理論來(lái)計(jì)算。本節(jié)中只講述最簡(jiǎn)單的結(jié)果。
如果只考慮遠(yuǎn)場(chǎng),則從非常短的天線發(fā)射的無(wú)線電波可以用以下公式來(lái)表示。如圖6所示的基本發(fā)射模式是以這些公式為基礎(chǔ)的形狀。
此處的l,I和ω分別表示天線長(zhǎng)度(m)、電流(A)和角頻率(Hz)。波長(zhǎng)λ與頻率成反比。從這些公式,可以看出從相對(duì)小的偶極子天線發(fā)射出的無(wú)線電波具有以下特性。
(i)無(wú)線電波的強(qiáng)度與天線長(zhǎng)度、電流和頻率成正比,而與距離成反比。
(ii)無(wú)線電波已被極化。如圖所示的垂直位置中的天線在水平方向不產(chǎn)生任何電場(chǎng)(EΦ)。
(iii)最大發(fā)射的方向是圖中的橫向(θ=90°)。
這可以理解為當(dāng)形成天線的線路長(zhǎng)度縮短時(shí),可以是相同的電流,也可以降低無(wú)線電波的發(fā)射。
環(huán)形天線
另一個(gè)基本天線是環(huán)形天線。環(huán)形天線是如圖3(c)所示電流流過環(huán)形線路而發(fā)射無(wú)線電波的天線。類似于偶極子天線,當(dāng)線路短時(shí)發(fā)射才弱,但隨著環(huán)形線路變長(zhǎng)形成更大的面積后,發(fā)射就會(huì)變強(qiáng)。
圖18展示了從方形的環(huán)形天線發(fā)射的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件與圖8中偶極子天線的計(jì)算條件相同。環(huán)路位于水平位置。
(a) 展示了每側(cè)最小20mm的情形。發(fā)射強(qiáng)度保持相對(duì)小。
(b) 展示了每側(cè)為100mm的情形。隨著發(fā)射強(qiáng)度增加,峰值開始出現(xiàn)在810MHz處。
(c) 展示了每側(cè)為0.5m的情形。發(fā)射峰值出現(xiàn)在最低170MHz以及近似整數(shù)倍的頻率處。發(fā)射強(qiáng)度在170MHz及以上頻率處幾乎是不變的。
如上所述,環(huán)形天線還展示了與偶極子天線類似的頻率特征。但區(qū)別是發(fā)射峰值出現(xiàn)在環(huán)形長(zhǎng)度(一側(cè)長(zhǎng)度的4倍)形成整數(shù)倍波長(zhǎng)時(shí)的頻率左右處。
[page]環(huán)形天線的諧振頻率
(1) 輸入阻抗
圖19展示了根據(jù)圖18中的計(jì)算條件得出的輸入阻抗計(jì)算結(jié)果。
圖19(a)展示了輸入阻抗。類似于偶極子天線,這可以理解為阻抗在發(fā)射強(qiáng)度高的頻率處達(dá)到局部最低點(diǎn)。與偶極子天線一樣,駐波會(huì)在這些頻率時(shí)出現(xiàn)于線路上并產(chǎn)生諧振。
(2) 電阻元件
圖19(b)展示了每側(cè)為100mm的電阻元件情形。類似于偶極子天線的情形,阻抗和電阻在阻抗的局部最高點(diǎn)和最低點(diǎn)彼此匹配,這可以理解為天線會(huì)在此阻抗時(shí)出現(xiàn)諧振。此外,類似于偶極子天線的情形,局部最高點(diǎn)因無(wú)法達(dá)到與信號(hào)源匹配的阻抗而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射峰值。
(3) 天線長(zhǎng)度和諧振頻率
當(dāng)環(huán)形長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),會(huì)出現(xiàn)環(huán)形天線的局部最低點(diǎn)。因此發(fā)射強(qiáng)度高的頻率將是第一個(gè)頻率的整數(shù)倍。(由于偶極子天線涉及奇數(shù)倍,所以環(huán)形天線的諧振頻率間隔看起來(lái)更窄)
環(huán)形天線的諧振頻率出現(xiàn)在稍高于正常頻率的頻率端,這由實(shí)際長(zhǎng)度決定。例如,即使假設(shè)根據(jù)一個(gè)波長(zhǎng)為750MHz,圖19(b)中的局部最低點(diǎn)也指示810MHz。(對(duì)于偶極子天線,頻率會(huì)朝著低頻端偏移)[page]
環(huán)形天線周圍的電磁場(chǎng)
類似于上述偶極子天線,圖20展示了環(huán)形天線周圍電場(chǎng)和磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。如圖18(c)所示,以軸指向頁(yè)面頂部和底部的方向放置一個(gè)邊長(zhǎng)為0.5m的方形環(huán)形天線(因此,環(huán)形區(qū)域垂直于此頁(yè)面)用于計(jì)算。
圖20(a)展示了30MHz相對(duì)低頻的電磁場(chǎng)??梢岳斫鉃閺?qiáng)電磁場(chǎng)的區(qū)域僅限天線附近。而且,磁場(chǎng)的形狀不同于如圖6所示的基本模式。
圖20(b)展示了170MHz的電磁場(chǎng),其中出現(xiàn)一個(gè)波長(zhǎng)的諧振。這可以理解為圖中的結(jié)構(gòu)會(huì)朝著頂端和底端發(fā)射。這種情形也不同于圖6中的基本模式。
圖20(c)展示了310MHz的電磁場(chǎng),其中出現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)的諧振。這種情況下,天線會(huì)朝著橫向發(fā)射,發(fā)射的形狀接近圖6中的基本模式。
因此需要意識(shí)到環(huán)形天線附近的電磁場(chǎng)可能不同于如圖6所示的基本模式。圖6的形狀,是在距離天線足夠遠(yuǎn),且該天線相對(duì)波長(zhǎng)而言足夠小的情況下測(cè)得的。
環(huán)形天線的理論特性
類似于偶極子天線,如圖21所示根據(jù)電磁理論 [參考文獻(xiàn) 3] 還可以計(jì)算環(huán)形天線的基本發(fā)射特征。圖6中的基本模式以這些公式為基礎(chǔ)。
此處的S,I和ω分別表示環(huán)形面積(m2),電流(A)和角頻率(Hz)。波長(zhǎng)λ與頻率成反比。從這些公式,可以看出從相對(duì)小的環(huán)形天線發(fā)射出的無(wú)線電波具有以下特性。
(i)無(wú)線電波的強(qiáng)度與環(huán)形面積、電流和頻率的平方成正比,而與距離成反比。
(ii)無(wú)線電波已被極化。如圖所示的水平位置中的天線在垂直方向不產(chǎn)生任何電場(chǎng)(Eθ)。
(iii)最大發(fā)射的方向是圖中的橫向(θ=90°)。
無(wú)線電波的強(qiáng)度由環(huán)形天線S的面積決定,與線路的長(zhǎng)度沒有直接關(guān)系。如果以保持S較小的方式來(lái)設(shè)計(jì)線路,則可以降低無(wú)線電波的發(fā)射。
如圖18所示的計(jì)算結(jié)果看起來(lái)發(fā)射強(qiáng)度與頻率的平方不成正比。出現(xiàn)這些結(jié)果的原因包括電流由于天線的輸入阻抗明顯不同而不穩(wěn)定,以及天線無(wú)法在高頻范圍內(nèi)被視為非常小的環(huán)路。[page]
近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)
通常電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)隨著遠(yuǎn)離天線而變?nèi)酢H缓箅妶?chǎng)和磁場(chǎng)有多弱呢?
為了簡(jiǎn)化這個(gè)現(xiàn)象,讓我們考慮100MHz的電流在短天線上均勻流動(dòng)。圖22展示了以電磁理論為基礎(chǔ)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。在此圖中,我們可以發(fā)現(xiàn):
(i)偶極子天線附近區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)較強(qiáng)
在此區(qū)域內(nèi),電場(chǎng)的衰減程度與距離的立方成正比,而磁場(chǎng)的衰減程度與距離的平方成正比
(ii)環(huán)形天線附近區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)較強(qiáng)
在此區(qū)域內(nèi),磁場(chǎng)的衰減程度與距離的立方成正比,而電場(chǎng)的衰減程度與距離的平方成正比
(iii)對(duì)于這兩種類型的天線,在相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的衰減均與距離成正比。
這種情況下,電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率為377Ω。
(iv)到區(qū)域(iii)的轉(zhuǎn)換距離大約為0.5m
這意味著區(qū)域(i)和(ii)對(duì)應(yīng)于第4-2-6節(jié)中講述的近場(chǎng),而區(qū)域(iii)對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)場(chǎng)。(iii)的遠(yuǎn)場(chǎng)被認(rèn)為是以波形發(fā)射無(wú)線電波。
(iv)的轉(zhuǎn)換距離會(huì)因頻率而不同,已知的轉(zhuǎn)換距離為λ/2π(100MHz時(shí)大約為0.5m)。
圖22中的圖表表示頻率固定為100MHz時(shí)的特定狀態(tài),方便理解。通過將水平軸標(biāo)準(zhǔn)化為波長(zhǎng)的距離,此圖表可適用于100MHz之外的其他頻率。近場(chǎng)內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)隨著距離明顯減弱。就噪聲抑制而言,有效的方法是保持距離。但如果是短距離,就需要屏蔽,這是因?yàn)殡姶虐l(fā)射很強(qiáng)。
波阻抗
在天線附近使用電磁屏蔽時(shí),屏蔽的效果會(huì)因波阻抗而有所差異。波阻抗是某個(gè)位置電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率。如圖22所示,由于偶極子天線附近的電場(chǎng)較強(qiáng),所以波阻抗較高,而環(huán)形天線附近的磁場(chǎng)較強(qiáng),波阻抗就較低。
圖23展示了根據(jù)圖22的計(jì)算結(jié)果計(jì)算出的波阻抗。偶極子天線可能會(huì)在緊鄰處(不超過1cm)產(chǎn)生不低于10KΩ的高阻抗,而環(huán)形天線會(huì)在其緊鄰處產(chǎn)生不超過10Ω的低阻抗。但是對(duì)于這兩種天線,當(dāng)距離超過λ/2π(100MHz時(shí)為0.48m)時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場(chǎng),且波阻抗固定為377Ω。這個(gè)數(shù)值是由無(wú)線電波傳輸所在空間的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率決定的。
[page]設(shè)計(jì)發(fā)射低噪聲的電子設(shè)備
(1) 縮短線路長(zhǎng)度和縮小環(huán)形面積
如上所述,無(wú)線電波的發(fā)射取決于天線的長(zhǎng)度和環(huán)形面積。這就是為什么當(dāng)減小線路長(zhǎng)度時(shí)電子設(shè)備會(huì)不那么容易發(fā)射無(wú)線電波。
即使無(wú)法縮短線路長(zhǎng)度,如果減小導(dǎo)線形成的間隙,環(huán)形面積也會(huì)變小,隨之減少發(fā)射。圖24展示了減小40cm導(dǎo)線形成的間隙面積時(shí)發(fā)射的變化。由 此可見隨著形狀從(a),(b)變化為(c),可以減少更多的發(fā)射。此外,大約在750MHz時(shí)發(fā)射峰值保持相對(duì)較高。在這個(gè)頻率上,往返線路形成傳輸 線,形成了1/2波長(zhǎng)諧振電路,因此通過大電流。
(2) 諧振頻率上的噪聲可能保持不變
另外對(duì)于偶極子天線,如果如圖25所示減小折疊導(dǎo)線之間的間隙,就可以減少發(fā)射。這是因?yàn)榧词怪C振頻率和電流值保持不變,輻射電阻也會(huì)降低。類似于環(huán)形天線,諧振頻率上的噪聲可能保持不變。為了消除這種諧振,適合使用下一節(jié)講述的大損耗靜噪元件。
(3) 用低通濾波器降低噪聲
如圖24(c)和圖25(c)所示,由于強(qiáng)諧振而在諧振頻率上出現(xiàn)強(qiáng)噪聲發(fā)射時(shí),使用LC低通濾波器可以偏移諧振頻率,從而在另一個(gè)頻率上形成強(qiáng)噪聲。圖26展示了將電感器用作低通濾波器的示例。
圖26(a)與圖25(c)所示的計(jì)算結(jié)果相同。會(huì)在大約750MHz處看到強(qiáng)諧振。
圖26(b)展示了連接50nH線圈作為EMI靜噪濾波器抑制這種噪聲的情形。盡管第3章進(jìn)行了詳細(xì)講述,但線圈或旁路電容器用作低通濾波器可防 止噪聲被傳輸?shù)教炀€。圖26(b)還展示了噪聲在750MHz處因低通濾波器的效果而出現(xiàn)下降。不過也會(huì)看到噪聲在430MHz處增大。因此需要 注意的是,將靜噪元件隨意地連接到諧振電路可能會(huì)改變諧振狀態(tài)且增加噪聲。[page]
(4) 使用大損耗的EMI靜噪濾波器
為了避免這種故障,應(yīng)該選用大損耗的EMI靜噪濾波器。圖26(c)展示了增加一個(gè)與線圈串聯(lián)的100Ω電阻器的示例??梢园l(fā)現(xiàn)諧振已經(jīng)消失,并且整個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲發(fā)射被降低。鐵氧體磁珠是這種方式下同時(shí)具有線圈和電阻器特征的其中一個(gè)元件。鐵氧體磁珠在第3章內(nèi)詳細(xì)講述。
(5) 從屏蔽罩伸出的任何導(dǎo)線均用作單極天線
屏蔽對(duì)抑制噪聲的空間傳導(dǎo)有效。如果可以徹底地封閉整個(gè)電子設(shè)備,屏蔽就會(huì)有效地工作。但許多電子設(shè)備會(huì)有一根導(dǎo)線穿過屏蔽罩,用作噪聲的出入口,因此會(huì)削弱屏蔽效果。
對(duì)于這種情況的天線模型,穿過屏蔽罩的導(dǎo)線可以被視為用作地面的屏蔽上方的單極天線。圖27(a)展示了這種情形的模型圖。在這個(gè)模型中,伸出的導(dǎo)線長(zhǎng)度越短,發(fā)射的噪聲越小。在定性地分析實(shí)際電子設(shè)備的噪聲抑制時(shí)也能得出這個(gè)結(jié)論。
(6) 屏蔽罩用作偶極子天線
在此模型中,當(dāng)導(dǎo)線如圖27(a)所示非常短時(shí),幾乎沒有噪聲發(fā)射。但是在實(shí)際的噪聲抑制中,即使導(dǎo)線只有1cm,也可能會(huì)發(fā)出不可忽略的強(qiáng)噪聲。
這是因?yàn)槠帘伪旧碛米髋紭O子天線的另一個(gè)部件,如圖27(b)所示。這種情況下,發(fā)射無(wú)線電波的天線主體部件不再是伸出的導(dǎo)線,而是屏蔽罩本身。此時(shí)也可以認(rèn)為因?yàn)槠帘我呀?jīng)損壞,噪聲被傳導(dǎo)到屏蔽罩。
這種情形下的天線功能會(huì)因屏蔽罩的尺寸和形狀而發(fā)生變化。諧振頻率可被認(rèn)為是以偶極子天線(包括屏蔽的尺寸)的諧振頻率為基礎(chǔ)。圖7(c)展示了將此建模為偶極子天線時(shí)的計(jì)算結(jié)果。盡管峰值頻率與圖27(b)相同,但發(fā)現(xiàn)發(fā)射更強(qiáng)。
(7) 即使伸出的導(dǎo)線很短也要插入濾波器
如果包含噪聲的導(dǎo)線從屏蔽中伸出,即使伸出的導(dǎo)線很短也要特別小心。建議在導(dǎo)線穿過屏蔽的位置處采用EMI靜噪濾波器。