電磁兼容理論在天線工程中的應用

摘要：天線工程是空管系統信息網絡建設中必不可少的研究內容，天線是雷達設備、導航監視設備、衛星通信系統以及其他所有無線電收發系統中最重要的組成部分之一。天線工作狀態的好壞，直接影響著整個系統的性能，而電磁兼容性良好的天線將有著更好的性能。本文基于電磁場理論，從天線原理出發，先闡述了近區場與遠區場的概念，然后以近遠區場為基礎，討論了天線工程里的若干重要參數與電磁兼容理論之間的關系。

關鍵詞：天線工程;交變電偶極子;近區場;遠區場;輻射

在空管系統通信網絡建設中，有許多設備是在正常運行時有意將電磁能量輻射到空中，例如雷達導航設備、衛星通信天饋設備、無線電收發信機等。同時也有一些設備是無意向外輻射電磁能量的，例如供電模塊的開關、機械控制裝置等。所有這些有意或無意輻射的電磁能量達到一定程度時，會嚴重影響設備的正常運行。電磁兼容即是某種設備在既定的工作條件下抵抗這種電磁干擾的能力。在天線工程與設計中，基于電磁兼容理論的系統設計已成為不可忽視的一部分。

1"電偶極子產生的場

任何形式和形狀的天線都可以看成是無限多個載有交流信號的基本小線元組成，這些基本元通常成為電偶極子。電偶極子的排列方式決定著天線的極化方式：水平排列的偶極子產生水平極化波;垂直排列的偶極子產生垂直極化波;而如果兩個偶極子對稱地成直角放在一起，饋送的電流幅度相同，相位相差90°，則產生圓極化波。

通過麥克斯韋方程組可知交變的電磁場之間存在著相互關系。通過一系列計算和推導可得出在球坐標系下，電偶極矩為Pm的輻射場中，磁感應強度大小為：

式中k為相移常數，μ0為真空磁導率，為以原點為中心向外擴散的球面波，r為輻射距離。

電場強度為r軸和軸的矢量相加，即：

其中

2"近區場與遠區場

滿足krlt;lt;1條件的空間區域，我們叫做電偶極子的近區場。在近區場內由于krlt;lt;1，故對于1/（kr）3的項而言，1/（kr）2和1/（kr）的項可以忽略，且e-jwr≈1。當ω趨于0時可以看出，近區磁場與靜態磁場在形式上完全一樣，因此在近場區內由于電磁波的有限傳播速度所引起的相位滯后效應可以忽略。

滿足krgt;gt;1條件的空間區域叫做電偶極子的遠區場。在遠區場內由于krgt;gt;1，故（kr）-1gt;gt;（kr）-2gt;gt;（kr）-3，對于1/（kr）的項而言，1/（kr）2和1/（kr）3的項可以忽略，所以電場強度和磁場強度的表達式變成：

由于，所以在遠場區內，電場和磁場滿足如下關系：

（其中c為真空中光速）

在遠場區內，占主要成分的場與近場區完全不同，其電場強度和磁場強度同相，并且輻射場占主要成分。在其他條件相同的情況下，頻率越高，輻射能力就越強，遠區場中主要部分所攜帶的電磁功率將全部輻射出去。

3"天線的輻射功率與輻射電阻

通過交變電偶極子的電磁場，可以計算它所輻射的電磁功率。以交變電偶極子為中心，以r為半徑做一個封閉球面，則傳出面的電磁功率即為：

其中為復數坡印廷矢量。因為輻射場的電磁功率是可以輻射的，所以交變電偶極子的輻射功率可以由遠場區公式計算得出：

（W）

對于只有空間中的交變電偶極子，波阻抗為（Ω），所以輻射功率為：

（W）

從公式中可以看出，交變電偶極子輻射的總功率與成正比，一般叫做交變電偶極子的電尺寸，對于交變電偶極子來說，電尺寸總是很小的，所以它的輻射能力會受到很大的限制。如何在電偶極矩與工作波長之間找到一個平衡的關系，是天線工程中比較重要的工作之一。

衡量一個輻射天線的輻射能力還有一個比較重要的指標，就是輻射電阻。這里借用了電路理論中的“電阻”，一詞來反應輻射器的輻射情況，即將輻射器輻射的功率等效為被一個電阻吸收的功率，并將這個等效的電阻值定義為輻射器的輻射電阻。當發射機饋到天線上的電流穩定時，天線的輻射電阻越大，輻射能力就越強。借用了電路理論中公式的形式，輻射功率為：

（W）

這里就是輻射電阻。在自由空間中交變電偶極子的輻射電阻為：

由于交變電偶極子的電尺寸很小，因此其輻射電阻也不大，這說明它的輻射能力不強。例如在自由空間中，當=0.1時，對于交變電偶極子來說，已經是非常大的電尺寸了，但輻射電阻僅有7.89歐姆。

4"天線的輸入阻抗與天線匹配

天線的輸入阻抗是天線輸入端所呈現的阻抗，即天線饋電端輸入電壓與電流的比值，天線的輸入阻抗會受到其他天線和鄰近物體的影響。輸入阻抗由實部和虛部組成：，其中輸入電阻表示功率的損耗，功率可以由兩種方式損耗，即以電磁波的形式輻射出去和天線的熱損耗。輸入阻抗表示功率在天線近場中的存儲情況。

天線與饋線的連接，最佳情形是天線的輸入阻抗是純電阻并且等于饋線的特性阻抗。這時饋線端口沒有功率反射，饋線上不存在駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。饋電網絡用來完成天線的匹配工作，消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。一般通信、雷達天線的輸入阻抗是50歐。

天線匹配的優劣可以用反射系數、行波系數、駐波比和回波損耗等參數來衡量，這四個參數之間有確定的數值關系，使用哪一個出于習慣，一般情況較多使用的是駐波比和回波損耗。

天線的回波損耗是反射系數絕對值的倒數，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0dB表示全反射，無窮大表示完全匹配。

天線饋線阻抗應與天線的輸入阻抗完全匹配，否則在天線端口就會有反射波產生，在饋線上存在流向信號源的電磁波。由反射波和入射波合成而形成的電磁波稱為駐波，駐波信號振幅的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比（VSWR）。它是行波系數的倒數，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在通信系統中，一般要求駐波比小于2～3。

5"天線隔離度

天線收發之間的隔離程度定義為天線的隔離度，其定義為發射天線的發射功率Pt與接收天線所接收的功率Pr比值：

通常在工程應用中，以dB為單位來表示，即：

當兩個天線均處于彼此遠區的情況下，其能量耦合主要通過輻射場來實現。設接收天線與發射天線之間的距離為r，其中遠場條件分別為：，，rgt;gt;Dt，rgt;gt;Dr，且rgt;gt;。其中，Dt是發射天線的最大尺寸（等效直徑），Dr是接收天線的最大尺寸（等效直徑）。當收發天線外形尺寸相差較小時，均可近似被認為是具有一定方向性的點源，則發射天線發出的電磁波可被近似為球面波，且在接收天線處可視作平面波，此時天線隔離度可以表示為：

其中為收發天線直視情況下的空間隔離，由收發天線之間的距離d和波長λ等因素決定，;為發射天線在接收方向上的天線增益，應根據收發天線的相對位置從發射天線增益方向圖中讀取;為接收天線在發射方向上的天線增益，應根據收發天線的相對位置從接收天線增益方向圖中讀取。

當收發天線之間的極化不完全匹配時，還要考慮極化失配帶來的隔離度這一項，即總的天線隔離度可表示為：

工程上圓極化對垂直或水平極化的失配損耗約為3dB，垂直極化和水平極化之間的失配損耗約為20～35dB。

如果天線不能同時滿足位于彼此的遠場這一條件，則兩天線之間的相互干擾主要不是通過輻射場來進行的，而是通過近區束縛場或近區感應場。

由于天線功率增益的概念是在遠場區中建立的，所以不適用于近場天線隔離度的分析。近場情況下一般可以講待分析的收發天線所組成的系統看成是一個二端口網絡，如上圖所示：

信號源的最大輸出功率為Ptmax，負載阻抗為Z，吸收的功率為Pr，則天線隔離度可以定義為：

根據天線隔離度的定義可進一步化為：

其中，是發射天線阻抗實部;是負載阻抗實部。

6"結束語

在天線工程中絕大多數的電磁兼容問題都是由于電磁場近區場、遠區場以及感應場等共存所引起的，所以了解遠近區場相關的原理及特性十分必要。在空管網絡系統的設計以及工程實施中，如果前期不做綜合的電磁兼容性考慮，在出現電磁干擾問題后再分析原因尋求解決辦法，那么對于結構較復雜的天線系統來說，出現干擾的可能性極大，而且不易分析其原因所在，有時甚至由于干擾極大而導致設計失敗等致命性的影響。嚴格按照電磁兼容設計規范，在網絡建設初期就進行綜合的考慮，可將電磁干擾發生的可能性降到最低，同時在整個天線工程的設計與實施階段應不斷地進行修正和補充，使系統工作在最佳狀態。

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