天线的性质与噪声抑制的关系(2)

发射模式

无线电波会以什么方向从偶极子天线发射？
图15展示了图8(c)所示的1m长度偶极子天线周围±5m电场范围的计算结果。在此图中，天线位于直立位置的中心。不考虑地板的反射情况。信号源的输出阻抗为0Ω。随着色彩从蓝色变为红色，电场变得更强。

图15(a)是频率为30MHz的情形。在相对较低的频率范围内，电场集中在天线周围且看起来像朝着顶端和底端扩散。形状不同于如图6所示的基本模式的原因是主要观察的是近场（稍后讲述）。
图15(b)是1/2波长谐振的情形。随着频率升高，电场开始横向扩散，随后在谐振频率处大范围扩散。这个频率范围相对更接近如图6所示的基本模式。
图15(c)是3/2波长谐振的情形。可以发现发射分成6个方向。随着频率升高，发射倾向于分成这些方向。

图15 偶极子天线周围的电场计算结果

图16 偶极子天线周围的磁场计算结果

同样地，图16展示了磁场的计算结果。（因为已经调节了色标，所以电场和磁场在远场具有相同的色彩）。
如(a)所示，低频范围中的电场和磁场形状明显不同。此外，随着电场和磁场在如图(b)和(c)所示的高频范围内朝着远离天线的方向移动，电场和磁场强度趋于一致。电场和磁场之间的分布差异与波阻抗有关，这将会在后文中讲述。

[p] 偶极子天线的理论特性

如图15和16所示，尽管可以使用电磁模拟装置来观察如何从偶极子天线发射无线电波，但如果是简单的模型，也可以根据电磁理论来计算。本节中只讲述最简单的结果。
如果只考虑远场，则从非常短的天线发射的无线电波可以用以下公式来表示。如图6所示的基本发射模式是以这些公式为基础的形状。

图17 超小型偶极子天线发射的电场

此处的l，I和ω分别表示天线长度(m)、电流(A)和角频率(Hz)。波长λ与频率成反比。从这些公式，可以看出从相对小的偶极子天线发射出的无线电波具有以下特性。
(i)无线电波的强度与天线长度、电流和频率成正比，而与距离成反比。
(ii)无线电波已被极化。如图所示的垂直位置中的天线在水平方向不产生任何电场（EΦ）。
(iii)最大发射的方向是图中的横向（θ=90°）。
这可以理解为当形成天线的线路长度缩短时，可以是相同的电流，也可以降低无线电波的发射。

环形天线

另一个基本天线是环形天线。环形天线是如图3(c)所示电流流过环形线路而发射无线电波的天线。类似于偶极子天线，当线路短时发射才弱，但随着环形线路变长形成更大的面积后，发射就会变强。
图18展示了从方形的环形天线发射的计算结果。计算条件与图8中偶极子天线的计算条件相同。环路位于水平位置。
(a) 展示了每侧最小20mm的情形。发射强度保持相对小。
(b) 展示了每侧为100mm的情形。随着发射强度增加，峰值开始出现在810MHz处。
(c) 展示了每侧为0.5m的情形。发射峰值出现在最低170MHz以及近似整数倍的频率处。发射强度在170MHz及以上频率处几乎是不变的。
如上所述，环形天线还展示了与偶极子天线类似的频率特征。但区别是发射峰值出现在环形长度（一侧长度的4倍）形成整数倍波长时的频率左右处。

图18 环形天线

[p] 环形天线的谐振频率

(1) 输入阻抗
图19展示了根据图18中的计算条件得出的输入阻抗计算结果。
图19(a)展示了输入阻抗。类似于偶极子天线，这可以理解为阻抗在发射强度高的频率处达到局部最低点。与偶极子天线一样，驻波会在这些频率时出现于线路上并产生谐振。

(2) 电阻元件
图19(b)展示了每侧为100mm的电阻元件情形。类似于偶极子天线的情形，阻抗和电阻在阻抗的局部最高点和最低点彼此匹配，这可以理解为天线会在此阻抗时出现谐振。此外，类似于偶极子天线的情形，局部最高点因无法达到与信号源匹配的阻抗而不会出现发射峰值。

图19 环形天线的输入阻抗（计算值）

(3) 天线长度和谐振频率
当环形长度为波长的整数倍时，会出现环形天线的局部最低点。因此发射强度高的频率将是第一个频率的整数倍。（由于偶极子天线涉及奇数倍，所以环形天线的谐振频率间隔看起来更窄）
环形天线的谐振频率出现在稍高于正常频率的频率端，这由实际长度决定。例如，即使假设根据一个波长为750MHz，图19(b)中的局部最低点也指示810MHz。（对于偶极子天线，频率会朝着低频端偏移）

[p]

环形天线周围的电磁场

类似于上述偶极子天线，图20展示了环形天线周围电场和磁场的计算结果。如图18(c)所示，以轴指向页面顶部和底部的方向放置一个边长为0.5m的方形环形天线（因此，环形区域垂直于此页面）用于计算。
图20(a)展示了30MHz相对低频的电磁场。可以理解为强电磁场的区域仅限天线附近。而且，磁场的形状不同于如图6所示的基本模式。
图20(b)展示了170MHz的电磁场，其中出现一个波长的谐振。这可以理解为图中的结构会朝着顶端和底端发射。这种情形也不同于图6中的基本模式。
图20(c)展示了310MHz的电磁场，其中出现两个波长的谐振。这种情况下，天线会朝着横向发射，发射的形状接近图6中的基本模式。
因此需要意识到环形天线附近的电磁场可能不同于如图6所示的基本模式。图6的形状，是在距离天线足够远，且该天线相对波长而言足够小的情况下测得的。

图20 环形天线周围的电磁场计算结果

环形天线的理论特性

类似于偶极子天线，如图21所示根据电磁理论 [参考文献 3] 还可以计算环形天线的基本发射特征。图6中的基本模式以这些公式为基础。

图21 超小型环形天线发射的电场

此处的S，I和ω分别表示环形面积(m2)，电流(A)和角频率(Hz)。波长λ与频率成反比。从这些公式，可以看出从相对小的环形天线发射出的无线电波具有以下特性。
(i)无线电波的强度与环形面积、电流和频率的平方成正比，而与距离成反比。
(ii)无线电波已被极化。如图所示的水平位置中的天线在垂直方向不产生任何电场（Eθ）。
(iii)最大发射的方向是图中的横向（θ=90°）。
无线电波的强度由环形天线S的面积决定，与线路的长度没有直接关系。如果以保持S较小的方式来设计线路，则可以降低无线电波的发射。
如图18所示的计算结果看起来发射强度与频率的平方不成正比。出现这些结果的原因包括电流由于天线的输入阻抗明显不同而不稳定，以及天线无法在高频范围内被视为非常小的环路。

[p]

近场和远场

通常电场和磁场会随着远离天线而变弱。然后电场和磁场有多弱呢？
为了简化这个现象，让我们考虑100MHz的电流在短天线上均匀流动。图22展示了以电磁理论为基础的电场和磁场的计算结果。在此图中，我们可以发现:
(i)偶极子天线附近区域内的电场较强
在此区域内，电场的衰减程度与距离的立方成正比，而磁场的衰减程度与距离的平方成正比
(ii)环形天线附近区域内的磁场较强
在此区域内，磁场的衰减程度与距离的立方成正比，而电场的衰减程度与距离的平方成正比
(iii)对于这两种类型的天线，在相对远场内电场和磁场的衰减均与距离成正比。
这种情况下，电场与磁场的比率为377Ω。
(iv)到区域(iii)的转换距离大约为0.5m
这意味着区域(i)和(ii)对应于第4-2-6节中讲述的近场，而区域(iii)对应于远场。(iii)的远场被认为是以波形发射无线电波。
(iv)的转换距离会因频率而不同，已知的转换距离为λ/2π（100MHz时大约为0.5m）。
图22中的图表表示频率固定为100MHz时的特定状态，方便理解。通过将水平轴标准化为波长的距离，此图表可适用于100MHz之外的其他频率。近场内的电场和磁场会随着距离明显减弱。就噪声抑制而言，有效的方法是保持距离。但如果是短距离，就需要屏蔽，这是因为电磁发射很强。

图22 偶极子天线周围电场和磁场的距离特征

波阻抗

在天线附近使用电磁屏蔽时，屏蔽的效果会因波阻抗而有所差异。波阻抗是某个位置电场与磁场的比率。如图22所示，由于偶极子天线附近的电场较强，所以波阻抗较高，而环形天线附近的磁场较强，波阻抗就较低。
图23展示了根据图22的计算结果计算出的波阻抗。偶极子天线可能会在紧邻处（不超过1cm）产生不低于10KΩ的高阻抗，而环形天线会在其紧邻处产生不超过10Ω的低阻抗。但是对于这两种天线，当距离超过λ/2π（100MHz时为0.48m）时会转换为远场，且波阻抗固定为377Ω。这个数值是由无线电波传输所在空间的介电常数和导磁率决定的。

图23 波阻抗的计算结果

[p] 设计发射低噪声的电子设备

(1) 缩短线路长度和缩小环形面积
如上所述，无线电波的发射取决于天线的长度和环形面积。这就是为什么当减小线路长度时电子设备会不那么容易发射无线电波。
即使无法缩短线路长度，如果减小导线形成的间隙，环形面积也会变小，随之减少发射。图24展示了减小40cm导线形成的间隙面积时发射的变化。由 此可见随着形状从(a)，(b)变化为(c)，可以减少更多的发射。此外，大约在750MHz时发射峰值保持相对较高。在这个频率上，往返线路形成传输 线，形成了1/2波长谐振电路，因此通过大电流。
(2) 谐振频率上的噪声可能保持不变
另外对于偶极子天线，如果如图25所示减小折叠导线之间的间隙，就可以减少发射。这是因为即使谐振频率和电流值保持不变，辐射电阻也会降低。类似于环形天线，谐振频率上的噪声可能保持不变。为了消除这种谐振，适合使用下一节讲述的大损耗静噪元件。

图24 缩小环形面积后发射的变化（计算值）

图25 发射随线路角度的变化（计算值）

(3) 用低通滤波器降低噪声
如图24(c)和图25(c)所示，由于强谐振而在谐振频率上出现强噪声发射时，使用LC低通滤波器可以偏移谐振频率，从而在另一个频率上形成强噪声。图26展示了将电感器用作低通滤波器的示例。
图26(a)与图25(c)所示的计算结果相同。会在大约750MHz处看到强谐振。
图26(b)展示了连接50nH线圈作为EMI静噪滤波器抑制这种噪声的情形。尽管第3章进行了详细讲述，但线圈或旁路电容器用作低通滤波器可防 止噪声被传输到天线。图26(b)还展示了噪声在750MHz处因低通滤波器的效果而出现下降。不过也会看到噪声在430MHz处增大。因此需要 注意的是，将静噪元件随意地连接到谐振电路可能会改变谐振状态且增加噪声。

[p]

(4) 使用大损耗的EMI静噪滤波器
为了避免这种故障，应该选用大损耗的EMI静噪滤波器。图26(c)展示了增加一个与线圈串联的100Ω电阻器的示例。可以发现谐振已经消失，并且整个频率范围内的噪声发射被降低。铁氧体磁珠是这种方式下同时具有线圈和电阻器特征的其中一个元件。铁氧体磁珠在第3章内详细讲述。

图26 静噪元件的损耗效果（计算值）

(5) 从屏蔽罩伸出的任何导线均用作单极天线
屏蔽对抑制噪声的空间传导有效。如果可以彻底地封闭整个电子设备，屏蔽就会有效地工作。但许多电子设备会有一根导线穿过屏蔽罩，用作噪声的出入口，因此会削弱屏蔽效果。
对于这种情况的天线模型，穿过屏蔽罩的导线可以被视为用作地面的屏蔽上方的单极天线。图27(a)展示了这种情形的模型图。在这个模型中，伸出的导线长度越短，发射的噪声越小。在定性地分析实际电子设备的噪声抑制时也能得出这个结论。

(6) 屏蔽罩用作偶极子天线
在此模型中，当导线如图27(a)所示非常短时，几乎没有噪声发射。但是在实际的噪声抑制中，即使导线只有1cm，也可能会发出不可忽略的强噪声。
这是因为屏蔽本身用作偶极子天线的另一个部件，如图27(b)所示。这种情况下，发射无线电波的天线主体部件不再是伸出的导线，而是屏蔽罩本身。此时也可以认为因为屏蔽已经损坏，噪声被传导到屏蔽罩。
这种情形下的天线功能会因屏蔽罩的尺寸和形状而发生变化。谐振频率可被认为是以偶极子天线（包括屏蔽的尺寸）的谐振频率为基础。图7(c)展示了将此建模为偶极子天线时的计算结果。尽管峰值频率与图27(b)相同，但发现发射更强。

(7) 即使伸出的导线很短也要插入滤波器
如果包含噪声的导线从屏蔽中伸出，即使伸出的导线很短也要特别小心。建议在导线穿过屏蔽的位置处采用EMI静噪滤波器。

图27 用作天线的屏蔽罩示例（计算值）