天线的性质与噪声抑制的关系(1)

基本的天线为偶极子天线和环形天线。就噪声抑制而言，多种电子设备的各个结构均理解为是如图1和图2所示的基本天线的变形或是这些天线的组合。通过此建模，可以识别出噪声发射及灵敏度高的频率和方向等。本章将讲述基本天线的本质。

图1 将数字信号线路理解为天线的建模示例

图2 将接口电缆理解为天线的建模示例

两种基本天线

图3展示了本节中讲述的基本天线的模型。
(1) 偶极子天线
图3(a)展示了一个偶极子天线。一般而言，两根导线间施加电压时，会在周围的空间产生电场。反过来，如果将两根导线放到电场内，会感应出电压。偶极子天线利用了这个功能，且主要对电场敏感。

(2) 单极天线
图3(b)中的单极天线是将偶极子天线的其中一根导线用作地面的天线。因为其作为天线的功能类似于偶极子天线，所以本节将其作为一种偶极子天线处理。

(3) 环形天线
图3(c)展示了一个环形天线。通过如图所示的环状导线施加电流时，以穿透该环路的方式产生磁场。相反，如果穿透该环路的磁场变化，导线上会出现感应的电动势。环形天线利用了这个功能，且主要对磁场敏感。

(4) 无线电波的发射
如果对上述天线施加电压或电流，会在天线周围出现电场或磁场。这个电磁场会产生无线电波，然后发射出去。但不是天线周围的所有电磁场都会转换为无线电波。许多情况下电场和磁场的大部分能量会返回到天线。本节中，将转换为无线电波但未返回到天线的组成部分称为发射。

图3 基本天线

[page]天线的本质

当电路发射无线电波时，天线作为接收无线电波的出入口。本节中引入了一些表述天线功能的术语。
(1) 易于发射无线电波的天线
施加电压或电流时，发射较强无线电波的天线被视为高效天线。通常天线形状越大，越容易发射无线电波。这个性质将在下述章节内讲述。
发射的强度与天线接收的功率呈比例关系。接收的功率随着施加到天线的电压或电流升高而变大。但也会受到如图4所示的天线和信号源之间的匹配阻抗水平所影响。
此外，易于发射无线电波的天线也易于高效接收无线电波。本节着重于在这个天线本质的前提下阐释噪声发射。接收无线电波的匹配阻抗利用了与天线相连的负载阻抗。
请注意，本节中所述的高效天线不同于天线理论内提及的高增益天线。还要注意本节阐释的前提是天线本身不会有任何损耗。

图4 无线电波发射和阻抗匹配

(2) 极化和天线方向
空中传输无线电波的电场和磁场方位称为极化。天线对这种极化有一个高度敏感的方向。图5展示了基本天线的方向。
偶极子天线在天线元件的伸展方向（以下称为“天线轴”）对电场高度敏感，且不接收垂直于这些元件的电场信号。因为发射无线电波也是这样，所以不会产生垂直于此轴的电场。
对于环形天线而言，在垂直于环形平面的方向上存在一个轴，天线对这个轴向的磁场高度敏感。感应不到垂直于此轴（平行于环形平面）的磁场。

图5 无线电波的极化和天线方向

(3) 发射模式
天线不是再所有方向上都均匀地发射。发射的强度会随方向变化。这就叫做发射模式。尽管在一个方向上集中发射的天线被视为具有良好的指向性，但噪声抑制并不需要天线有良好的指向性。
图6展示了基本天线的发射模式。如图所示，即使方位不同，偶极子天线和环形天线的发射模式均具有相同的形状。但这些发射模式仅适用于天线尺寸相对 波长而言很小的情形。如果频率升高，天线的尺寸相对波长而言就不可忽略，这会让发射模式出现变化。另请注意这些只代表了作为无线电波发射的元件，而天线附 近的电磁场分布是与此不同的。

图6 基本天线的发射模式（低频）

以下章节讲述了这些基本天线的本质及其与噪声发射的关系。首先阐释偶极子天线，随后在此基础上进一步阐释环形天线。

[page]偶极子天线

(1) 偶极子天线
在两条开放线路之间施加电压以发射无线电波的天线称为偶极子天线。如果如图7(a)所示线路长度相对波长非常短，则噪声发射较弱。但如果如 图7(b)所示总长度接近1/2波长（这意味着每侧为1/4波长），电流更易于流动（称为谐振），且更可能会发射较强的无线电波。如图 7(c)所示，对偶极子天线的一侧接地形成的单极天线也被视为偶极子天线的变形事例。这种情况下，较强的无线电波会出现在天线长度为1/4波长的 频率处。

图7 偶极子天线

(2) 发射无线电需要多大的强度？
偶极子天线发射无线电需要多大的强度？图8展示了用电磁模拟装置计算无线电波强度的示例。
本次测试将1V正弦波施加到竖直设置的天线上，并测量水平方向上10m远的某个点处的电场强度。为了测量噪声，考虑了地板和天线高度中心的反射。天线的厚度设置为1mm，信号源的输出阻抗设置为10Ω，以数字信号的谐波引起噪声为前提，在10MHz奇数倍频率的基础上进行计算。
图8(a)展示了天线长度最短为40mm的情形。无线电波相对有限。
图8(b)展示了天线长度为200mm的情形。无线电波明显增加，且在690MHz出现峰值。
图8(c)展示了天线长度延长到1m的情形。无线电波已经达到最高值，在150MHz，430MHz和730MHz处存在峰值。
如上所述，总的趋势是天线越长，无线电波越强。随后达到某个长度时，开始出现峰值频率。但即使天线再继续延长，最大强度也不再会变高。

图8 偶极子天线的频率特征（计算值）

依照数字设备的噪声规定，距离为10m时的极限值已经设置为30至40dBµV/m。由于图8的图表中显示的范围远比这个限值要强，所以可以看到直接输入1V信号会发射出大幅超过噪声规定限值的无线电波。[page]

(3) 将数字信号连接到偶极子天线
当数字信号作为噪声源进行连接时，发射强度有多大？图9展示了将第2-4节中说明的谐波连接到图8(b)中的20cm天线时发射强度的计算结果。
图9(a)与图8(b)使用相同的数据，其中将1V正弦波作为信号源进行连接。
图9(b)展示了连接理想的10MHz数字脉冲时的计算结果。垂直轴的显示范围已经在图表中偏移了40dB。即使噪声源是数字信号谐波，也可以看到发射出的无线电波超过了CISPR二类限值达30dB。
图9(c)展示了如第2-4-4节所述，脉冲波形作为过渡时间20ns的梯形波时的计算结果。此时的结果可以低于限值。
如上所述，偶极子天线能够发射非常强的无线电波。因此需要谨慎设计，不要让导线和电子设备中采用的结构形状构成偶极子天线的形状。如果无法避免偶极子天线的形状，可以预防性地采用EMI静噪滤波器，通过延迟信号的上升时间来降低谐波。

图9 连接到10MHz数字信号时的发射（计算值）

(4) 天线长度和波长的关系
在图8中，峰值频率和天线尺寸之间存在某种关系。图10展示了将天线长度与每个频率的波长进行比较的图解。
如图所示，200mm和1m的长度分别在750MHz和150MHz形成1/2波长。这些频率几乎与图8中的峰值一致。如上所述，偶极子天线在其长度形成1/2波长的频率时更易于发射无线电波。图8(c)还展示了除了大约150MHz（1/2波长）之外的循环内无线电波的峰值。这些是天线波长为1/2波长时频率（此例中为150MHz）的奇数倍，此时更易于发射无线电波。在这些频率上，天线会如第3-3-6节所述产生驻波和谐波，使天线更易于通过电流。
就噪声抑制而言，重要的是保持线路长度（可能用作天线）短于波长，这样才能减少噪声发射。图9显示了目标为1/20波长的范围。如果设计时可以将线路或电缆长度保持在这个范围内，就可以减少噪声问题。

图10 天线长度和波长的关系

以下从4到15的章节讲述了在噪声转换为无线电波时决定天线功效的因素。讲述的内容稍有技术含量。如果不是很感兴趣，请跳到16。

[page]输入阻抗

为什么偶极子天线会在1/2波长的频率处出现较强的无线电波发射？其中一个原因是输入阻抗。
图11展示的图表计算了图4-2-8中所用天线的输入阻抗。如果天线与波长相比很短，就可以看到输入阻抗为1000Ω或更高，电流几乎难以通过。相比之下，使得长度形成1/2波长奇数倍的频率会让输入阻抗成为局部最低点，大约100Ω（最低点大约是73Ω），使其更易于通过电流。（在图8中，频率由于20MHz的增量，看上去稍有偏移）

如上所述，由于降低了天线的输入阻抗且因此在长度为1/2波长的奇数倍频率时产生电流，可（简单地）理解为发射较强的无线电波。
这个局部最低点稍微偏向使长度为1/2波长（取决于天线粗细度）的频率的低频端。在这个频率点，阻抗成为纯电阻，没有任何电抗，这意味着天线出现谐振。因 为其他频率有电抗，所以可根据电抗的极性称其为电感（电抗处于阳极状态，类似于电感器）或电容（电抗处于阴极状态，类似于电容器）。

图11 偶极子天线的输入阻抗（计算值）

辐射电阻

天线输入阻抗的电阻元件表示为辐射电阻。这个辐射电阻表示天线将电流转换为无线电波的功能，其中相同电流下辐射电阻越大，发射的无线电波越强。尽管输入阻抗的电阻元件不会始终与辐射电阻相同，但这个电阻元件可以作为辐射电阻的参考。
图12展示了偶极子天线（图8中计算为1m长）的电阻元件示例。在1/2波长的谐振频率处，这个电阻大约为73Ω。
在天线长度短于1/2波长的频率范围内，输入阻抗较高且电流难以流动，同时电阻元件也会变得更小。在这个频率范围内，即使部分电流流动，也难以发射。
相比之下，在超过1/2波长的频率范围内，电阻元件的比率会变得更高。在此频率范围内，即使通过的电流非常小，也可发射。因此观察到图8(c)的高频范围内超出谐振频率的频率范围内存在高电平发射。

图12 输入阻抗的电阻元件

从图12理解到，偶极子天线不仅在1/2波长的奇数倍谐振，还会在偶数倍的频率谐振。但是这些阻抗达到局部最大值而不允许电流流动，也会造成相对较弱的发射。但是如果信号源阻抗较高，这些频率的偶数倍可造成更好的阻抗匹配，从而导致较强的发射。

[page]阻抗匹配

(1) 阻抗匹配
若要更加准确地表现无线电波发射较强的现象，则使用第3-3-6节中阐释的阻抗匹配概念。当信号源的输出阻抗等于负载阻抗时，会因阻抗匹配而传输最高能量。
在图8的情况下，随着天线的输入阻抗越接近10Ω，传输的能量越多，因此无线电波发射越强。相反这可以理解为随着阻抗越远离10Ω，越多的能量会反射到噪声源侧，导致无线电波越弱。

(2) 共轭匹配
为了更加准确地表述阻抗匹配，我们使用共轭匹配的概念。
如图13所示，共轭匹配表示除了加上阻抗的实部（电阻元件）之外还要抵消虚部（电抗元件）的状态。这种方式允许最大能量传输给含天线等电抗的电路。因为共轭匹配抵消电抗，所以它被视为一种谐振状态。
到目前为止信号源的输出阻抗已经在计算中设置为10Ω的电阻，存在信号源有一些电抗的情况。在这些情况下，这可以理解为在抵消天线电抗的频率处会近似达到共轭匹配，且因此更可能发射无线电波。所以如果信号源有电抗，天线的谐振频率会产生偏移，且更可能在波长不是1/2波长的频率处发射无线电波。

图13 共轭匹配

匹配的电路

(1) 由于共轭匹配而发生频率变化的示例
作为天线谐振频率因共轭匹配而偏移的示例，图14展示了小电感(50nH)增加到图8(b)所示情况下的信号源时计算发射的示例。这可以理解为增加电感会让谐振频率朝着低频端偏移。
改变线路长度几厘米就能容易产生这个电感水平（50nH）。就电子设备的噪声抑制而言，电路之间的线路长度发生上述变化（无需更改电路运作）时，噪声强度会明显不同。这可以理解为其中一个因素是发射噪声的天线的谐振发生变化。

图14 偶极子天线的谐振变化示例

(2) 匹配电路
因为使用这种方法可以用相对短的天线在低频范围内产生谐振，所以可用于产生紧凑的无线电路。用于调节共轭匹配（例如本例中增加的50nH电感）的电路称为匹配电路。通常匹配的电路会同时调节电抗和电阻元件。
如果是噪声抑制的情况，增加的用于消除噪声的电感器或电容器可能会无意间形成匹配的电路，因此会增加噪声排放。为了降低这种风险，应该选择损耗可能最大的噪声抑制元件。