【導讀】天線用作噪聲的導體傳導和空間傳導之間的調(diào)和器。如果理解了天線的本質(zhì)，就能設(shè)計出噪聲更小、成本更低的電子設(shè)備，還能恰當?shù)剡\用屏蔽和EMI靜噪濾波器。
基本的天線為偶極子天線和環(huán)形天線。就噪聲抑制而言，多種電子設(shè)備的各個結(jié)構(gòu)均理解為是如圖1和圖2所示的基本天線的變形或是這些天線的組合。通過此建模，可以識別出噪聲發(fā)射及靈敏度高的頻率和方向等。本章將講述基本天線的本質(zhì)。
圖1 將數(shù)字信號線路理解為天線的建模示例
圖2 將接口電纜理解為天線的建模示例
兩種基本天線
圖3展示了本節(jié)中講述的基本天線的模型。
(1) 偶極子天線
圖3(a)展示了一個偶極子天線。一般而言，兩根導線間施加電壓時，會在周圍的空間產(chǎn)生電場。反過來，如果將兩根導線放到電場內(nèi)，會感應(yīng)出電壓。偶極子天線利用了這個功能，且主要對電場敏感。
(2) 單極天線
圖3(b)中的單極天線是將偶極子天線的其中一根導線用作地面的天線。因為其作為天線的功能類似于偶極子天線，所以本節(jié)將其作為一種偶極子天線處理。
(3) 環(huán)形天線
圖3(c)展示了一個環(huán)形天線。通過如圖所示的環(huán)狀導線施加電流時，以穿透該環(huán)路的方式產(chǎn)生磁場。相反，如果穿透該環(huán)路的磁場變化，導線上會出現(xiàn)感應(yīng)的電動勢。環(huán)形天線利用了這個功能，且主要對磁場敏感。
(4) 無線電波的發(fā)射
如果對上述天線施加電壓或電流，會在天線周圍出現(xiàn)電場或磁場。這個電磁場會產(chǎn)生無線電波，然后發(fā)射出去。但不是天線周圍的所有電磁場都會轉(zhuǎn)換為無線電波。許多情況下電場和磁場的大部分能量會返回到天線。本節(jié)中，將轉(zhuǎn)換為無線電波但未返回到天線的組成部分稱為發(fā)射。
圖3 基本天線
[page]天線的本質(zhì)
當電路發(fā)射無線電波時，天線作為接收無線電波的出入口。本節(jié)中引入了一些表述天線功能的術(shù)語。
(1) 易于發(fā)射無線電波的天線
施加電壓或電流時，發(fā)射較強無線電波的天線被視為高效天線。通常天線形狀越大，越容易發(fā)射無線電波。這個性質(zhì)將在下述章節(jié)內(nèi)講述。
發(fā)射的強度與天線接收的功率呈比例關(guān)系。接收的功率隨著施加到天線的電壓或電流升高而變大。但也會受到如圖4所示的天線和信號源之間的匹配阻抗水平所影響。
此外，易于發(fā)射無線電波的天線也易于高效接收無線電波。本節(jié)著重于在這個天線本質(zhì)的前提下闡釋噪聲發(fā)射。接收無線電波的匹配阻抗利用了與天線相連的負載阻抗。
請注意，本節(jié)中所述的高效天線不同于天線理論內(nèi)提及的高增益天線。還要注意本節(jié)闡釋的前提是天線本身不會有任何損耗。
圖4 無線電波發(fā)射和阻抗匹配
(2) 極化和天線方向
空中傳輸無線電波的電場和磁場方位稱為極化。天線對這種極化有一個高度敏感的方向。圖5展示了基本天線的方向。
偶極子天線在天線元件的伸展方向（以下稱為“天線軸”）對電場高度敏感，且不接收垂直于這些元件的電場信號。因為發(fā)射無線電波也是這樣，所以不會產(chǎn)生垂直于此軸的電場。
對于環(huán)形天線而言，在垂直于環(huán)形平面的方向上存在一個軸，天線對這個軸向的磁場高度敏感。感應(yīng)不到垂直于此軸（平行于環(huán)形平面）的磁場。
圖5 無線電波的極化和天線方向
(3) 發(fā)射模式
天線不是再所有方向上都均勻地發(fā)射。發(fā)射的強度會隨方向變化。這就叫做發(fā)射模式。盡管在一個方向上集中發(fā)射的天線被視為具有良好的指向性，但噪聲抑制并不需要天線有良好的指向性。
圖6展示了基本天線的發(fā)射模式。如圖所示，即使方位不同，偶極子天線和環(huán)形天線的發(fā)射模式均具有相同的形狀。但這些發(fā)射模式僅適用于天線尺寸相對 波長而言很小的情形。如果頻率升高，天線的尺寸相對波長而言就不可忽略，這會讓發(fā)射模式出現(xiàn)變化。另請注意這些只代表了作為無線電波發(fā)射的元件，而天線附 近的電磁場分布是與此不同的。
圖6 基本天線的發(fā)射模式（低頻）
以下章節(jié)講述了這些基本天線的本質(zhì)及其與噪聲發(fā)射的關(guān)系。首先闡釋偶極子天線，隨后在此基礎(chǔ)上進一步闡釋環(huán)形天線。
[page]偶極子天線
(1) 偶極子天線
在兩條開放線路之間施加電壓以發(fā)射無線電波的天線稱為偶極子天線。如果如圖7(a)所示線路長度相對波長非常短，則噪聲發(fā)射較弱。但如果如 圖7(b)所示總長度接近1/2波長（這意味著每側(cè)為1/4波長），電流更易于流動（稱為諧振），且更可能會發(fā)射較強的無線電波。如圖 7(c)所示，對偶極子天線的一側(cè)接地形成的單極天線也被視為偶極子天線的變形事例。這種情況下，較強的無線電波會出現(xiàn)在天線長度為1/4波長的 頻率處。
圖7 偶極子天線
(2) 發(fā)射無線電需要多大的強度？
偶極子天線發(fā)射無線電需要多大的強度？圖8展示了用電磁模擬裝置計算無線電波強度的示例。
本次測試將1V正弦波施加到豎直設(shè)置的天線上，并測量水平方向上10m遠的某個點處的電場強度。為了測量噪聲，考慮了地板和天線高度中心的反射。天線的厚度設(shè)置為1mm，信號源的輸出阻抗設(shè)置為10Ω，以數(shù)字信號的諧波引起噪聲為前提，在10MHz奇數(shù)倍頻率的基礎(chǔ)上進行計算。
圖8(a)展示了天線長度最短為40mm的情形。無線電波相對有限。
圖8(b)展示了天線長度為200mm的情形。無線電波明顯增加，且在690MHz出現(xiàn)峰值。
圖8(c)展示了天線長度延長到1m的情形。無線電波已經(jīng)達到最高值，在150MHz，430MHz和730MHz處存在峰值。
如上所述，總的趨勢是天線越長，無線電波越強。隨后達到某個長度時，開始出現(xiàn)峰值頻率。但即使天線再繼續(xù)延長，最大強度也不再會變高。
圖8 偶極子天線的頻率特征（計算值）
依照數(shù)字設(shè)備的噪聲規(guī)定，距離為10m時的極限值已經(jīng)設(shè)置為30至40dBµV/m。由于圖8的圖表中顯示的范圍遠比這個限值要強，所以可以看到直接輸入1V信號會發(fā)射出大幅超過噪聲規(guī)定限值的無線電波。[page]
(3) 將數(shù)字信號連接到偶極子天線
當數(shù)字信號作為噪聲源進行連接時，發(fā)射強度有多大？圖9展示了將第2-4節(jié)中說明的諧波連接到圖8(b)中的20cm天線時發(fā)射強度的計算結(jié)果。
圖9(a)與圖8(b)使用相同的數(shù)據(jù)，其中將1V正弦波作為信號源進行連接。
圖9(b)展示了連接理想的10MHz數(shù)字脈沖時的計算結(jié)果。垂直軸的顯示范圍已經(jīng)在圖表中偏移了40dB。即使噪聲源是數(shù)字信號諧波，也可以看到發(fā)射出的無線電波超過了CISPR二類限值達30dB。
圖9(c)展示了如第2-4-4節(jié)所述，脈沖波形作為過渡時間20ns的梯形波時的計算結(jié)果。此時的結(jié)果可以低于限值。
如上所述，偶極子天線能夠發(fā)射非常強的無線電波。因此需要謹慎設(shè)計，不要讓導線和電子設(shè)備中采用的結(jié)構(gòu)形狀構(gòu)成偶極子天線的形狀。如果無法避免偶極子天線的形狀，可以預(yù)防性地采用EMI靜噪濾波器，通過延遲信號的上升時間來降低諧波。
圖9 連接到10MHz數(shù)字信號時的發(fā)射（計算值）
(4) 天線長度和波長的關(guān)系
在圖8中，峰值頻率和天線尺寸之間存在某種關(guān)系。圖10展示了將天線長度與每個頻率的波長進行比較的圖解。
如圖所示，200mm和1m的長度分別在750MHz和150MHz形成1/2波長。這些頻率幾乎與圖8中的峰值一致。如上所述，偶極子天線在其長度形成1/2波長的頻率時更易于發(fā)射無線電波。圖8(c)還展示了除了大約150MHz（1/2波長）之外的循環(huán)內(nèi)無線電波的峰值。這些是天線波長為1/2波長時頻率（此例中為150MHz）的奇數(shù)倍，此時更易于發(fā)射無線電波。在這些頻率上，天線會如第3-3-6節(jié)所述產(chǎn)生駐波和諧波，使天線更易于通過電流。
就噪聲抑制而言，重要的是保持線路長度（可能用作天線）短于波長，這樣才能減少噪聲發(fā)射。圖9顯示了目標為1/20波長的范圍。如果設(shè)計時可以將線路或電纜長度保持在這個范圍內(nèi)，就可以減少噪聲問題。
圖10 天線長度和波長的關(guān)系
以下從4到15的章節(jié)講述了在噪聲轉(zhuǎn)換為無線電波時決定天線功效的因素。講述的內(nèi)容稍有技術(shù)含量。如果不是很感興趣，請?zhí)?6。
[page]輸入阻抗
為什么偶極子天線會在1/2波長的頻率處出現(xiàn)較強的無線電波發(fā)射？其中一個原因是輸入阻抗。
圖11展示的圖表計算了圖4-2-8中所用天線的輸入阻抗。如果天線與波長相比很短，就可以看到輸入阻抗為1000Ω或更高，電流幾乎難以通過。相比之下，使得長度形成1/2波長奇數(shù)倍的頻率會讓輸入阻抗成為局部最低點，大約100Ω（最低點大約是73Ω），使其更易于通過電流。（在圖8中，頻率由于20MHz的增量，看上去稍有偏移）
如上所述，由于降低了天線的輸入阻抗且因此在長度為1/2波長的奇數(shù)倍頻率時產(chǎn)生電流，可（簡單地）理解為發(fā)射較強的無線電波。
這個局部最低點稍微偏向使長度為1/2波長（取決于天線粗細度）的頻率的低頻端。在這個頻率點，阻抗成為純電阻，沒有任何電抗，這意味著天線出現(xiàn)諧振。因 為其他頻率有電抗，所以可根據(jù)電抗的極性稱其為電感（電抗處于陽極狀態(tài)，類似于電感器）或電容（電抗處于陰極狀態(tài)，類似于電容器）。
圖11 偶極子天線的輸入阻抗（計算值）
輻射電阻
天線輸入阻抗的電阻元件表示為輻射電阻。這個輻射電阻表示天線將電流轉(zhuǎn)換為無線電波的功能，其中相同電流下輻射電阻越大，發(fā)射的無線電波越強。盡管輸入阻抗的電阻元件不會始終與輻射電阻相同，但這個電阻元件可以作為輻射電阻的參考。
圖12展示了偶極子天線（圖8中計算為1m長）的電阻元件示例。在1/2波長的諧振頻率處，這個電阻大約為73Ω。
在天線長度短于1/2波長的頻率范圍內(nèi)，輸入阻抗較高且電流難以流動，同時電阻元件也會變得更小。在這個頻率范圍內(nèi)，即使部分電流流動，也難以發(fā)射。
相比之下，在超過1/2波長的頻率范圍內(nèi)，電阻元件的比率會變得更高。在此頻率范圍內(nèi)，即使通過的電流非常小，也可發(fā)射。因此觀察到圖8(c)的高頻范圍內(nèi)超出諧振頻率的頻率范圍內(nèi)存在高電平發(fā)射。
圖12 輸入阻抗的電阻元件
從圖12理解到，偶極子天線不僅在1/2波長的奇數(shù)倍諧振，還會在偶數(shù)倍的頻率諧振。但是這些阻抗達到局部最大值而不允許電流流動，也會造成相對較弱的發(fā)射。但是如果信號源阻抗較高，這些頻率的偶數(shù)倍可造成更好的阻抗匹配，從而導致較強的發(fā)射。
[page]阻抗匹配
(1) 阻抗匹配
若要更加準確地表現(xiàn)無線電波發(fā)射較強的現(xiàn)象，則使用第3-3-6節(jié)中闡釋的阻抗匹配概念。當信號源的輸出阻抗等于負載阻抗時，會因阻抗匹配而傳輸最高能量。
在圖8的情況下，隨著天線的輸入阻抗越接近10Ω，傳輸?shù)哪芰吭蕉啵虼藷o線電波發(fā)射越強。相反這可以理解為隨著阻抗越遠離10Ω，越多的能量會反射到噪聲源側(cè)，導致無線電波越弱。
(2) 共軛匹配
為了更加準確地表述阻抗匹配，我們使用共軛匹配的概念。
如圖13所示，共軛匹配表示除了加上阻抗的實部（電阻元件）之外還要抵消虛部（電抗元件）的狀態(tài)。這種方式允許最大能量傳輸給含天線等電抗的電路。因為共軛匹配抵消電抗，所以它被視為一種諧振狀態(tài)。
到目前為止信號源的輸出阻抗已經(jīng)在計算中設(shè)置為10Ω的電阻，存在信號源有一些電抗的情況。在這些情況下，這可以理解為在抵消天線電抗的頻率處會近似達到共軛匹配，且因此更可能發(fā)射無線電波。所以如果信號源有電抗，天線的諧振頻率會產(chǎn)生偏移，且更可能在波長不是1/2波長的頻率處發(fā)射無線電波。
圖13 共軛匹配
匹配的電路
(1) 由于共軛匹配而發(fā)生頻率變化的示例
作為天線諧振頻率因共軛匹配而偏移的示例，圖14展示了小電感(50nH)增加到圖8(b)所示情況下的信號源時計算發(fā)射的示例。這可以理解為增加電感會讓諧振頻率朝著低頻端偏移。
改變線路長度幾厘米就能容易產(chǎn)生這個電感水平（50nH）。就電子設(shè)備的噪聲抑制而言，電路之間的線路長度發(fā)生上述變化（無需更改電路運作）時，噪聲強度會明顯不同。這可以理解為其中一個因素是發(fā)射噪聲的天線的諧振發(fā)生變化。
圖14 偶極子天線的諧振變化示例
(2) 匹配電路
因為使用這種方法可以用相對短的天線在低頻范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振，所以可用于產(chǎn)生緊湊的無線電路。用于調(diào)節(jié)共軛匹配（例如本例中增加的50nH電感）的電路稱為匹配電路。通常匹配的電路會同時調(diào)節(jié)電抗和電阻元件。
如果是噪聲抑制的情況，增加的用于消除噪聲的電感器或電容器可能會無意間形成匹配的電路，因此會增加噪聲排放。為了降低這種風險，應(yīng)該選擇損耗可能最大的噪聲抑制元件。
