【導(dǎo)讀】天線用作噪聲的導(dǎo)體傳導(dǎo)和空間傳導(dǎo)之間的調(diào)和器。如果理解了天線的本質(zhì)，就能設(shè)計(jì)出噪聲更小、成本更低的電子設(shè)備，還能恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)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(gè)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(shí)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(hào)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(gè)偶極子天線。一般而言，兩根導(dǎo)線間施加電壓時(shí)，會(huì)在周圍的空間產(chǎn)生電場(chǎng)。反過來，如果將兩根導(dǎo)線放到電場(chǎng)內(nèi)，會(huì)感應(yīng)出電壓。偶極子天線利用了這個(gè)功能，且主要對(duì)電場(chǎng)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(dǎo)線用作地面的天線。因?yàn)槠渥鳛樘炀€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(gè)環(huán)形天線。通過如圖所示的環(huán)狀導(dǎo)線施加電流時(shí)，以穿透該環(huán)路的方式產(chǎn)生磁場(chǎng)。相反，如果穿透該環(huán)路的磁場(chǎng)變化，導(dǎo)線上會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。環(huán)形天線利用了這個(gè)功能，且主要對(duì)磁場(chǎng)敏感。
(4) 無線電波的發(fā)射
如果對(duì)上述天線施加電壓或電流，會(huì)在天線周圍出現(xiàn)電場(chǎng)或磁場(chǎng)。這個(gè)電磁場(chǎng)會(huì)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(chǎng)都會(huì)轉(zhuǎn)換為無線電波。許多情況下電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大部分能量會(huì)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(dāng)電路發(fā)射無線電波時(shí)，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(shí)，發(fā)射較強(qiáng)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(gè)性質(zhì)將在下述章節(jié)內(nèi)講述。
發(fā)射的強(qiáng)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(huì)受到如圖4所示的天線和信號(hào)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(gè)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(fù)載阻抗。
請(qǐng)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(huì)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(chǎng)和磁場(chǎng)方位稱為極化。天線對(duì)這種極化有一個(gè)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(duì)電場(chǎng)高度敏感，且不接收垂直于這些元件的電場(chǎng)信號(hào)。因?yàn)榘l(fā)射無線電波也是這樣，所以不會(huì)產(chǎn)生垂直于此軸的電場(chǎng)。
對(duì)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(gè)軸，天線對(duì)這個(gè)軸向的磁場(chǎng)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(chǎng)。
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(qiáng)度會(huì)隨方向變化。這就叫做發(fā)射模式。盡管在一個(gè)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(duì) 波長而言很小的情形。如果頻率升高，天線的尺寸相對(duì)波長而言就不可忽略，這會(huì)讓發(fā)射模式出現(xiàn)變化。另請(qǐng)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(chǎng)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(jìn)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(duì)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(dòng)（稱為諧振），且更可能會(huì)發(fā)射較強(qiáng)的無線電波。如圖 7(c)所示，對(duì)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(qiáng)的無線電波會(huì)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(qiáng)度？
偶極子天線發(fā)射無線電需要多大的強(qiáng)度？圖8展示了用電磁模擬裝置計(jì)算無線電波強(qiáng)度的示例。
本次測(cè)試將1V正弦波施加到豎直設(shè)置的天線上，并測(cè)量水平方向上10m遠(yuǎn)的某個(gè)點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度。為了測(cè)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(hào)源的輸出阻抗設(shè)置為10Ω，以數(shù)字信號(hào)的諧波引起噪聲為前提，在10MHz奇數(shù)倍頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。
圖8(a)展示了天線長度最短為40mm的情形。無線電波相對(duì)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(dá)到最高值，在150MHz，430MHz和730MHz處存在峰值。
如上所述，總的趨勢(shì)是天線越長，無線電波越強(qiáng)。隨后達(dá)到某個(gè)長度時(shí)，開始出現(xiàn)峰值頻率。但即使天線再繼續(xù)延長，最大強(qiáng)度也不再會(huì)變高。
圖8 偶極子天線的頻率特征（計(jì)算值）
依照數(shù)字設(shè)備的噪聲規(guī)定，距離為10m時(shí)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(yuǎn)比這個(gè)限值要強(qiáng)，所以可以看到直接輸入1V信號(hào)會(huì)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(hào)連接到偶極子天線
當(dāng)數(shù)字信號(hào)作為噪聲源進(jìn)行連接時(shí)，發(fā)射強(qiáng)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(shí)發(fā)射強(qiáng)度的計(jì)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(hào)源進(jìn)行連接。
圖9(b)展示了連接理想的10MHz數(shù)字脈沖時(shí)的計(jì)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(hào)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(dá)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(shí)間20ns的梯形波時(shí)的計(jì)算結(jié)果。此時(shí)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(qiáng)的無線電波。因此需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，不要讓導(dǎo)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(hào)的上升時(shí)間來降低諧波。
圖9 連接到10MHz數(shù)字信號(hào)時(shí)的發(fā)射（計(jì)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(gè)頻率的波長進(jìn)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(shí)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(shí)頻率（此例中為150MHz）的奇數(shù)倍，此時(shí)更易于發(fā)射無線電波。在這些頻率上，天線會(huì)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(biāo)為1/20波長的范圍。如果設(shè)計(jì)時(shí)可以將線路或電纜長度保持在這個(gè)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(shí)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(qǐng)?zhí)?6。
[page]輸入阻抗
為什么偶極子天線會(huì)在1/2波長的頻率處出現(xiàn)較強(qiáng)的無線電波發(fā)射？其中一個(gè)原因是輸入阻抗。
圖11展示的圖表計(jì)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(huì)讓輸入阻抗成為局部最低點(diǎn)，大約100Ω（最低點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生電流，可（簡(jiǎn)單地）理解為發(fā)射較強(qiáng)的無線電波。
這個(gè)局部最低點(diǎn)稍微偏向使長度為1/2波長（取決于天線粗細(xì)度）的頻率的低頻端。在這個(gè)頻率點(diǎn)，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(jì)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(gè)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(qiáng)。盡管輸入阻抗的電阻元件不會(huì)始終與輻射電阻相同，但這個(gè)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(jì)算為1m長）的電阻元件示例。在1/2波長的諧振頻率處，這個(gè)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(dòng)，同時(shí)電阻元件也會(huì)變得更小。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，即使部分電流流動(dòng)，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(huì)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(huì)在偶數(shù)倍的頻率諧振。但是這些阻抗達(dá)到局部最大值而不允許電流流動(dòng)，也會(huì)造成相對(duì)較弱的發(fā)射。但是如果信號(hào)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(dǎo)致較強(qiáng)的發(fā)射。
[page]阻抗匹配
(1) 阻抗匹配
若要更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)無線電波發(fā)射較強(qiáng)的現(xiàn)象，則使用第3-3-6節(jié)中闡釋的阻抗匹配概念。當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗等于負(fù)載阻抗時(shí)，會(huì)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?，因此無線電波發(fā)射越強(qiáng)。相反這可以理解為隨著阻抗越遠(yuǎn)離10Ω，越多的能量會(huì)反射到噪聲源側(cè)，導(dǎo)致無線電波越弱。
(2) 共軛匹配
為了更加準(zhǔn)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(shí)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?yàn)楣曹椘ヅ涞窒娍梗运灰暈橐环N諧振狀態(tài)。
到目前為止信號(hào)源的輸出阻抗已經(jīng)在計(jì)算中設(shè)置為10Ω的電阻，存在信號(hào)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(huì)近似達(dá)到共軛匹配，且因此更可能發(fā)射無線電波。所以如果信號(hào)源有電抗，天線的諧振頻率會(huì)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(hào)源時(shí)計(jì)算發(fā)射的示例。這可以理解為增加電感會(huì)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(gè)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(yùn)作）時(shí)，噪聲強(qiáng)度會(huì)明顯不同。這可以理解為其中一個(gè)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?yàn)槭褂眠@種方法可以用相對(duì)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(huì)同時(shí)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(huì)無意間形成匹配的電路，因此會(huì)增加噪聲排放。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該選擇損耗可能最大的噪聲抑制元件。
