【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。
發(fā)射模式
無(wú)線電波會(huì)以什么方向從偶極子天線發(fā)射？
圖15展示了圖8(c)所示的1m長(zhǎng)度偶極子天線周?chē)?plusmn;5m電場(chǎng)范圍的計(jì)算結(jié)果。在此圖中，天線位于直立位置的中心。不考慮地板的反射情況。信號(hào)源的輸出阻抗為0Ω。隨著色彩從藍(lán)色變?yōu)榧t色，電場(chǎng)變得更強(qiáng)。
圖15(a)是頻率為30MHz的情形。在相對(duì)較低的頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)集中在天線周?chē)铱雌饋?lái)像朝著頂端和底端擴(kuò)散。形狀不同于如圖6所示的基本模式的原因是主要觀察的是近場(chǎng)（稍后講述）。
圖15(b)是1/2波長(zhǎng)諧振的情形。隨著頻率升高，電場(chǎng)開(kāi)始橫向擴(kuò)散，隨后在諧振頻率處大范圍擴(kuò)散。這個(gè)頻率范圍相對(duì)更接近如圖6所示的基本模式。
圖15(c)是3/2波長(zhǎng)諧振的情形。可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射分成6個(gè)方向。隨著頻率升高，發(fā)射傾向于分成這些方向。
圖15 偶極子天線周?chē)碾妶?chǎng)計(jì)算結(jié)果
圖16 偶極子天線周?chē)拇艌?chǎng)計(jì)算結(jié)果
同樣地，圖16展示了磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。（因?yàn)橐呀?jīng)調(diào)節(jié)了色標(biāo)，所以電場(chǎng)和磁場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)具有相同的色彩）。
如(a)所示，低頻范圍中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)形狀明顯不同。此外，隨著電場(chǎng)和磁場(chǎng)在如圖(b)和(c)所示的高頻范圍內(nèi)朝著遠(yuǎn)離天線的方向移動(dòng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度趨于一致。電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的分布差異與波阻抗有關(guān)，這將會(huì)在后文中講述。
[page]偶極子天線的理論特性
如圖15和16所示，盡管可以使用電磁模擬裝置來(lái)觀察如何從偶極子天線發(fā)射無(wú)線電波，但如果是簡(jiǎn)單的模型，也可以根據(jù)電磁理論來(lái)計(jì)算。本節(jié)中只講述最簡(jiǎn)單的結(jié)果。
如果只考慮遠(yuǎn)場(chǎng)，則從非常短的天線發(fā)射的無(wú)線電波可以用以下公式來(lái)表示。如圖6所示的基本發(fā)射模式是以這些公式為基礎(chǔ)的形狀。
圖17 超小型偶極子天線發(fā)射的電場(chǎng)
此處的l，I和ω分別表示天線長(zhǎng)度(m)、電流(A)和角頻率(Hz)。波長(zhǎng)λ與頻率成反比。從這些公式，可以看出從相對(duì)小的偶極子天線發(fā)射出的無(wú)線電波具有以下特性。
(i)無(wú)線電波的強(qiáng)度與天線長(zhǎng)度、電流和頻率成正比，而與距離成反比。
(ii)無(wú)線電波已被極化。如圖所示的垂直位置中的天線在水平方向不產(chǎn)生任何電場(chǎng)（EΦ）。
(iii)最大發(fā)射的方向是圖中的橫向（θ=90°）。
這可以理解為當(dāng)形成天線的線路長(zhǎng)度縮短時(shí)，可以是相同的電流，也可以降低無(wú)線電波的發(fā)射。
環(huán)形天線
另一個(gè)基本天線是環(huán)形天線。環(huán)形天線是如圖3(c)所示電流流過(guò)環(huán)形線路而發(fā)射無(wú)線電波的天線。類似于偶極子天線，當(dāng)線路短時(shí)發(fā)射才弱，但隨著環(huán)形線路變長(zhǎng)形成更大的面積后，發(fā)射就會(huì)變強(qiáng)。
圖18展示了從方形的環(huán)形天線發(fā)射的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件與圖8中偶極子天線的計(jì)算條件相同。環(huán)路位于水平位置。
(a) 展示了每側(cè)最小20mm的情形。發(fā)射強(qiáng)度保持相對(duì)小。
(b) 展示了每側(cè)為100mm的情形。隨著發(fā)射強(qiáng)度增加，峰值開(kāi)始出現(xiàn)在810MHz處。
(c) 展示了每側(cè)為0.5m的情形。發(fā)射峰值出現(xiàn)在最低170MHz以及近似整數(shù)倍的頻率處。發(fā)射強(qiáng)度在170MHz及以上頻率處幾乎是不變的。
如上所述，環(huán)形天線還展示了與偶極子天線類似的頻率特征。但區(qū)別是發(fā)射峰值出現(xiàn)在環(huán)形長(zhǎng)度（一側(cè)長(zhǎng)度的4倍）形成整數(shù)倍波長(zhǎng)時(shí)的頻率左右處。
圖18 環(huán)形天線
[page]環(huán)形天線的諧振頻率
(1) 輸入阻抗
圖19展示了根據(jù)圖18中的計(jì)算條件得出的輸入阻抗計(jì)算結(jié)果。
圖19(a)展示了輸入阻抗。類似于偶極子天線，這可以理解為阻抗在發(fā)射強(qiáng)度高的頻率處達(dá)到局部最低點(diǎn)。與偶極子天線一樣，駐波會(huì)在這些頻率時(shí)出現(xiàn)于線路上并產(chǎn)生諧振。
(2) 電阻元件
圖19(b)展示了每側(cè)為100mm的電阻元件情形。類似于偶極子天線的情形，阻抗和電阻在阻抗的局部最高點(diǎn)和最低點(diǎn)彼此匹配，這可以理解為天線會(huì)在此阻抗時(shí)出現(xiàn)諧振。此外，類似于偶極子天線的情形，局部最高點(diǎn)因無(wú)法達(dá)到與信號(hào)源匹配的阻抗而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射峰值。
圖19 環(huán)形天線的輸入阻抗（計(jì)算值）
(3) 天線長(zhǎng)度和諧振頻率
當(dāng)環(huán)形長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)環(huán)形天線的局部最低點(diǎn)。因此發(fā)射強(qiáng)度高的頻率將是第一個(gè)頻率的整數(shù)倍。（由于偶極子天線涉及奇數(shù)倍，所以環(huán)形天線的諧振頻率間隔看起來(lái)更窄）
環(huán)形天線的諧振頻率出現(xiàn)在稍高于正常頻率的頻率端，這由實(shí)際長(zhǎng)度決定。例如，即使假設(shè)根據(jù)一個(gè)波長(zhǎng)為750MHz，圖19(b)中的局部最低點(diǎn)也指示810MHz。（對(duì)于偶極子天線，頻率會(huì)朝著低頻端偏移）[page]
環(huán)形天線周?chē)碾姶艌?chǎng)
類似于上述偶極子天線，圖20展示了環(huán)形天線周?chē)妶?chǎng)和磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。如圖18(c)所示，以軸指向頁(yè)面頂部和底部的方向放置一個(gè)邊長(zhǎng)為0.5m的方形環(huán)形天線（因此，環(huán)形區(qū)域垂直于此頁(yè)面）用于計(jì)算。
圖20(a)展示了30MHz相對(duì)低頻的電磁場(chǎng)。可以理解為強(qiáng)電磁場(chǎng)的區(qū)域僅限天線附近。而且，磁場(chǎng)的形狀不同于如圖6所示的基本模式。
圖20(b)展示了170MHz的電磁場(chǎng)，其中出現(xiàn)一個(gè)波長(zhǎng)的諧振。這可以理解為圖中的結(jié)構(gòu)會(huì)朝著頂端和底端發(fā)射。這種情形也不同于圖6中的基本模式。
圖20(c)展示了310MHz的電磁場(chǎng)，其中出現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)的諧振。這種情況下，天線會(huì)朝著橫向發(fā)射，發(fā)射的形狀接近圖6中的基本模式。
因此需要意識(shí)到環(huán)形天線附近的電磁場(chǎng)可能不同于如圖6所示的基本模式。圖6的形狀，是在距離天線足夠遠(yuǎn)，且該天線相對(duì)波長(zhǎng)而言足夠小的情況下測(cè)得的。
圖20 環(huán)形天線周?chē)碾姶艌?chǎng)計(jì)算結(jié)果
環(huán)形天線的理論特性
類似于偶極子天線，如圖21所示根據(jù)電磁理論 [參考文獻(xiàn) 3] 還可以計(jì)算環(huán)形天線的基本發(fā)射特征。圖6中的基本模式以這些公式為基礎(chǔ)。
圖21 超小型環(huán)形天線發(fā)射的電場(chǎng)
此處的S，I和ω分別表示環(huán)形面積(m2)，電流(A)和角頻率(Hz)。波長(zhǎng)λ與頻率成反比。從這些公式，可以看出從相對(duì)小的環(huán)形天線發(fā)射出的無(wú)線電波具有以下特性。
(i)無(wú)線電波的強(qiáng)度與環(huán)形面積、電流和頻率的平方成正比，而與距離成反比。
(ii)無(wú)線電波已被極化。如圖所示的水平位置中的天線在垂直方向不產(chǎn)生任何電場(chǎng)（Eθ）。
(iii)最大發(fā)射的方向是圖中的橫向（θ=90°）。
無(wú)線電波的強(qiáng)度由環(huán)形天線S的面積決定，與線路的長(zhǎng)度沒(méi)有直接關(guān)系。如果以保持S較小的方式來(lái)設(shè)計(jì)線路，則可以降低無(wú)線電波的發(fā)射。
如圖18所示的計(jì)算結(jié)果看起來(lái)發(fā)射強(qiáng)度與頻率的平方不成正比。出現(xiàn)這些結(jié)果的原因包括電流由于天線的輸入阻抗明顯不同而不穩(wěn)定，以及天線無(wú)法在高頻范圍內(nèi)被視為非常小的環(huán)路。[page]
近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)
通常電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)隨著遠(yuǎn)離天線而變?nèi)酢Ｈ缓箅妶?chǎng)和磁場(chǎng)有多弱呢？
為了簡(jiǎn)化這個(gè)現(xiàn)象，讓我們考慮100MHz的電流在短天線上均勻流動(dòng)。圖22展示了以電磁理論為基礎(chǔ)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。在此圖中，我們可以發(fā)現(xiàn):
(i)偶極子天線附近區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)較強(qiáng)
在此區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)的衰減程度與距離的立方成正比，而磁場(chǎng)的衰減程度與距離的平方成正比
(ii)環(huán)形天線附近區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)較強(qiáng)
在此區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)的衰減程度與距離的立方成正比，而電場(chǎng)的衰減程度與距離的平方成正比
(iii)對(duì)于這兩種類型的天線，在相對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的衰減均與距離成正比。
這種情況下，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率為377Ω。
(iv)到區(qū)域(iii)的轉(zhuǎn)換距離大約為0.5m
這意味著區(qū)域(i)和(ii)對(duì)應(yīng)于第4-2-6節(jié)中講述的近場(chǎng)，而區(qū)域(iii)對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)場(chǎng)。(iii)的遠(yuǎn)場(chǎng)被認(rèn)為是以波形發(fā)射無(wú)線電波。
(iv)的轉(zhuǎn)換距離會(huì)因頻率而不同，已知的轉(zhuǎn)換距離為λ/2π（100MHz時(shí)大約為0.5m）。
圖22中的圖表表示頻率固定為100MHz時(shí)的特定狀態(tài)，方便理解。通過(guò)將水平軸標(biāo)準(zhǔn)化為波長(zhǎng)的距離，此圖表可適用于100MHz之外的其他頻率。近場(chǎng)內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)隨著距離明顯減弱。就噪聲抑制而言，有效的方法是保持距離。但如果是短距離，就需要屏蔽，這是因?yàn)殡姶虐l(fā)射很強(qiáng)。
圖22 偶極子天線周?chē)妶?chǎng)和磁場(chǎng)的距離特征
波阻抗
在天線附近使用電磁屏蔽時(shí)，屏蔽的效果會(huì)因波阻抗而有所差異。波阻抗是某個(gè)位置電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率。如圖22所示，由于偶極子天線附近的電場(chǎng)較強(qiáng)，所以波阻抗較高，而環(huán)形天線附近的磁場(chǎng)較強(qiáng)，波阻抗就較低。
圖23展示了根據(jù)圖22的計(jì)算結(jié)果計(jì)算出的波阻抗。偶極子天線可能會(huì)在緊鄰處（不超過(guò)1cm）產(chǎn)生不低于10KΩ的高阻抗，而環(huán)形天線會(huì)在其緊鄰處產(chǎn)生不超過(guò)10Ω的低阻抗。但是對(duì)于這兩種天線，當(dāng)距離超過(guò)λ/2π（100MHz時(shí)為0.48m）時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場(chǎng)，且波阻抗固定為377Ω。這個(gè)數(shù)值是由無(wú)線電波傳輸所在空間的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率決定的。
圖23 波阻抗的計(jì)算結(jié)果
[page]設(shè)計(jì)發(fā)射低噪聲的電子設(shè)備
(1) 縮短線路長(zhǎng)度和縮小環(huán)形面積
如上所述，無(wú)線電波的發(fā)射取決于天線的長(zhǎng)度和環(huán)形面積。這就是為什么當(dāng)減小線路長(zhǎng)度時(shí)電子設(shè)備會(huì)不那么容易發(fā)射無(wú)線電波。
即使無(wú)法縮短線路長(zhǎng)度，如果減小導(dǎo)線形成的間隙，環(huán)形面積也會(huì)變小，隨之減少發(fā)射。圖24展示了減小40cm導(dǎo)線形成的間隙面積時(shí)發(fā)射的變化。由 此可見(jiàn)隨著形狀從(a)，(b)變化為(c)，可以減少更多的發(fā)射。此外，大約在750MHz時(shí)發(fā)射峰值保持相對(duì)較高。在這個(gè)頻率上，往返線路形成傳輸 線，形成了1/2波長(zhǎng)諧振電路，因此通過(guò)大電流。
(2) 諧振頻率上的噪聲可能保持不變
另外對(duì)于偶極子天線，如果如圖25所示減小折疊導(dǎo)線之間的間隙，就可以減少發(fā)射。這是因?yàn)榧词怪C振頻率和電流值保持不變，輻射電阻也會(huì)降低。類似于環(huán)形天線，諧振頻率上的噪聲可能保持不變。為了消除這種諧振，適合使用下一節(jié)講述的大損耗靜噪元件。
圖24 縮小環(huán)形面積后發(fā)射的變化（計(jì)算值）
圖25 發(fā)射隨線路角度的變化（計(jì)算值）
(3) 用低通濾波器降低噪聲
如圖24(c)和圖25(c)所示，由于強(qiáng)諧振而在諧振頻率上出現(xiàn)強(qiáng)噪聲發(fā)射時(shí)，使用LC低通濾波器可以偏移諧振頻率，從而在另一個(gè)頻率上形成強(qiáng)噪聲。圖26展示了將電感器用作低通濾波器的示例。
圖26(a)與圖25(c)所示的計(jì)算結(jié)果相同。會(huì)在大約750MHz處看到強(qiáng)諧振。
圖26(b)展示了連接50nH線圈作為EMI靜噪濾波器抑制這種噪聲的情形。盡管第3章進(jìn)行了詳細(xì)講述，但線圈或旁路電容器用作低通濾波器可防 止噪聲被傳輸?shù)教炀€。圖26(b)還展示了噪聲在750MHz處因低通濾波器的效果而出現(xiàn)下降。不過(guò)也會(huì)看到噪聲在430MHz處增大。因此需要 注意的是，將靜噪元件隨意地連接到諧振電路可能會(huì)改變諧振狀態(tài)且增加噪聲。[page]
(4) 使用大損耗的EMI靜噪濾波器
為了避免這種故障，應(yīng)該選用大損耗的EMI靜噪濾波器。圖26(c)展示了增加一個(gè)與線圈串聯(lián)的100Ω電阻器的示例。可以發(fā)現(xiàn)諧振已經(jīng)消失，并且整個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲發(fā)射被降低。鐵氧體磁珠是這種方式下同時(shí)具有線圈和電阻器特征的其中一個(gè)元件。鐵氧體磁珠在第3章內(nèi)詳細(xì)講述。
圖26 靜噪元件的損耗效果（計(jì)算值）
(5) 從屏蔽罩伸出的任何導(dǎo)線均用作單極天線
屏蔽對(duì)抑制噪聲的空間傳導(dǎo)有效。如果可以徹底地封閉整個(gè)電子設(shè)備，屏蔽就會(huì)有效地工作。但許多電子設(shè)備會(huì)有一根導(dǎo)線穿過(guò)屏蔽罩，用作噪聲的出入口，因此會(huì)削弱屏蔽效果。
對(duì)于這種情況的天線模型，穿過(guò)屏蔽罩的導(dǎo)線可以被視為用作地面的屏蔽上方的單極天線。圖27(a)展示了這種情形的模型圖。在這個(gè)模型中，伸出的導(dǎo)線長(zhǎng)度越短，發(fā)射的噪聲越小。在定性地分析實(shí)際電子設(shè)備的噪聲抑制時(shí)也能得出這個(gè)結(jié)論。
(6) 屏蔽罩用作偶極子天線
在此模型中，當(dāng)導(dǎo)線如圖27(a)所示非常短時(shí)，幾乎沒(méi)有噪聲發(fā)射。但是在實(shí)際的噪聲抑制中，即使導(dǎo)線只有1cm，也可能會(huì)發(fā)出不可忽略的強(qiáng)噪聲。
這是因?yàn)槠帘伪旧碛米髋紭O子天線的另一個(gè)部件，如圖27(b)所示。這種情況下，發(fā)射無(wú)線電波的天線主體部件不再是伸出的導(dǎo)線，而是屏蔽罩本身。此時(shí)也可以認(rèn)為因?yàn)槠帘我呀?jīng)損壞，噪聲被傳導(dǎo)到屏蔽罩。
這種情形下的天線功能會(huì)因屏蔽罩的尺寸和形狀而發(fā)生變化。諧振頻率可被認(rèn)為是以偶極子天線（包括屏蔽的尺寸）的諧振頻率為基礎(chǔ)。圖7(c)展示了將此建模為偶極子天線時(shí)的計(jì)算結(jié)果。盡管峰值頻率與圖27(b)相同，但發(fā)現(xiàn)發(fā)射更強(qiáng)。
(7) 即使伸出的導(dǎo)線很短也要插入濾波器
如果包含噪聲的導(dǎo)線從屏蔽中伸出，即使伸出的導(dǎo)線很短也要特別小心。建議在導(dǎo)線穿過(guò)屏蔽的位置處采用EMI靜噪濾波器。
圖27 用作天線的屏蔽罩示例（計(jì)算值）
