天线基本理论电磁场和电磁波的介绍,电磁场与电磁波

尽管生活中有大量的各种各样天线，但是它们的基本特征相同，并且其设计目的都是为了发射或接收电磁波。在这里，首先介绍电磁波的定义以及如何描述电磁波；然后对天线的重要特征进行定义和说明，即阻抗、方向性和极化，以及这些参数的测量和显示：最后，该部分论述了暴露在电磁波环境中的人体所受到的伤害，同时介绍了人们在使用所有天线过程中的必要措施和电磁波安全问题。

电磁场和电磁波的介绍

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一、电场和磁场

1820年，Hans Oerstad发现，电流流经导线时，会使导线附近的磁针发生偏转。我们把这归因于电流的磁效应或者磁场，在其周围任何给定位置上用字母H表示。磁场既有大小（A/m，安培每米），又有方向（方向也可以说是一个关于参考方向的相位值）。因为磁场既包括大小，又有方向，故是一个矢量。

图1-1中所示是一个典型的实验。图中小磁针的排列就是磁场的形状。该场分布与竖直天线的场分布极其相似。

图1-1磁场的可视图

电流流经导体时周围的磁场形状，用小磁针的分布表示。磁针的指向即磁场（/H)的方向。小磁针的分布大致给出了与导体垂直的平面内的磁场形状。

小磁针（本身就是一个小的磁体）总是试图与磁场H的方向保持平行。当磁针围绕导体运动时，磁针的指向也随之改变。磁针的指向就是磁场H的方向。当你试图将磁针从原来的位置移开时，你会发现存在一个力阻止磁针离开原来的位置。力的大小与磁针所在位置处的磁场强度成正比——称之为该点的场强或H的幅度。导体中的电流变大时，由它产生的磁场也会变大。流经天线的电流也会产生磁场，该磁场即为近场的一个分量。如果导体中所流过的电流增大，那么H的幅值也会相应地增大。天线导体中的电流也会产生磁场。

天线周围还存在电场（E），该电场可以通过一个平板电容进行观察，如图1-2所示。将一节电池（其电势为V=）连接在平板电容的两端，电容两板之间的电场为E，如图中带箭头的线条所示。矢量E的单位V/m（伏特每米），所以电容两端电势为，距离为d时，E=WdV/m)，V增大或d减小，则E增大。天线中，天线的各部分之间，天线与地面之间存在交流电势差。这些电势差确定了与天线相关的电场。

图1-2电场的可视图

E=Vi/d。用交流电源替换直流电源，电容两板之间将出现位移电流（）。

二、传导电流和位移电流

如图1-2所示，用交流电源替换直流电源时，由于电荷的移动（通常是电子），一个稳定的交流电流将在直流电源和电容两板之间流动。但是电容两板之间，特别是当两板之间是真空时—没有电荷的载体来传输该传导电流。然而，电流仍然能够在整个电路中流动，这是因为电容两板之间存在一个位移电流（)——它保证了整个电路中电流的连续性。位移电流和传导电流是两种不同的电流形式。一些观测者更倾向于把传导电流直接称为“电流”，而把位移电流称为“假想”电流，无论使用哪种术语都是可以的。电路中包含电容时，对两种电流都要加以考虑。公认惯例中所使用的术语为位移电流。

三、电磁波

电磁波，顾名思义，是由随时间变化的电场和磁场组成。

不随时间变化的电场和磁场被称为静电场，例如由直流电电压和电流创建的电场。无线电波的电磁场是由天线中的交流电流产生，其通常为正弦波形式。因此，无线电波中的电磁场有相同的正弦波模式，即大小和方向都随着交流电流的频率周期性的改变。这是电子运动的一种方式——特别是随着交流电流往复的加速和减速，进而产生了无线电波。

电磁波中电场和磁场的方向是相互垂直的，如图1-3所示。图中术语“力线”的含义是表示一个电子在电场中所感应到的力的方向或者一个磁体在磁场中所感应到的力的方向。电场和磁场的直角是顺时针方向的还是逆时针方向的，这是由电磁波的传播方向决定的，正如图1-3所示那样。因此，电磁波又被称为行波。

对于一个停留在某个地方的观测者，例如一个静止的接收天线，随着波的“经过”，波中的电场和磁场就会在该处出现振荡。也就是说，场给天线中的电子施加了作用力，使得电子按照正弦波的形式做加速和减速运动。随着不断改变的场引起电子运动，行波中的一些能量就转移到了电子上。

这样在天线中就产生了一个正线电流，其频率是由电磁波经过时场强的变化速率决定的。

图1-3一个电碰波波阵面中电力线和磁力

图1-3一个电碰波波阵面中电力线和磁力线的示意图。沿着地表传播的垂直极化平面波的电场和磁场示意图。箭头代表垂直于纸面向读者传播的无线电波的场的瞬时方向。反转一组场线（电场线或磁感线）的方向将会改变无线电波的传播方向。

然而，如果一个观测者的移动速度和方向与电磁波的传播速度和方向一样，那么电场的强度将不会改变。对于该观测者而言，电场和磁场的强度是固定的，就像是两者处于一张照片中一样。电磁波的波阵面如图1-3所示，是一个平面或者是电场和磁场以一个恒定的速度平移地穿过空间。

就像无数个瞬态电压（每一个都略大于或略小于前一个电压值)构成一个交流电压一样，无数个波阵面就构成了一个传播的电磁波，一个跟着一个的就像一副卡片。波传播的方向就是波阵面移动的方向。只要经过一个固定的位置，连续波阵面中每个波阵面处的场都有一个稍微不同的强度，被检测到的场强同样发生改变，这个固定的观测者“看到的”是一个强度随正弦变化的场。

如果我们可以突然冻住所有的波阵面，同时测量出每个波阵面的强度，就可以描绘出图1-4所示的画面。在这个例子中，电场位于水平面，磁场位于垂直面，电场中的每一条垂直线都可以被认为是一个波前（波阵面）。所有的波阵面都沿着图1-4所示的方向移动，即它们作为一组集合以相同的速度一起运动。随着波传播时经过接收天线，不同波阵面所对应的不同场强就被认为是一个连续改变的波。实际上，我们是将空间传播的一组完整波阵面集合称为波。

关于电磁波还有重要的一点；即电场和磁场是耦合的，它们是电磁波实体的两个方面，它们不是仅仅发生在同一地方、同一时间的两个正交的电场和磁场。尽管可以利用电场力或磁场力来测量场中的能量，但是它们的场是不能分开的。它们共同构成了一个单一的实体——电磁波——由发射天线中运动的电子产生的。

图1-4电磁波电场强度和磁场强度的描述

在图中电场位于垂直方向，磁场位于水平方向。

1、传播速度和波长

由于无线电波传播的速度是如此之大，以至于我们趋于忽略它。无线电波只需要1/7s的时间就可以绕地球走一圈，但是在天线工作的时候，时间因子极其重要。波的概念演变，由于在一个线圈(天线)中的交流电流的流动会产生变化的电场和磁场。在有意识地或者其他不引入传播时间的情况下，我们将根本不能讨论天线理论或性能。

电磁波在其所传播的媒介中以光速进行传播。在真空中光速是最大的，大约是300000000m/s。为了方便记忆，常常写作300m/us(更精确的值为299.7925m/us)。这个就被称为波的传播速率，其表示符号就是大家所熟悉的光速符号.

波长是指波在一个完整的周期上所传播的路程，知道一个无线电波的波长也是有用的。当一个周期的时间是1/波的速度是光速时，波长就为

=c (1-1）

在真空中，

其中真空中的波长单位是米。

在无线电领域中，常用的近似公式是

(1-2)

(1-3)

波在媒介中的传播速度与波在真空中的传播速度的比值被称为该媒介的速度系数（VF），其值介于0和1之间。

在空气中，当频率低于30MHz时，传播速度的减小量在大多数讨论中可以忽略不计，在甚高频以及更高的频率上，媒介的温度和湿度对通信范围有递增效应，这个将在后面“无线电波传播”章节中讨论，在类似于玻璃或塑料的材料中，波的传播速度相对于真空中的波速更小。例如，在聚乙烯（通常用作同轴电缆的中心绝缘体）中，波速只是真空中波速的2/3：在蒸馏水（一种很好的绝缘体）中，波速为真空中波速的1/9。

2、波的相位

在这里将有很多讨论相位、波长和频率。为详细了解天线的设计、安装、调整或使用，匹配系统或者传输线，必须清楚地了解相位、波长和频率的意义。在本质上，相位意味着时间。当事物进行周期性变化时，例如交替变化的电流，相邻周期内对应时刻的相位相同。

区分相位和极化是非常重要的一件事，极化仅仅是一个约定，即给波指定正向和负向或者惯例。反转馈线中的引线仅仅颠倒波形信号的极化方向，并不改变它的相位。

相位是一个波形内和波形之间相对时间的测量。图l-5中点A、B和C是同相的。它们是电流中距离间隔为1个波长的对应时刻。这是一个传统的正弦变化电流，随着时间向右传播。如果水平轴表示的是距离而不是时间，这将代表一个传播场强度的快照。A与B或B与C之间的距离为一个波长。场强分布遵循正弦曲线，而振幅和极化严格对应着产生电磁场的电流随时间的变化。请注意，这是一张包含很多波阵面（类似于图1-4所示）的瞬时图。

图1-5 天线波正弦变化

图1-5这幅图给出了场（包括电场和磁场）的瞬时幅度随时间的正弦变化。由于场以恒定的速度传播，本图也代表了在波的路径上场强的瞬时分布。相位相同的两点之间的距离为一个波长，譬如A-B和B.C之间的距离。

无线电通信中无线电波的频率可以从10000到几十亿赫兹。假设电磁波的频率为30MHz，则无线电波的一个周期为1/30000000s。无线电波传播的速度是每秒30000000m，因此在电流变化的一个完整周期内，无线电波只传播了10m。距离天线10m的地方的电磁场是一个周期之前电流所产生的。距离天线20m远处的电磁场是在两个周期之前电流所产生的，以此类推。

如果电流在每个周期内仅仅简单地重复前一个周期内的电流，则在每个周期内对应时刻的电流将相同。由这些电流所产生的场强也将相等。随着离开天线的距离变远，电磁场包围的面积变得越大，而场强变得越小。它们的振幅随着离开天线距离的增大而减小，但是与产生它的周期的瞬时相比它们的性质不会改变。它们同相并且保持同相。在上面的例子中，在离开天线向外测量的10m间隔内，每个给定时刻无线电波的相位是相同的。

这些球面是先前所描述的波阵面，当球足够大以至于表面基本可看成是平的，这时的波阵面被称为平面波，在该平面（波阵面）的每个部分，其相位是相同的。在任何给定的时刻，若两个波阵面对应的相位相同，则这两个波阵面之间的距离就是波长，该距离被测量时，测量线必须沿着波的传播方向，同时垂直于波降面。

3、波的极化

图1-3所示的无线电波是沿着电力线方向极化的，这时为垂直极化，因为电场线的方向垂直于地球表面。

如果电力线的方向是水平的，就可以说该无线电波是被水平极化的。水平极化波和垂直极化波一般都属于线性极化的范围。线性极化可以是介于水平极化和垂直极化之间的任意一种极化状态。在自由空间中，“水平”和“垂直”是没有任何意义的，这是因为缺少作为参考的水平地球表面。

在许多情况下，电磁波的极化状态不是固定的，而是连续地旋转，有时候是随机的。这种情况下电磁波是椭圆极化。

在介质中极化逐渐旋转的现象称为法拉第旋转现象。在空间通信中，通常采用圆极化以消除法拉第旋转效应影响。电磁波在介质中传播一个波长时，圆极化电磁波的极化状态旋转360°。从发射天线观测旋转的方向，则圆极化可以定义为右旋圆极化（顺时针）和左旋圆极化（逆时针）。线极化和圆极化可以认为是椭圆极化的特例。

4、场的强度

电磁波传播的能量随着离开源点的距离的增大而减小。

这一强度的减小是因为随着离开源点距离的增加，电磁波的能量在越来越大的球面上扩散。

离开发射天线一定距离的电磁波强度用场强来表示，这就是电场强度。电磁波的强度由波阵面所在平面上电力线上两点之间的电压来衡量。标准的电磁场强度的测量是1m长的线上所产生的电压，表示为V/m（如果导线长2m，产生的电压将除以2以给出每米电压所表示的场强）。

电磁波的电压通常很小，所以测量时的单位是毫伏或微伏每米。电压随时间的变化就像产生电磁场的电流的变化一样。测量时像其他交流电压一样测量其有效值，有时候测量其峰值。幸运的是，在业余工作中没有必要测量场强的真实值，因为这需要精心制作的仪器。我们仅仅需要知道调整是否是有益的，所以相对测量通常可以满足需求。这些可以很容易地通过自制的仪器来实现。q

5、波的衰减

在自由空间中，天线辐射的远场区域，场的强度随着离开源点距离的增大而减小。如果离开源点1英里处场强为100mV/m，则在2英里处场强的大小将是50mV/m，以此类推。电场强度和功率密度之间的关系类似于普通电路中电压和功率的关系。它们由自由空间中的波阻抗所联系，约为377Ω。1V/m的电场强度对应的功率密度为

由于电压和功率之间的关系，功率密度因此随着电场强度的平方根变化，或者说与距离的平方成反比变化。

如果在1英里处功率密度为4mW/m2，则在2英里处功率密度为1mW/m2。

在考虑天线的性能时，记住所谓的传播损耗很重要。

增益只能通过将天线辐射方向图变窄来达到，它将辐射的能量集中在需要的方向。不存在可以增加总的辐射能量的“魔术天线”。

实际中，电磁波能量的衰减要比距离反比定律预测的大得多。波不是在真空中传播，此外接收天线很少被放置在具有清晰视线的位置。地球是球形的，电磁波不会可观地穿透其表面，因此在视距之外的通信中必须是一些使得电磁波沿着地球曲率的方向弯曲的方式。这些方式将会引起额外的能量损耗，使得随着距离的路径衰减高于理论上真空中损耗因子所预测的。