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天線(xiàn)是如何接收到電磁波的?

2020-08-13 08:55:53

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  其實(shí),天線(xiàn)接收電磁波信號(hào)完全可以依照法拉第的切割磁力線(xiàn)原理和電場(chǎng)空間電勢(shì)差感應(yīng)原理兩類(lèi)來(lái)分析和理解。電磁波可以看做空間交變的電磁場(chǎng),因此具有電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種交替變化的存在形式。

  磁感應(yīng)天即磁場(chǎng)天線(xiàn),比如中波收音機(jī)的磁棒天線(xiàn),依靠鐵氧體磁矩單元參與電磁波磁場(chǎng)分量導(dǎo)致的磁化。增強(qiáng)交變磁場(chǎng)的強(qiáng)度,繞在磁棒上的線(xiàn)圈就能得到切割磁力線(xiàn)電信號(hào),縮小了體積。如果磁棒和電波傳播方向垂直,磁力線(xiàn)最少,感應(yīng)電流也最小,因此磁場(chǎng)天線(xiàn)具有明顯的方向性。由于環(huán)境中電氣設(shè)備包括自然界雷電主要產(chǎn)生近電場(chǎng)干擾,而磁性天線(xiàn)可以嚴(yán)格屏蔽電場(chǎng),因此早期廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電中短波測(cè)向設(shè)備中,直到GPS出現(xiàn)之前還用來(lái)做無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航。磁場(chǎng)天線(xiàn)還有不用磁芯的各種波長(zhǎng)比例的環(huán)形天線(xiàn)等,航海電臺(tái)通信由于場(chǎng)地限制,至今還有環(huán)形寬帶天線(xiàn)在使用。個(gè)人感覺(jué),磁場(chǎng)天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)的更大優(yōu)勢(shì)還不是體積,更主要在于抗電火花干擾,尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)和其他電氣干擾,因此這種天線(xiàn)還具一定的生命力。

  電場(chǎng)天線(xiàn)可以理解成是一對(duì)開(kāi)放式的導(dǎo)線(xiàn)電容極板,也就是通常說(shuō)的偶極天線(xiàn),其他的電場(chǎng)天線(xiàn)都是基于偶極天線(xiàn)的變形,比如把大地當(dāng)做偶極天線(xiàn)的一個(gè)極,就只需要一根天線(xiàn)即可,比如遙控玩具天線(xiàn),汽車(chē)、坦克天線(xiàn)等等,但是其本質(zhì)還是偶極天線(xiàn),甚至許多奇形怪狀的微波天線(xiàn)或應(yīng)用分布參數(shù)的天線(xiàn)究其根本其實(shí)還是偶極天線(xiàn)的變形, 不排除有的其實(shí)是環(huán)形磁場(chǎng)天線(xiàn)的可能。

  電場(chǎng)天線(xiàn)的接收原理就是利用兩根導(dǎo)線(xiàn)式的電容極板感應(yīng)空中電場(chǎng)分布的電勢(shì)差,兩根導(dǎo)線(xiàn)相當(dāng)于一個(gè)空間開(kāi)放的電容器,與電感或接收前端器件形成交流回路,從而到感應(yīng)電流,這種方式與磁場(chǎng)天線(xiàn)有本質(zhì)的不同,是真正直接感應(yīng)電磁波在幾何空間位置形成的電勢(shì)差,甚至可以直接理解成高頻交流跨步電壓,只要兩根極板(注意用了根和極板的字眼)在電場(chǎng)分布空間中有電勢(shì)差就能感應(yīng)出電信號(hào),這就是為何接收機(jī)有時(shí)候并不需要太長(zhǎng)的天線(xiàn),甚至人體接觸天線(xiàn)端就能大大改善接收效果的原因。也正是因?yàn)橐锌臻g電勢(shì)差的幾何空間條件,因此和磁場(chǎng)天線(xiàn)一樣并不是在任何位置都能得到信號(hào),比如偶極天線(xiàn)的極化方向與電臺(tái)天線(xiàn)垂直,就形不成電勢(shì)差,也許就什么都收不到了!

  由于電磁波是一種周期變化的波動(dòng)能量,所有波動(dòng)能量傳遞的規(guī)律和原理都適用。最簡(jiǎn)單的案例就是蕩秋千,就是一個(gè)典型的波動(dòng)能量傳遞實(shí)例。其能量形式在勢(shì)能和動(dòng)能之間周期轉(zhuǎn)換,類(lèi)似電磁波在電場(chǎng)(電勢(shì)能)和磁場(chǎng)(電動(dòng)能)之間的交變。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,蕩秋千的時(shí)候并不是任何時(shí)機(jī)用力都可以,而是在最高位置準(zhǔn)備回蕩的那一瞬間開(kāi)始反向用力才是最佳時(shí)間,天線(xiàn)接收或發(fā)射信號(hào)也存在這個(gè)問(wèn)題,所以最好也要同步,否則收到的信號(hào)會(huì)被抵消削弱。注意同步的意思就是用力的節(jié)奏、反向的改變和秋千的固有節(jié)奏是相同的,也就是通常說(shuō)的諧振。電容儲(chǔ)存電勢(shì)能,電感則儲(chǔ)存磁能,磁能可以看做電動(dòng)能,天線(xiàn)接收回路就涉及電場(chǎng)天線(xiàn)要配合適合的電感,而磁場(chǎng)天線(xiàn)要有適合的電容形成共振的條件問(wèn)題。高頻交流信號(hào)在偶極天線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)中的傳輸還有其重要的特點(diǎn),隨著這對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的比例不同會(huì)表現(xiàn)出電容性和電感性,當(dāng)這對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度具有的電感量和電容量恰好是共振條件時(shí)候就是理想的接收或發(fā)射天線(xiàn)。能量傳遞和轉(zhuǎn)換的最佳效率還有一個(gè)重要共性,就是一方發(fā)出的能量要恰好被另一方全部吸收就稱(chēng)為匹配,天線(xiàn)中用阻抗匹配來(lái)考量,例如蕩秋千,即便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)用力,如果用力不當(dāng)也起不到好的效果,例如用力太大由于系統(tǒng)慣性會(huì)有多余的反作用力形成反彈也就是常說(shuō)的無(wú)用功、而用力太小顯然也不好,這兩種情況和不同步用力一樣也會(huì)造成秋千蕩起來(lái)困難的結(jié)果,只有恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)、恰當(dāng)?shù)牧Χ炔拍苁骨锴лp易蕩起來(lái),天線(xiàn)也是這樣的,恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間就是諧振,恰當(dāng)?shù)牧Χ染褪亲杩蛊ヅ洹?/p>