杨雨辰
北京天航信民航通信网络发展有限公司 北京 100122
摘要：天线工程是空管系统信息网络建设中必不可少的研究内容，天线是雷达设备、导航监视设备、卫星通信系统以及其他所有无线电收发系统中最重要的组成部分之一。天线工作状态的好坏，直接影响着整个系统的性能，而电磁兼容性良好的天线将有着更好的性能。本文基于电磁场理论，从天线原理出发，先阐述了近区场与远区场的概念，然后以近远区场为基础，讨论了天线工程里的若干重要参数与电磁兼容理论之间的关系。
关键词：天线工程；交变电偶极子；近区场；远区场；辐射
在空管系统通信网络建设中，有许多设备是在正常运行时有意将电磁能量辐射到空中，例如雷达导航设备、卫星通信天馈设备、无线电收发信机等。同时也有一些设备是无意向外辐射电磁能量的，例如供电模块的开关、机械控制装置等。所有这些有意或无意辐射的电磁能量达到一定程度时，会严重影响设备的正常运行。电磁兼容即是某种设备在既定的工作条件下抵抗这种电磁干扰的能力。在天线工程与设计中，基于电磁兼容理论的系统设计已成为不可忽视的一部分。
1 电偶极子产生的场
任何形式和形状的天线都可以看成是无限多个载有交流信号的基本小线元组成，这些基本元通常成为电偶极子。电偶极子的排列方式决定着天线的极化方式：水平排列的偶极子产生水平极化波；垂直排列的偶极子产生垂直极化波；而如果两个偶极子对称地成直角放在一起，馈送的电流幅度相同，相位相差90°，则产生圆极化波。
通过麦克斯韦方程组可知交变的电磁场之间存在着相互关系。通过一系列计算和推导可得出在球坐标系下，电偶极矩为Pm的辐射场中，磁感应强度大小为：
式中k为相移常数，μ0为真空磁导率，为以原点为中心向外扩散的球面波，r为辐射距离。
电场强度为r轴和轴的矢量相加，即：
其中
2 近区场与远区场
满足kr<<1条件的空间区域，我们叫做电偶极子的近区场。在近区场内由于kr<<1，故对于1/（kr）3的项而言，1/（kr）2和1/（kr）的项可以忽略，且e-jwr≈1。当ω趋于0时可以看出，近区磁场与静态磁场在形式上完全一样，因此在近场区内由于电磁波的有限传播速度所引起的相位滞后效应可以忽略。
满足kr>>1条件的空间区域叫做电偶极子的远区场。在远区场内由于kr>>1，故（kr）-1>>（kr）-2>>（kr）-3，对于1/（kr）的项而言，1/（kr）2和1/（kr）3的项可以忽略，所以电场强度和磁场强度的表达式变成：
由于，所以在远场区内，电场和磁场满足如下关系：
（其中c为真空中光速）
在远场区内，占主要成分的场与近场区完全不同，其电场强度和磁场强度同相，并且辐射场占主要成分。在其他条件相同的情况下，频率越高，辐射能力就越强，远区场中主要部分所携带的电磁功率将全部辐射出去。
3 天线的辐射功率与辐射电阻
通过交变电偶极子的电磁场，可以计算它所辐射的电磁功率。以交变电偶极子为中心，以r为半径做一个封闭球面，则传出面的电磁功率即为：
其中为复数坡印廷矢量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因为辐射场的电磁功率是可以辐射的，所以交变电偶极子的辐射功率可以由远场区公式计算得出：
（W）
对于只有空间中的交变电偶极子，波阻抗为（Ω），所以辐射功率为：
（W）
从公式中可以看出，交变电偶极子辐射的总功率与成正比，一般叫做交变电偶极子的电尺寸，对于交变电偶极子来说，电尺寸总是很小的，所以它的辐射能力会受到很大的限制。如何在电偶极矩与工作波长之间找到一个平衡的关系，是天线工程中比较重要的工作之一。
衡量一个辐射天线的辐射能力还有一个比较重要的指标，就是辐射电阻。这里借用了电路理论中的“电阻”，一词来反应辐射器的辐射情况，即将辐射器辐射的功率等效为被一个电阻吸收的功率，并将这个等效的电阻值定义为辐射器的辐射电阻。当发射机馈到天线上的电流稳定时，天线的辐射电阻越大，辐射能力就越强。借用了电路理论中公式的形式，辐射功率为：
（W）
这里就是辐射电阻。在自由空间中交变电偶极子的辐射电阻为：
由于交变电偶极子的电尺寸很小，因此其辐射电阻也不大，这说明它的辐射能力不强。例如在自由空间中，当=0.1时，对于交变电偶极子来说，已经是非常大的电尺寸了，但辐射电阻仅有7.89欧姆。
4 天线的输入阻抗与天线匹配
天线的输入阻抗是天线输入端所呈现的阻抗，即天线馈电端输入电压与电流的比值，天线的输入阻抗会受到其他天线和邻近物体的影响。输入阻抗由实部和虚部组成：，其中输入电阻表示功率的损耗，功率可以由两种方式损耗，即以电磁波的形式辐射出去和天线的热损耗。输入阻抗表示功率在天线近场中的存储情况。
天线与馈线的连接，最佳情形是天线的输入阻抗是纯电阻并且等于馈线的特性阻抗。这时馈线端口没有功率反射，馈线上不存在驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。馈电网络用来完成天线的匹配工作，消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。一般通信、雷达天线的输入阻抗是50欧。
天线匹配的优劣可以用反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗等参数来衡量，这四个参数之间有确定的数值关系，使用哪一个出于习惯，一般情况较多使用的是驻波比和回波损耗。
天线的回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0dB表示全反射，无穷大表示完全匹配。
天线馈线阻抗应与天线的输入阻抗完全匹配，否则在天线端口就会有反射波产生，在馈线上存在流向信号源的电磁波。由反射波和入射波合成而形成的电磁波称为驻波，驻波信号振幅的最大值与最小值之比称为电压驻波比（VSWR）。它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在通信系统中，一般要求驻波比小于2~3。
5 天线隔离度
天线收发之间的隔离程度定义为天线的隔离度，其定义为发射天线的发射功率Pt与接收天线所接收的功率Pr比值：
通常在工程应用中，以dB为单位来表示，即：
当两个天线均处于彼此远区的情况下，其能量耦合主要通过辐射场来实现。设接收天线与发射天线之间的距离为r，其中远场条件分别为：，，r>>Dt，r>>Dr，且r>>。其中，Dt是发射天线的最大尺寸（等效直径），Dr是接收天线的最大尺寸（等效直径）。当收发天线外形尺寸相差较小时，均可近似被认为是具有一定方向性的点源，则发射天线发出的电磁波可被近似为球面波，且在接收天线处可视作平面波，此时天线隔离度可以表示为：
其中为收发天线直视情况下的空间隔离，由收发天线之间的距离d和波长λ等因素决定，；为发射天线在接收方向上的天线增益，应根据收发天线的相对位置从发射天线增益方向图中读取；为接收天线在发射方向上的天线增益，应根据收发天线的相对位置从接收天线增益方向图中读取。
当收发天线之间的极化不完全匹配时，还要考虑极化失配带来的隔离度这一项，即总的天线隔离度可表示为：
工程上圆极化对垂直或水平极化的失配损耗约为3dB，垂直极化和水平极化之间的失配损耗约为20~35dB。
如果天线不能同时满足位于彼此的远场这一条件，则两天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场来进行的，而是通过近区束缚场或近区感应场。由于天线功率增益的概念是在远场区中建立的，所以不适用于近场天线隔离度的分析。近场情况下一般可以讲待分析的收发天线所组成的系统看成是一个二端口网络，如上图所示：
信号源的最大输出功率为Ptmax，负载阻抗为Z，吸收的功率为Pr，则天线隔离度可以定义为：
根据天线隔离度的定义可进一步化为：
其中，是发射天线阻抗实部；是负载阻抗实部。
6 结束语
在天线工程中绝大多数的电磁兼容问题都是由于电磁场近区场、远区场以及感应场等共存所引起的，所以了解远近区场相关的原理及特性十分必要。在空管网络系统的设计以及工程实施中，如果前期不做综合的电磁兼容性考虑，在出现电磁干扰问题后再分析原因寻求解决办法，那么对于结构较复杂的天线系统来说，出现干扰的可能性极大，而且不易分析其原因所在，有时甚至由于干扰极大而导致设计失败等致命性的影响。严格按照电磁兼容设计规范，在网络建设初期就进行综合的考虑，可将电磁干扰发生的可能性降到最低，同时在整个天线工程的设计与实施阶段应不断地进行修正和补充，使系统工作在最佳状态。
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论文作者:杨雨辰
论文发表刊物:《基层建设》2015年4期
论文发表时间:2015/9/23
标签：天线论文; 偶极子论文; 功率论文; 驻波论文; 电阻论文; 电磁场论文; 阻抗论文; 《基层建设》2015年4期论文;