天线的电磁理论及极化方式

苏德刚

【摘要】 在高频振荡电路中，电磁、磁电互变很快，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化，在无线通信系统中，需要将来自发射机的高频电流能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为高频电流能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。

【关键词】 电磁 天线 极化

按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。变化的电场和变化的磁场相互依赖、相互激发、交替产生，周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场，并以一定速度由近及远地在空间中传播出去，这就是电磁波产生的机理以及电磁波传播的基本规律。电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。 当电磁波频率较低时，主要依靠有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，电磁、磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，电磁、磁电互变很快，能量不可能完全反回原振荡电路，于是。 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能多地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线，高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，这就形成了天线这门学问。

在无线通信系统中，需要将来自发射机的高频电流能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为高频电流能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。 综上所述，天线应有以下功能：

 1) 天线应能将高频电流能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。

 2) 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受，即具有方向性。 

3) 天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线要有适当的极化。

 4) 天线应有足够宽的工作频带。 

这四点是天线最基本的功能，据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为又导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。所谓馈线，实际上就是传输线。

无线电波是一种信号和能量的传播形式，在传播过程中，电场和磁场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的极化是由电场矢量在空间运动的轨迹确定的。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称为水平极化波。要判断线极化是水平极化还是垂直极化应该要看电场辐射方向图，利用辐射最强的方向来判断。极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最  大辐射方向上的电场矢量来说的。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂直极化波。由于水平极化波和入射面垂直，故又称正交极化波；垂  直极化波的电场矢量与入射平面平行，称之平行极化波。电场矢量和传播方向构成平面叫极化平面。电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。不论圆极化波或椭圆极化波，都可由两个互相垂直线性极化波合成。若大小相等合成圆极化波，不相等则合成椭圆极化波。天线可能会在非预定的极化上辐射不需要的能量。这种不需要的能量称为交叉极化辐射分量。对线极化天线而言，交叉极化和预定的极化方向垂直。对于圆极化天线，交叉极化与预订极化的旋向相反。所以交叉极化称正交极化。 FM电台采用圆极化或者水平/垂直双极化,因为家庭FM接收天线基本上是水平的，而车载FM接收天线大多是垂直的。几乎所有的电视台都采用水平极化方式。如果采用圆极化，会产生重影。因此如果电视天线使用圆极化天线，会产生6dB的衰减。AM电台都使用垂直极化，因为地面波只能工作在垂直极化方式。FM和TV没有这个问题，因为它们工作在VHF或者更高的频段，使用直达或者散射波的形式，不使用地面波，因此能够使用水平极化。移动通信系统一般使用垂直极化方式；现在也开始使用+45/-45的双极化方式。卫星通信系统中，亚洲ITU-3区域约有九成的卫星是使用线性波极化来送讯号的。

电波在传播过程中，除直接传播外，遇到障碍物（例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物），还会产生反射和绕射。因此，到达接收天线的电磁波，不仅有直射波，还有反射波，绕射波、透射波，这种现象就叫多径传输。由于多径传播使得信号场强分布复杂化，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化（扭转），因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱，另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同 。为降低多径传输效应的影响，一般采用空间分集或极化分集来接收。

作者简介： 苏德刚 男， 出生年月日： 1973 年 5 月 21 日 现供职于齐齐哈尔市新闻传媒中心技术中心发射部，从事相关专业工作 15 年，现职称：广播电视工程专业 助理工程师

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