電場、磁場與天線的關係

一、電場與磁場

電場（E場）產生於兩個具有不同電位的導體之間。電場的單位為m／V，電場強度正比於導體之間的電壓，反比於兩導體間的距離。磁場（H場）產生於載流導體的周圍，磁場的單位為m／A，磁場正比於電流，反比於離開導體的距離。當交變電壓通過網絡導體產生交變電流時，會產生電磁（EM）波，E場和H場互為正交同時傳播，如圖1所示。

圖1 產生電磁（EM）波，E場和H場互為正交

同時傳播電磁場的傳播速度由媒體決定；在自由空間等於光速3×108 m ／s。在靠近輻射源時，電磁場的幾何分布和強度由幹擾源特性決定，僅在遠處是正交的電磁場。當幹擾源的頻率較高時，幹擾信號的波長又比被幹擾的對象結構尺寸小，或者幹擾源與被幹擾者之間的距離r＞λ／2π 時，則幹擾信號可以認為是輻射場即遠場，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量進入被幹擾對象的通路。幹擾信號以洩漏和耦合形式，通過絕緣支撐物等（包括空氣）為媒介，經公共阻抗的耦合進入被幹擾的線路、設備或系統。當幹擾源的頻率較低時，幹擾信號的波長λ比被幹擾對象的結構尺寸長，或者幹擾源與幹擾對象之間的距離r＜λ／2π，則幹擾源可以認為是近場，它以感應場形式進入被幹擾對象的通路。近場耦合用電路的形式來表達就是電容和電感，電容代表電場耦合關係，電感或互感代表磁場耦合關係。這樣輻射幹擾信號可以通過直接傳導方式引入線路、設備或系統。圖2是輻射場中近場、遠場、磁場、電場與波阻抗的關係圖。

圖2 輻射場中近場、遠場、磁場、電場與波阻抗的關係圖

二、天線檢測信號的方法

天線具有兩種轉換的功能：轉換電磁波為電路可以使用的電壓和電流，轉換電壓和電流為發射到空間的電磁波。信號是通過電磁波傳輸到空間中的，電磁波由分別用V／m和A／m來度量的電場和磁場構成。依據要檢測的場的種類，天線具有特定的結構。如圖3（a）所示的設計來拾取電場的天線由棒子和金屬板構成，而如圖3（b）所示的用來拾取磁場的天線則由線環構成。有時電子電氣產品中的一部分（如電纜、長印製線等）就會無意識地具有這樣的特性而成為天線。EMC其中一個很重要的任務就是關注並消減這些無意識的天線。當電場（V／m）碰上天線時，它沿長度方向感應一個相對於地的電壓值（m·V／m＝V）。與天線互連的接收機檢測天線與地之間的電壓。這種天線模型也可以等效為測量空間中電位的電壓表的一條引線，另一條電壓表引線是電路的地。

圖3 用來拾取電場和磁場的天線形狀

一些天線由線環構成。這些天線探測磁場而不是電場，它們是磁場天線。正像流過線圈的電流可以產生穿過線圈的磁場一樣，當磁場通過線圈時線圈中也會感應出電流。磁場天線的兩端被固定在一個接收電路上，這樣可以由環天線引入的電流來探測磁場。磁場一般垂直於場的傳播方向，所以環面應該與波傳播方向平行來檢測場。輻射電場的天線具有兩個互相絕緣的單元。最簡單的電場天線是偶極子天線，它的名字非常自然地暗示了它有兩個單元。兩個導體元作用類似電容器極板，只是電容板間的場是輻射到空間中，而不是被限制在兩極板之間。另外，構成磁場天線的線圈類似電感，它的場被輻射到空間而不是禁錮在一個封閉的磁路中。

三、天線的形成及對電磁場的輻射

圖4 電場天線形成原理

正如前面提到的，電場天線可以與電容相關聯。如圖4（a）所示為簡單的平行板電容器，當電荷堆積在板上時，板間就會產生電場。如果板被展開並置於同一個平面，板之間的電場就會伸展到空間中。相同的情形就發生在如圖4（b）所示的電場偶極子天線上。天線每部分的電荷在天線兩極之間就會產生一個進入空間的場，偶極子天線的兩臂之間具有一個固有的電容，如圖4（c）所示。需要有電流來給偶極子臂充電，天線上每部分的電流朝相同的方向流動，這樣的電流被稱為天線模電流。這個條件很特殊，因為它導致了輻射的產生。當應用到天線兩極的信號振蕩時，場保持不斷換向並將波發送到空間中。

圖5 電場天線輻射形成示意圖

偶極子上的電荷和電流產生的場互相垂直。如圖5（a）所示，在天線上施加電壓，電場E從正電荷方向指向負電荷方向。天線上的充電電流產生磁場H，方向為環繞著金屬線並滿足右手定則，如圖5（b）所示。上帝創造了這個規律，當電子沿著金屬線移動時，就會產生環繞著金屬線的磁力「風」。將右手拇指指向電流的方向，環繞在金屬線上的手指方向就是磁場方向。磁場的環繞導致了天線的電感特性。天線因此是一個既具有來自於電荷分布的電容，又具有來自於電流分布的電感特性的電抗性器件。

如圖5（c）所示，E和H場是互相垂直的。它們以互相連結循環的方式從天線散布到空間中。當天線上的信號振蕩時就形成了波。橫電磁（TEM）波是在E和H的相互垂直的情況下產生的。天線也可以將一個TEM波通過互易性的原理來轉換回電流和電壓，天線具有發射和接收的互補性。天線的輻射情況如圖6所示。天線的電抗部分在天線周圍的電場和磁場中儲存能量。電抗性的功率在天線的電源和電抗性元件間進行後向和前向的交換。

圖6 輻射的功率流

正如在L－C電路中的電壓和電流具有90°的相位差，如果天線的電阻可以忽略，天線的E場（由電壓產生）和H場（由電流產生）具有90°的相位差。在一個電路中，只有當負載的阻抗有實的分量，引起電流和電壓同相時，實的功率才能釋放出來。這個情況也適用於天線。天線具有一些小電阻值，所以存在於天線中產生消耗的實的功率成分。為了出現輻射，E場和H場一定是同相的，如圖5（c）所示。對於起電容和電感作用的天線來說，輻射是如何發生的呢？