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电场、磁场与天线的关系(一)

2020.10.05
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

一、电场与磁场

电场(E场)产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m/V,电场强度正比于导体之间的电压,反比于两导体间的距离。磁场(H场)产生于载流导体的周围,磁场的单位为m/A,磁场正比于电流,反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时,会产生电磁(EM)波,E场和H场互为正交同时传播,如图1所示。

wx_article_20190513072220_TdnWPl.jpg

图1 产生电磁(EM)波,E场和H场互为正交

同时传播电磁场的传播速度由媒体决定;在自由空间等于光速3×108 m /s。在靠近辐射源时,电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定,仅在远处是正交的电磁场。当干扰源的频率较高时,干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小,或者干扰源与被干扰者之间的距离r>λ/2π 时,则干扰信号可以认为是辐射场即远场,它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以泄漏和耦合形式,通过绝缘支撑物等(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。当干扰源的频率较低时,干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长,或者干扰源与干扰对象之间的距离r<λ/2π,则干扰源可以认为是近场,它以感应场形式进入被干扰对象的通路。近场耦合用电路的形式来表达就是电容和电感,电容代表电场耦合关系,电感或互感代表磁场耦合关系。这样辐射干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。图2是辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图。

wx_article_20190513072220_e5DKf6.jpg图2 辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图

二、天线检测信号的方法

天线具有两种转换的功能:转换电磁波为电路可以使用的电压和电流,转换电压和电流为发射到空间的电磁波。信号是通过电磁波传输到空间中的,电磁波由分别用V/m和A/m来度量的电场和磁场构成。依据要检测的场的种类,天线具有特定的结构。如图3(a)所示的设计来拾取电场的天线由棒子和金属板构成,而如图3(b)所示的用来拾取磁场的天线则由线环构成。有时电子电气产品中的一部分(如电缆、长印制线等)就会无意识地具有这样的特性而成为天线。EMC其中一个很重要的任务就是关注并消减这些无意识的天线。当电场(V/m)碰上天线时,它沿长度方向感应一个相对于地的电压值(m·V/m=V)。与天线互连的接收机检测天线与地之间的电压。这种天线模型也可以等效为测量空间中电位的电压表的一条引线,另一条电压表引线是电路的地。

wx_article_20190513072220_NjxKep.jpg图3 用来拾取电场和磁场的天线形状

一些天线由线环构成。这些天线探测磁场而不是电场,它们是磁场天线。正像流过线圈的电流可以产生穿过线圈的磁场一样,当磁场通过线圈时线圈中也会感应出电流。磁场天线的两端被固定在一个接收电路上,这样可以由环天线引入的电流来探测磁场。磁场一般垂直于场的传播方向,所以环面应该与波传播方向平行来检测场。辐射电场的天线具有两个互相绝缘的单元。最简单的电场天线是偶极子天线,它的名字非常自然地暗示了它有两个单元。两个导体元作用类似电容器极板,只是电容板间的场是辐射到空间中,而不是被限制在两极板之间。另外,构成磁场天线的线圈类似电感,它的场被辐射到空间而不是禁锢在一个封闭的磁路中。


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