【正文】 提綱 ? 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 ?引言 ?天線(xiàn)的工作原理 ?遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與近區(qū)場(chǎng)的概念以及判定 ?天線(xiàn)的輸入阻抗以及輻射效率 ?天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖 ?方向性系數(shù)與功率增益 ?天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 ?天線(xiàn)隔離度與空間隔離度的概念與物理意義 ?近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的隔離度分析與計(jì)算公式 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 ? 引言 在任何一個(gè)具有綜合功能的移動(dòng)系統(tǒng)中，如飛機(jī)、火車(chē)、艦船等，為了保持該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)或地面的聯(lián)絡(luò)，大多采用無(wú)線(xiàn)電通訊方式，有的在系統(tǒng)內(nèi)部也采用無(wú)線(xiàn)電通訊技術(shù)。這些無(wú)線(xiàn)電通訊工具的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線(xiàn)，除了發(fā)射調(diào)諧頻率的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)之外，還發(fā)射無(wú)意的交調(diào)失真信號(hào)。這些有意的發(fā)射信號(hào)和無(wú)意的發(fā)射信號(hào)往往成為天線(xiàn)的干擾源。例如一輛小轎車(chē)內(nèi)安裝的無(wú)線(xiàn)電話(huà)收發(fā)系統(tǒng)，它的工作頻率在 1MHz~1GHz范圍內(nèi)，而車(chē)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻譜可達(dá)到 200MHz，城市里的廣播電視發(fā)射天線(xiàn)的調(diào)諧頻率在十幾 MHz到數(shù)百 MHz之間，因此轎車(chē)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電話(huà)收發(fā)機(jī)的工作頻率一般設(shè)在較低的頻段，否則就會(huì)遭到廣播電視信號(hào)或發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噪聲的干擾。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展 ,越來(lái)越多的電子設(shè)備被集成在一個(gè)系統(tǒng)中 ,同時(shí) ,一個(gè)電子系統(tǒng)可能需要幾副甚至十幾副工作在不同波段的天線(xiàn)來(lái)接收或發(fā)射電子信號(hào) ,例如一架飛機(jī)或一艘軍艦上會(huì)裝載各種各樣的完成不同功能的電子設(shè)備及其天線(xiàn) .同一系統(tǒng)中不同天線(xiàn)的近場(chǎng)耦合很強(qiáng) ,嚴(yán)重干擾了各收發(fā)電臺(tái)的正常工作 ,因此怎樣預(yù)估及避免這種干擾 ,對(duì)于通信設(shè)備的正常工作至關(guān)重要 .另外 ,當(dāng)天線(xiàn)發(fā)射功率很大時(shí) ,其周?chē)碾娮釉O(shè)備也會(huì)受到很強(qiáng)的干擾 ,而無(wú)法正常工作 ,因此天線(xiàn)近場(chǎng)的分析也是電磁兼容的一個(gè)重要問(wèn)題。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 ?遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與近區(qū)場(chǎng)的概念以及判定 若已知源分布，求解電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布時(shí)，一般首先根據(jù)源分布求解矢量位： 再由求出電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布： 因此，討論電磁場(chǎng)的空間分布，只需討論矢量位的分布即可。如下圖所示： ?????? dVReJAjk R?4~~AH ~~ ??????? jAAjE )~(~~ ??????電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 r` R r P source 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 若 為天線(xiàn)最大尺寸，通常，認(rèn)為遠(yuǎn)場(chǎng)條件為： 近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)條件： 近區(qū)束縛場(chǎng)條件： D??????????????rDrDr22?? 23 DrD ??? Dr ??電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 分析可知，近區(qū)束縛場(chǎng)的主要成分是似靜場(chǎng)，在似靜場(chǎng)中，復(fù)數(shù)坡印廷矢量是一個(gè)純虛數(shù)，天線(xiàn)的有功功率密度為零，因此，似靜場(chǎng)的電磁能量是不會(huì)輻射出去的。同樣的，近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)的能量也不能被輻射出去，我們將近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)與近區(qū)束縛場(chǎng)統(tǒng)稱(chēng)為近區(qū)場(chǎng)。 在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)中，復(fù)數(shù)坡印廷矢量是一個(gè)實(shí)數(shù)，主要部分所攜帶的電磁能量是向外傳播的，因此，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的主要部分被稱(chēng)為輻射場(chǎng)。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 ? 天線(xiàn)的輸入阻抗以及輻射效率 從天線(xiàn)的輸入端看到的阻抗被稱(chēng)為天線(xiàn)的輸入阻抗，它可以表示為： 其中， 為天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及附件的熱損耗以及輻射損耗所帶來(lái)的電阻，被稱(chēng)為損耗電阻或輸入電阻， 為存儲(chǔ)在天線(xiàn)近區(qū)場(chǎng)中的無(wú)功功率所帶來(lái)的電抗，被稱(chēng)為輸入電抗。 從能量角度考慮，天線(xiàn)的平均損耗功率為： 或者： ininin jXRz ??)(21 2 ：輸入端電流的峰值inininin IIRP ?222121inriinLrLin IRIRPPP ????inRinX電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 其中， 為熱損耗功率， 為輻射損耗功率， 為損耗電阻， 為輻射電阻。 天線(xiàn)的輸入阻抗與幾何形狀、饋電方法和周?chē)矬w的臨近程度等多種因素有關(guān)。 天線(xiàn)的輻射效率是天線(xiàn)的輻射功率與凈輸入功率的比值： 由式 ()進(jìn)一步可得： LP rP LR riRinrPPe ?inriRRe ?電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 ? 天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖 在距離 等于常數(shù)的球面上，場(chǎng)強(qiáng)或功率密度隨方向坐標(biāo) 的變化曲線(xiàn)稱(chēng)為場(chǎng)強(qiáng)方向圖或功率方向圖。記場(chǎng)強(qiáng)隨方向坐標(biāo)變化的歸一化方向性函數(shù)為 ，功率隨方向坐標(biāo)變化的函數(shù)為 ，它們二者之間的關(guān)系： 以分貝為單位的場(chǎng)強(qiáng)方向圖： 以分貝為單位的功率方向圖： r )( ??、m a x),(),(EEF ???? ?),( ??P2),(),( ???? FP ?),(lg20),( ???? FF dB?),(lg10),( ???? PP dB?電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 ?方向性系數(shù)與功率增益 天線(xiàn)在空間各個(gè)方向上的輻射不可能是均勻的。輻射強(qiáng)度隨空間方向的變化是由天線(xiàn)的方向性增益 來(lái)表示的。所謂方向性增益，即是給定方向的輻射強(qiáng)度與參考天線(xiàn)的輻射強(qiáng)度之比。它的物理意義即是“在距離等于常數(shù)的球面上，給定方向的功率密度與平均功率密度之比”。 ),( ??D電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 方向性系數(shù)即是最大輻射方向的方向性增益值。功率增益 描述的是在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)功率密度增益隨方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，具體定義如下：給定方向上的輻射強(qiáng)度與天線(xiàn)從所連發(fā)射機(jī)得到凈功率之比的 倍。若未指明方向，則增益通常指最大輻射方向的功率增益。 ?4),( ??G電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)的工作原理 功率增益與方向性增益的關(guān)系如下： 如果以分貝為單位，則有： 在后面的天線(xiàn)隔離度計(jì)算與分析中，最常用的是天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)功率增益或者方向性增益的方向圖。 ),(),( ???? eDG ?GGDD dBdB lg10lg10 ??電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)間電磁干擾主要傳輸途徑是天線(xiàn)間的耦合，常用隔離度來(lái)定量表征這種耦合的強(qiáng)弱程度。天線(xiàn)的載體和天線(xiàn)間的距離以及障礙物不同，分析它們耦合的方法也不同，分析過(guò)程的難易程度也有很大的區(qū)別。對(duì)于自由空間分隔相距比較遠(yuǎn)的天線(xiàn)，天線(xiàn)間耦合的相互影響主要是通過(guò)天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)進(jìn)行的，與天線(xiàn)近場(chǎng)情況的關(guān)系較小。但當(dāng)天線(xiàn)間的距離比較近時(shí)，分析它們的耦合就需要考慮天線(xiàn)的具體形式、饋電結(jié)構(gòu)、安裝位置和安裝殼體等各種因素的影響。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 ?天線(xiàn)隔離度與空間隔離度的概念與物理意義 在一個(gè)系統(tǒng)中，為保證每個(gè)天線(xiàn)正常工作，天線(xiàn)的隔離度必須滿(mǎn)足一定的要求，否則天線(xiàn)間的干擾會(huì)壓制住有用信號(hào)，從而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。一般將發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射功率與另一天線(xiàn)所接受功率的比值定義為天線(xiàn)的隔離度。在具體問(wèn)題中，對(duì)于不同的情況，接收天線(xiàn)可能通過(guò)不同的方式對(duì)發(fā)射天線(xiàn)施加干擾。所謂的不同的情況，主要指的就是遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與近區(qū)場(chǎng)。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 在只考慮天線(xiàn)間的距離和障礙物遮擋因素的情況下可定義空間隔離度： 這里， 是發(fā)射天線(xiàn)產(chǎn)生的向接收天線(xiàn)方向上傳播的電場(chǎng)， 是入射電場(chǎng)經(jīng)繞射后到接收天線(xiàn)處的電場(chǎng)。 22rtEES ?tErE電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度是兩個(gè)不同的概念。其中，空間隔離度與天線(xiàn)的具體形式無(wú)關(guān)，它只描述電磁波通過(guò)兩天線(xiàn)間的空間傳播時(shí)，由于電磁波的自身發(fā)散以及空間媒質(zhì)的作用而產(chǎn)生的自然衰減。天線(xiàn)隔離度不但計(jì)及這種自然衰減，而且包含了接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)對(duì)發(fā)射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影響，因此天線(xiàn)隔離度不但與天線(xiàn)間的空間具體形式及構(gòu)成有關(guān)，還與天線(xiàn)的形式有關(guān)。具體地講，天線(xiàn)隔離度是空間隔離度與收發(fā)天線(xiàn)在特定方向上功率增益的和，天線(xiàn)隔離度最好地描述了天線(xiàn)間的隔離程度。 電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度在不同的問(wèn)題中有不同的地位。因?yàn)橛袝r(shí)天線(xiàn)的功率增益與空間隔離度相比并不大，空間隔離度近似等于天線(xiàn)隔離度，因此，僅僅是空間隔離度就能說(shuō)明天線(xiàn)間的隔離程度，從簡(jiǎn)化計(jì)算方面考慮，這時(shí)，我們可以不管天線(xiàn)隔離度。一般情況下，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在天線(xiàn)間的電距離（真實(shí)距離與發(fā)射天線(xiàn)工作波長(zhǎng)之比）較大或者收發(fā)天線(xiàn)都可認(rèn)為是很好的全向天線(xiàn)，并且其功率增益大約為 的場(chǎng)合中。如果收發(fā)天線(xiàn)間的電距離不夠大，或者收發(fā)天線(xiàn)的功率增益值隨著方向坐標(biāo)的改變有很大的變化，這時(shí)，天線(xiàn)隔離度與空間隔離度有較大差別，在這種情況下，只要知道天線(xiàn)的具體形式，都應(yīng)該考慮天線(xiàn)的功率增益，即計(jì)算出天線(xiàn)隔離度。 dB1電磁兼容中的天線(xiàn)耦合問(wèn)題 天線(xiàn)隔離度與空間隔離度 ? 近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的隔離度分析與計(jì)算公式 前面我們介紹的天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件只是對(duì)于一副天線(xiàn)而言的，在分析天線(xiàn)隔離度時(shí)，牽涉到了收發(fā)兩副天線(xiàn)，要保證兩天線(xiàn) 都在對(duì)方的遠(yuǎn)場(chǎng)，就必須滿(mǎn)足 遠(yuǎn)場(chǎng)條件： 其中， 是發(fā)射天線(xiàn)