每个导体都是天线吗?
出处:网络整理 发布于:2023-12-04 15:33:07
《电路课程》在线教科书将天线定义为“一种无源元件,用于将射频电信号转换为电磁辐射 (EMR),反之亦然。” 但我们称之为天线的组件并不是电路中电磁辐射的来源。
当电压驱动时变电流通过导体时,就会产生 EMR。当电荷运动时初存在于导体中的能量被转换成以电场和磁场的形式向外传播到空间的能量。类似地,当导体暴露于电磁波时,电磁能在导体内部转换成电压和电流信号。
各种电子设备(包括不涉及任何形式的无线通信的电子设备)都使用产生 EMR 的时变信号,并且也会暴露于诱发时变信号的 EMR 中。从这个意义上说,天线无处不在:PCB 走线、连接线和元件引线都能够发射和接收电磁辐射。
但从另一种意义上来说,天线并非无处不在。组件和电路,尤其是涉及高频信号的组件和电路,旨在减少无用发射并抵御潜在破坏性 EMR 的影响。尽管典型嵌入式设备的 PCB 充满了理论上充当射频发射器和接收器的导体,但这些无意的天线通常不会对实际功能产生有害影响。
有些天线比其他天线更好
天线的尺寸和配置决定了其辐射或接收的效率,这就是为什么任何基本天线的步都是根据信号的波长调整其物理长度。您可以在 Mark Hughes 的文章“天线基础知识简介”中阅读更多相关内容。
在许多情况下,普通导体几乎不能被描述为天线——它们相对于信号波长来说非常短,以至于传输或接收的影响可以忽略不计。它们确实无法与可实现高效转换、甚至可能应用大量增益的复杂、优化天线相比,如图 1 所示。
Voyager 航天器配备了提供 48 dB 增益的抛物面天线。图片由喷气推进实验室提供
较长的导体也可能是不好的天线。然而,当导体不用于传输或接收射频信号时,这是有益的。例如,双绞线与差分信号相结合,使得长导体既不太可能发射有问题的电磁辐射,又更能抵抗传入的电磁辐射。
数字与模拟和射频
我们已经确定,每个导体至少在理论上都是一个天线,但这与电子设计的相关程度取决于所涉及信号的性质。
数字信号
数字信号,尤其是高频数字信号,很乐意使用 PCB 走线、元件引线和互连作为天线。快速逻辑电平转换中存在的广泛正弦频率确保了电气域和电磁域之间有大量实现更高效率转换的机会。
然而,数字信号本质上对接收到的 EMR 具有鲁棒性。这是因为只有当干扰足够强以将电压推至逻辑阈值的另一侧时,干扰才会损害性能。
模拟和射频信号
“模拟”和“射频”均指非数字信号。这里,“模拟”意味着较低的频率。与数字信号相比,模拟和射频信号更有可能因电路中无意的天线而遭受明显的衰减,但射频提出了独特的挑战。
RF 电路中的高频信号从短导体中辐射得更有效。此外,短导体可以更有效地接收难以忽略或滤除的信号,因为它们的频率与系统感兴趣的频率相当。因此,射频设计人员需要了解(几乎)每个导体都是天线的想法。
作为一名从事 L 波段(1 GHz 至 2 GHz)数据链路工作的新手工程师,我经历了惨痛的教训。该系统中至少有一个 PCB 存在较小的设计问题,而这些小问题导致功能令人失望,有时甚至令人困惑。
该装置的性能对操作环境的微小变化非常敏感。我特别记得现场测试:就在我口袋里的手机开始响铃之前,误码率急剧上升。我后来在会议上提到了这一点,一位经验丰富的工程师向我保证系统不会受到手机 EMR 的影响。很公平,但我不是产生幻觉。
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