环形天线（Loop Antenna）的原理与应用

    1. 环形天线的基本原理

    环形天线是一种闭合导电路径（通常为圆形或矩形）构成的辐射结构，其工作原理基于法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程组。根据环的尺寸（周长 $C$C 与波长 $\lambda$λ 的关系），环形天线可分为：

1. 小环形天线（Small Loop Antenna）

   • 定义：周长 $C \ll \lambda$C?λ（通常 $C < \lambda/10$C<λ/10）。

   •     辐射机制：

     •     主要依靠磁偶极子（Magnetic Dipole）辐射，其辐射场与电流环的磁矩 $\mathbf{m} = I \cdot A$m=I?A（$A$A 为环面积）成正比。

     • 辐射电阻 $R_{rad} \propto \left( \frac{C}{\lambda} \right)^4$Rrad∝(λC)4，效率较低（需匹配网络）。

   •     方向性：

     •     辐射方向图呈“8字形”（垂直于环面方向辐射强，沿环面方向辐射为零）。

     •    极化方式：水平极化（环水平放置时）。

2.    大环形天线（Large Loop Antenna）

   •    定义：周长 $C \approx \lambda$C≈λ 或更大（如 $C = \lambda$C=λ 时称为全波环）。

   •      辐射机制：

     •    电流分布接近行波，辐射效率高，方向性增强。

     •   全波环（$C = \lambda$C=λ）的辐射电阻 $R_{rad} \approx 100 \, \Omega$Rrad≈100Ω。

   •    方向性：

     •    辐射方向沿环面法线方向（与环平面垂直）。

   2. 环形天线的关键技术参数

•   辐射效率：小环天线效率低（需高 $Q$Q 值调谐），大环天线效率较高。

•    输入阻抗：

  •   小环：感性（需电容调谐至谐振）。

  •   大环：阻抗随周长变化（如 $\lambda/2$λ/2 环呈高阻抗）。

•   带宽：窄带（小环）、较宽（大环）。

•    品质因数（Q）：小环 $Q$Q 值高，对频率敏感。

   3. 环形天线的应用

 （1）无线电接收与测向

•   AM广播接收（MF/HF频段）：

  •    小环形天线用于便携式收音机（如磁棒天线），利用高 $Q$Q 值选择信号。

•    无线电测向（Direction Finding, DF）：

  •    环形天线的“8字形”方向图可用于测向（结合正交双环或 Adcock 阵列）。

（2）近场通信（NFC/RFID）

•    13.56 MHz RFID/NFC：

  •   小环形天线作为读写器或标签天线，利用磁耦合传输能量和数据。

  •    关键要求：高 $Q$Q 值、小尺寸（如智能卡天线）。

（3）低频/甚低频通信（LF/VLF）

•    军事与水下通信：

  •    大环形天线用于长波（3-30 kHz）通信，依赖地波传播。

  •    例如：潜艇通信系统（需极大尺寸环天线）。

 （4）医学与工业应用

•    磁共振成像（MRI）：

  •     射频线圈（RF Coil）本质是环形天线，用于激发和接收核磁共振信号。

•   感应加热（Inductive Heating）：

  •    工业高频加热系统（如金属熔化）使用大电流环形天线。

  （5）物联网（IoT）与无线传感

•    低频唤醒（Low-Frequency Wake-up）：

  •    小环形天线用于接收唤醒信号（如 BLE 设备的低功耗监听）。

•   能量采集（Energy Harvesting）：

  •    环形天线耦合环境电磁场（如 RFID 无源标签供电）。

（6）航天与卫星通信

•   星载磁场探测：

  •    环形天线用于测量空间磁场（如地球磁层探测卫星）

  4. 环形天线的优缺点

    5. 环形天线的优化设计

1.     多环阵列：

   •     增强方向性（如 Alford 环用于测向）。

2.     铁氧体磁芯：

   •    提高小环天线的磁通量（如 AM 收音机磁棒天线）。

3.    分布式电容调谐：

   •    改善小环天线的带宽（如 NFC 天线匹配网络）。

4.    平衡-不平衡转换（Balun）：

   •    抑制共模电流（提高辐射效率）。