什麼面稱為主平面

儘管生活中有大量的各種各樣天線，但是它們的基本特徵相同，並且其設計目的都是為了發射或接收電磁波。在這裡，首先介紹電磁波的定義以及如何描述電磁波；然後對天線的重要特徵進行定義和說明，即阻抗、方向性和極化，以及這些引數的測量和顯示：最後，該部分論述了暴露在電磁波環境中的人體所受到的傷害，同時介紹了人們在使用所有天線過程中的必要措施和電磁波安全問題。

電磁場和電磁波的介紹

開啟百度APP看高畫質圖片

一、電場和磁場

1820年，Hans Oerstad發現，電流流經導線時，會使導線附近的磁針發生偏轉。我們把這歸因於電流的磁效應或者磁場，在其周圍任何給定位置上用字母H表示。磁場既有大小（A/m，安培每米），又有方向（方向也可以說是一個關於參考方向的相位值）。因為磁場既包括大小，又有方向，故是一個向量。

圖1-1中所示是一個典型的實驗。圖中小磁針的排列就是磁場的形狀。該場分佈與豎直天線的場分佈極其相似。

圖1-1磁場的可檢視

電流流經導體時周圍的磁場形狀，用小磁針的分佈表示。磁針的指向即磁場（/H）的方向。小磁針的分佈大致給出了與導體垂直的平面內的磁場形狀。

小磁針（本身就是一個小的磁體）總是試圖與磁場H的方向保持平行。當磁針圍繞導體運動時，磁針的指向也隨之改變。磁針的指向就是磁場H的方向。當你試圖將磁針從原來的位置移開時，你會發現存在一個力阻止磁針離開原來的位置。力的大小與磁針所在位置處的磁場強度成正比——稱之為該點的場強或H的幅度。導體中的電流變大時，由它產生的磁場也會變大。流經天線的電流也會產生磁場，該磁場即為近場的一個分量。如果導體中所流過的電流增大，那麼H的幅值也會相應地增大。天線導體中的電流也會產生磁場。

天線周圍還存在電場（E），該電場可以透過一個平板電容進行觀察，如圖1-2所示。將一節電池（其電勢為V=）連線在平板電容的兩端，電容兩板之間的電場為E，如圖中帶箭頭的線條所示。向量E的單位V/m（伏特每米），所以電容兩端電勢為，距離為d時，E=WdV/m），V增大或d減小，則E增大。天線中，天線的各部分之間，天線與地面之間存在交流電勢差。這些電勢差確定了與天線相關的電場。

圖1-2電場的可檢視

E=Vi/d。用交流電源替換直流電源，電容兩板之間將出現位移電流（

）。

二、傳導電流和位移電流

如圖1-2所示，用交流電源替換直流電源時，由於電荷的移動（通常是電子），一個穩定的交流電流將在直流電源和電容兩板之間流動。但是電容兩板之間，特別是當兩板之間是真空時—沒有電荷的載體來傳輸該傳導電流。然而，電流仍然能夠在整個電路中流動，這是因為電容兩板之間存在一個位移電流（

）——它保證了整個電路中電流的連續性。位移電流和傳導電流是兩種不同的電流形式。一些觀測者更傾向於把傳導電流直接稱為“電流”，而把位移電流稱為“假想”電流，無論使用哪種術語都是可以的。電路中包含電容時，對兩種電流都要加以考慮。公認慣例中所使用的術語為位移電流。

三、電磁波

電磁波，顧名思義，是由隨時間變化的電場和磁場組成。

不隨時間變化的電場和磁場被稱為靜電場，例如由直流電電壓和電流建立的電場。無線電波的電磁場是由天線中的交流電流產生，其通常為正弦波形式。因此，無線電波中的電磁場有相同的正弦波模式，即大小和方向都隨著交流電流的頻率週期性的改變。這是電子運動的一種方式——特別是隨著交流電流往復的加速和減速，進而產生了無線電波。

電磁波中電場和磁場的方向是相互垂直的，如圖1-3所示。圖中術語“力線”的含義是表示一個電子在電場中所感應到的力的方向或者一個磁體在磁場中所感應到的力的方向。電場和磁場的直角是順時針方向的還是逆時針方向的，這是由電磁波的傳播方向決定的，正如圖1-3所示那樣。因此，電磁波又被稱為行波。

對於一個停留在某個地方的觀測者，例如一個靜止的接收天線，隨著波的“經過”，波中的電場和磁場就會在該處出現振盪。也就是說，場給天線中的電子施加了作用力，使得電子按照正弦波的形式做加速和減速運動。隨著不斷改變的場引起電子運動，行波中的一些能量就轉移到了電子上。

這樣在天線中就產生了一個正線電流，其頻率是由電磁波經過時場強的變化速率決定的。

圖1-3一個電碰波波陣面中電力線和磁力

圖1-3一個電碰波波陣面中電力線和磁力線的示意圖。沿著地表傳播的垂直極化平面波的電場和磁場示意圖。箭頭代表垂直於紙面向讀者傳播的無線電波的場的瞬時方向。反轉一組場線（電場線或磁感線）的方向將會改變無線電波的傳播方向。

然而，如果一個觀測者的移動速度和方向與電磁波的傳播速度和方向一樣，那麼電場的強度將不會改變。對於該觀測者而言，電場和磁場的強度是固定的，就像是兩者處於一張照片中一樣。電磁波的波陣面如圖1-3所示，是一個平面或者是電場和磁場以一個恆定的速度平移地穿過空間。

就像無數個瞬態電壓（每一個都略大於或略小於前一個電壓值）構成一個交流電壓一樣，無數個波陣面就構成了一個傳播的電磁波，一個跟著一個的就像一副卡片。波傳播的方向就是波陣面移動的方向。只要經過一個固定的位置，連續波陣面中每個波陣面處的場都有一個稍微不同的強度，被檢測到的場強同樣發生改變，這個固定的觀測者“看到的”是一個強度隨正弦變化的場。

如果我們可以突然凍住所有的波陣面，同時測量出每個波陣面的強度，就可以描繪出圖1-4所示的畫面。在這個例子中，電場位於水平面，磁場位於垂直面，電場中的每一條垂直線都可以被認為是一個波前（波陣面）。所有的波陣面都沿著圖1-4所示的方向移動，即它們作為一組集合以相同的速度一起運動。隨著波傳播時經過接收天線，不同波陣面所對應的不同場強就被認為是一個連續改變的波。實際上，我們是將空間傳播的一組完整波陣面集合稱為波。

關於電磁波還有重要的一點；即電場和磁場是耦合的，它們是電磁波實體的兩個方面，它們不是僅僅發生在同一地方、同一時間的兩個正交的電場和磁場。儘管可以利用電場力或磁場力來測量場中的能量，但是它們的場是不能分開的。它們共同構成了一個單一的實體——電磁波——由發射天線中運動的電子產生的。

圖1-4電磁波電場強度和磁場強度的描述

在圖中電場位於垂直方向，磁場位於水平方向。

1、傳播速度和波長

由於無線電波傳播的速度是如此之大，以至於我們趨於忽略它。無線電波只需要1/7s的時間就可以繞地球走一圈，但是在天線工作的時候，時間因子極其重要。波的概念演變，由於在一個線圈（天線）中的交流電流的流動會產生變化的電場和磁場。在有意識地或者其他不引入傳播時間的情況下，我們將根本不能討論天線理論或效能。

電磁波在其所傳播的媒介中以光速進行傳播。在真空中光速是最大的，大約是300000000m/s。為了方便記憶，常常寫作300m/us（更精確的值為299。7925m/us）。這個就被稱為波的傳播速率，其表示符號就是大家所熟悉的光速符號

。

波長是指波在一個完整的週期上所傳播的路程，知道一個無線電波的波長也是有用的。當一個週期的時間是1/波的速度是光速時，波長就為

=c

（1-1）

在真空中，

其中真空中的波長單位是米。

在無線電領域中，常用的近似公式是

（1-2）

（1-3）

波在媒介中的傳播速度與波在真空中的傳播速度的比值被稱為該媒介的速度係數（VF），其值介於0和1之間。

在空氣中，當頻率低於30MHz時，傳播速度的減小量在大多數討論中可以忽略不計，在甚高頻以及更高的頻率上，媒介的溫度和溼度對通訊範圍有遞增效應，這個將在後面“無線電波傳播”章節中討論，在類似於玻璃或塑膠的材料中，波的傳播速度相對於真空中的波速更小。例如，在聚乙烯（通常用作同軸電纜的中心絕緣體）中，波速只是真空中波速的2/3：在蒸餾水（一種很好的絕緣體）中，波速為真空中波速的1/9。

2、波的相位

在這裡將有很多討論相位、波長和頻率。為詳細瞭解天線的設計、安裝、調整或使用，匹配系統或者傳輸線，必須清楚地瞭解相位、波長和頻率的意義。在本質上，相位意味著時間。當事物進行週期性變化時，例如交替變化的電流，相鄰週期內對應時刻的相位相同。

區分相位和極化是非常重要的一件事，極化僅僅是一個約定，即給波指定正向和負向或者慣例。反轉饋線中的引線僅僅顛倒波形訊號的極化方向，並不改變它的相位。

相位是一個波形內和波形之間相對時間的測量。圖l-5中點A、B和C是同相的。它們是電流中距離間隔為1個波長的對應時刻。這是一個傳統的正弦變化電流，隨著時間向右傳播。如果水平軸表示的是距離而不是時間，這將代表一個傳播場強度的快照。A與B或B與C之間的距離為一個波長。場強分佈遵循正弦曲線，而振幅和極化嚴格對應著產生電磁場的電流隨時間的變化。請注意，這是一張包含很多波陣面（類似於圖1-4所示）的瞬時圖。

圖1-5 天線波正弦變化

圖1-5這幅圖給出了場（包括電場和磁場）的瞬時幅度隨時間的正弦變化。由於場以恆定的速度傳播，本圖也代表了在波的路徑上場強的瞬時分佈。相位相同的兩點之間的距離為一個波長，譬如A-B和B。C之間的距離。

無線電通訊中無線電波的頻率可以從10000到幾十億赫茲。假設電磁波的頻率為30MHz，則無線電波的一個週期為1/30000000s。無線電波傳播的速度是每秒30000000m，因此在電流變化的一個完整週期內，無線電波只傳播了10m。距離天線10m的地方的電磁場是一個週期之前電流所產生的。距離天線20m遠處的電磁場是在兩個週期之前電流所產生的，以此類推。

如果電流在每個週期內僅僅簡單地重複前一個週期內的電流，則在每個週期內對應時刻的電流將相同。由這些電流所產生的場強也將相等。隨著離開天線的距離變遠，電磁場包圍的面積變得越大，而場強變得越小。它們的振幅隨著離開天線距離的增大而減小，但是與產生它的週期的瞬時相比它們的性質不會改變。它們同相併且保持同相。在上面的例子中，在離開天線向外測量的10m間隔內，每個給定時刻無線電波的相位是相同的。

這些球面是先前所描述的波陣面，當球足夠大以至於表面基本可看成是平的，這時的波陣面被稱為平面波，在該平面（波陣面）的每個部分，其相位是相同的。在任何給定的時刻，若兩個波陣面對應的相位相同，則這兩個波陣面之間的距離就是波長，該距離被測量時，測量線必須沿著波的傳播方向，同時垂直於波降面。

3、波的極化

圖1-3所示的無線電波是沿著電力線方向極化的，這時為垂直極化，因為電場線的方向垂直於地球表面。

如果電力線的方向是水平的，就可以說該無線電波是被水平極化的。水平極化波和垂直極化波一般都屬於線性極化的範圍。線性極化可以是介於水平極化和垂直極化之間的任意一種極化狀態。在自由空間中，“水平”和“垂直”是沒有任何意義的，這是因為缺少作為參考的水平地球表面。

在許多情況下，電磁波的極化狀態不是固定的，而是連續地旋轉，有時候是隨機的。這種情況下電磁波是橢圓極化。

在介質中極化逐漸旋轉的現象稱為法拉第旋轉現象。在空間通訊中，通常採用圓極化以消除法拉第旋轉效應影響。電磁波在介質中傳播一個波長時，圓極化電磁波的極化狀態旋轉360°。從發射天線觀測旋轉的方向，則圓極化可以定義為右旋圓極化（順時針）和左旋圓極化（逆時針）。線極化和圓極化可以認為是橢圓極化的特例。

4、場的強度

電磁波傳播的能量隨著離開源點的距離的增大而減小。

這一強度的減小是因為隨著離開源點距離的增加，電磁波的能量在越來越大的球面上擴散。

離開發射天線一定距離的電磁波強度用場強來表示，這就是電場強度。電磁波的強度由波陣面所在平面上電力線上兩點之間的電壓來衡量。標準的電磁場強度的測量是1m長的線上所產生的電壓，表示為V/m（如果導線長2m，產生的電壓將除以2以給出每米電壓所表示的場強）。

電磁波的電壓通常很小，所以測量時的單位是毫伏或微伏每米。電壓隨時間的變化就像產生電磁場的電流的變化一樣。測量時像其他交流電壓一樣測量其有效值，有時候測量其峰值。幸運的是，在業餘工作中沒有必要測量場強的真實值，因為這需要精心製作的儀器。我們僅僅需要知道調整是否是有益的，所以相對測量通常可以滿足需求。這些可以很容易地透過自制的儀器來實現。q

5、波的衰減

在自由空間中，天線輻射的遠場區域，場的強度隨著離開源點距離的增大而減小。如果離開源點1英里處場強為100mV/m，則在2英里處場強的大小將是50mV/m，以此類推。電場強度和功率密度之間的關係類似於普通電路中電壓和功率的關係。它們由自由空間中的波阻抗所聯絡，約為377Ω。1V/m的電場強度對應的功率密度為

由於電壓和功率之間的關係，功率密度因此隨著電場強度的平方根變化，或者說與距離的平方成反比變化。

如果在1英里處功率密度為4mW/m2，則在2英里處功率密度為1mW/m2。

在考慮天線的效能時，記住所謂的傳播損耗很重要。

增益只能透過將天線輻射方向圖變窄來達到，它將輻射的能量集中在需要的方向。不存在可以增加總的輻射能量的“魔術天線”。

實際中，電磁波能量的衰減要比距離反比定律預測的大得多。波不是在真空中傳播，此外接收天線很少被放置在具有清晰視線的位置。地球是球形的，電磁波不會可觀地穿透其表面，因此在視距之外的通訊中必須是一些使得電磁波沿著地球曲率的方向彎曲的方式。這些方式將會引起額外的能量損耗，使得隨著距離的路徑衰減高於理論上真空中損耗因子所預測的。