天华中威科技微波小课堂_天线如何接收到电磁波的？

天华中威科技微波小课堂_天线如何接收到电磁波的？

“电磁波遇到比它波长小的物体会绕过去“是我们看到的宏观效果。事实上，任何导体都可以接收电磁波，而任何振荡电荷都可以做为天线辐射电磁波。天线是设计合理的结构、让这种发射和接收的效果增强了而已。

从微观上说，任何自由电荷对电磁场的反应都是一样的，只是自由电荷所处的状态不同，使得最终叠加的效果，表现为是接收或题主所说的绕射而已。

下面是详细分析：

1、自由电荷辐射和接收电磁波的物理机理

假定空间中有如下一对电荷自由电荷，某一瞬间某种力让它们保持静止状态；空间各点的受力达到平衡。两电荷间有电势能存在，注意，这里的电势能分布在空间各点；空间电场势能的分布是不均匀的，两电荷附近是势能最集中的地方。

如上左图，此时两电荷之间蓝色箭头的线，是它们之间的电力线示意图。

放开两电荷，让电荷在静电引力作用下靠近；如图黑色小圆圈是感应磁场的方向、红线是感应磁场感生的电场；而红色小圈是感生电场又感应的磁场。注意，这儿的量稍微有点多，但都是高中物理的内容，就是磁生电、电生磁的嵌套。

在电荷复合运动过程中，感应的电场力（红色虚线）阻止电荷的复合运动（和原本蓝色的电场方向相反）；这种阻力逐渐消耗掉两电荷间的电势能，消耗掉的能量转化为空间的磁场势能（黑色小圈）；这也就是电生磁的过程。

同时，感应电场在减弱两电荷间电场的同时，试图加强远离电荷处的电场（如图蓝色虚线和红色虚线方向一致的位置），也就是说这个过程、试图把原本场比较强的区域的场消弱、而使得原本场比较弱的空间的场增强。换句话说，空间的能量分布在这个过程中会趋于平均，这符合平衡系统的原理；这也就是辐射和接收的最基本原理。

进一步，当这个异性电荷对复合之后，它们俩原来的电场能（蓝色带箭头的电力线示意图）消失，原本的电势能以磁场能的形式分布在空间各点（右图各个黑色小圆圈）。这些电荷对的感应电场（上面有图红色带箭头虚线）继续作用，试图再次把这个电荷对分开，这就是磁生电的过程。

如果此时电荷对附近的磁场，能再次把这个异性电荷对分开到原本的位置（极性互换）；则这个电生磁、磁生电的相互转化过程将永远持续下去。事实上这是做不到的，因为刚才复合过程能量平均的努力，使得此时电荷对附近的能量集中程度不及以前；或者说，部分磁场因为被转移的太过远离电荷对，它们此时对电荷的作用力太弱而可以忽略了。继续参与磁生电的磁场，因在能量转换的过程中被转化为电场、而被约束在电荷对附近；而这部分不能参与磁生电过程的磁场，将脱离这个电荷对的约束；这就是辐射场。

假设上面蓝色虚线之内的磁场，可以因再次参与磁生电的过程继续转化为电场；而蓝色虚线之外的磁场将永远失去；这就把场分成了近场和远场。事实上，这个近场和远程的分布和比例是相对固定的（当然是动态的）。如果有外在的力持续给这个异性电荷对补充能量，让它维持这个振荡，它就会不断的向外转移电磁场，这就是辐射。反之，如果有从外向内的外来的电磁场、不断参与使电荷对振荡的过程，电荷对就具备对外做功的能力，这就是接收过程。

这就是自由电荷对电磁场作用的微观机理，它们都具备无差别的辐射或者接收电磁场的能力。

2. 那么为啥电路中的自由电荷不能辐射呢？

假设下面是传输线示意图，上下导线中分别有一对异性电荷，这也符合传输线中的情况。

上面左图是静止时候的情况，用蓝色和浅蓝色两种虚线，分别表示上下异性电荷对的电场。我们看到在导线外的电场方向总是反向抵消的，而导线之间的电场方向总是同向相加的。就是说，和自由电荷不同的是，传输线上下两根导线中电荷的互相约束，使得场都分布在导线之间、而导线外基本没有电场分布。

再重复下自由电荷对从静止到复合的运动过程和它们的场，不同的是此时有上下导线中的两对电荷同时运动。场的分布如上右图，圆圈是磁场示意图。此时同样存在上下电荷对产生的磁场、在导线外总是方向相反而消减、两导线之间因为方向相同而加强。

就是说，在传统的传输线中，因为上下导体中电荷产生的场互相约束，使得场总是被约束在导线之间，不具备把场往远处转移而形成辐射场的条件。

3. 那么，天线又是怎么工作的呢？

简单来说，把传输线“掰开”，让场暴露在自由空间中，示意图如下：

这儿为了直观和便于理解，直接把上下导体“掰开”而场分布保持不变；是为了让大家看清楚上下导体失去了互相约束的条件。实际上的场分布会重新在上下导体间调整，比图示要复杂些；因为不影响我们要表达的结论和意思，暂时按不严谨的方式看。如上图，分开的两导体，不再能互相约束抵消对方的电场，远离导体的空间将有振荡电荷的电场存在；根据自由空间电荷对的分析知道，这种空间的电场将不停的向更远的空间“平均”，形成辐射。源只是用来补充每个周期损耗掉的能量，使电荷对总能保持同样的分开幅度.

事实上，基本的天线原理,的确是可以理解为把传输线“掰开”就行，如上图。

是不是简单的“掰开”就完事了吗？真要这样搞天线的要失业了。

实际上，振荡的电荷对形成的远场和近场中，远场的比例非常之小；或者说每个周期辐射出去的能量很小很小，我们就需要大量的电荷对同时、同步的振荡，才能把辐射场叠加、形成可观的辐射；这就需要构造谐振结构。

4. 怎么构造谐振结构呢？

看下面示意图：

如上图沿着一个导体传输的行波信号，每个周期有正半周期和负半周期；我们在半波位置进入负半周期的时候，把波“折叠”起来，负半周期+折叠反向，它就能达到和正半周期叠加的结果。按同样的办法一直折叠，就能把波的很多半波“摞起来”，形成很强的同时、同步的振荡。这是上图想表达的意思，听起来很高大上，实际上就是用一个半波长的导线就实现了。

说到这儿回应下题主说的“电磁波遇到比它波长小的物体会绕过去”的问题。实际上波并没“绕射”，它同样在导体中激励振荡电流，只是因为导体的长度没有满足让波“叠加”的条件，所以辐射出去的能量很小、以至于让你觉得波忽略了这个导体直接绕射过去了而已。

那半波长的导体中“摞起来”的波会一直“摞”到啥时候结束呢？看下面的示意图：

上图蓝色的曲线代表源的幅度、而红色曲线代表天线（半波长导体）中“摞起来”的信号幅度；当“摞”到每个周期辐射出去的能量等于源的功率时，源没有能力继续往上“摞”了，系统达到稳定态。

至此终于把天线原理从逻辑上说清楚了，说那么大一通、是不是结果简单得让人失望：不就是整个半波长的导体嘛！这就是其他部门对天线的印象，讲起来一大套一大套，最终结果就是个简单的结构件，搞得有时自己都觉得是在忽悠！

想起小时候学语文课学的《百鸟学艺》印象挺深刻。凤凰给百鸟讲怎么搭鸟巢，凤凰说：“首先得找个树杈。。。”，老鹰一听说“哦，原来是找个树杈啊”，然后就飞走了；现在老鹰的巢就一直是个树杈，也可以住。听到最后的燕子把自己的巢搭的像艺术品，也是个住。

我说的意思是，天线是典型的原理比较深、形式简单的东西；借助现在强大的仿真软件、模仿现有的设计，可以很简单的搞定；但是要做成艺术品，不能停留在“原来是找个树杈”的阶段；越往下钻研，也会越有意思。感谢您的来访，希望对您有所帮助。