电磁波从电路进入空气,并不是免费的,能量要经过三个“世界”。
第一个世界是同轴电缆,电压和电流有一个固定的比例,这个就是特征阻抗,常见的是50欧。
第二个世界是自由空间,在真空中,电场和磁场也有一个固定的比例,这个叫自由空间的波阻抗,大约是377欧。
第三个世界是天线,天线夹在电缆和空间之间,它不是一根随便接上的金属棒,而是一个“翻译官”,把电缆里的电压、电流翻译成空间里的电场、磁场,如果翻译不好,能量就不会顺利的飞出去,而是被反射回电缆,在系统里来回的折腾,最后变成损耗和发热。
所以天线真正要解决的,不只是“怎么发射”,而是怎么让能量愿意从电路里走出来,进入空间,这就叫阻抗匹配。那天线是靠什么完成匹配呢?答案就藏在长度里。
先讲一个概念:驻波。拿一根绳子,一端绑在墙上,另一端用手抖动,当频率合适的时候,绳子上就会出现稳定的波形,有些点几乎不动,而有些点却摆动的最强。
天线上的电流也会形成类似的驻波。对一根中心馈电,两端开路的直导线来说,两端电流必须接近于0,中间的电流最大。那什么长度最容易形成这种稳定的图案呢?答案是大约半个波长。
这时整根天线上,刚好形成最基本最稳定的电流分布,两端电流最小,中间电流最大,这既是半波偶极子的核心。当然,不是说短天线就不能发射,短天线也能发射,只是效率往往更低,匹配更加麻烦,还要额外的线圈、电容来帮忙,而半波偶极子就不一样,它天生接近谐振,结构简单,效率高,而且非常的“好喂”。
接下来,那个神秘的数字就出现了,73欧。天线把能量辐射出去,从发射机看来,就像是有一个东西,在消耗功率,但这份功率没有变成热,而是变成了电磁波,飞向了空间。于是,物理学家就定义了一个等效电阻,如果有一个电阻消耗的功率,刚好等于天线辐射出去的功率,那么这个电阻值就叫辐射电阻,它不是真的发热电阻,而是天线向空间释放能量的能力。
那么,理想半波偶极子的辐射电阻是多少呢?物理学家把导线上的电流分布算出来,再把每一个小段电流产生的电磁场叠加,最后计算整个空间里的能量流,结果得到了一个经典的数字,大约73欧姆。这个73不是拍脑袋决定的,也不是工程师凑出来的,它是麦克斯韦方程组在“自由空间中的半波直导线”这个条件下,自己算出来的答案。在现实中,天线的粗细、高度、地面、附近物体,都会让这个数字变化,真正的半波偶极子长度,通常也会比半个波长略短一点,但73欧依然是半波偶极子最经典的理论指纹。
所以这条因果链是这样的:长度决定谐振,谐振决定电流分布,电流分布决定辐射场,辐射场决定能量如何离开天线,最后这一切在馈电点,表现成了一个阻抗。
一根金属板看起来平平无奇,但只要它的长度和波长对上节拍,它就变成了电路和宇宙之间的接口。