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天线是如何接收到电磁波的?

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Pjer,空间物理博士在读 - 好奇且饭量大·会修电脑·不会游泳
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从原理上讲是天线把空间中电磁波的电场分量转换成了电信号,然后通过测量电信号来得到电磁波的性质的。


可以从电磁波的性质出发来考虑天线是如何接收电磁波这个问题。

电磁波的波动方程:

给出的电磁波的一般形式的解为:

equation?tex=%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D%3D%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D %7B0%7Df%5Cleft%28%7B%5Cmathbf++%7Bk%7D%7D%5Ccdot+%7B%5Cmathbf++%7Br%7D%7D %5Comega+t%5Cright%29%5C%2C%5C%21

其中 k 是波矢,r 是空间坐标,t 是时间坐标,对于任意 f 都可以满足上述波动方程。

例如一个非常特殊的解——已经充分传播的平面波:

equation?tex=%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D%3D%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D %7B0%7D%5Csin%5Cleft%28kx %5Comega+t%5Cright%29%5C%2C%5C%21

从波动方程的解中可以看出来,电磁波同时是空间和时间的函数,在空间中的任意一点上,都有一个周期变化的电场,对于简单情形下的线偏振电磁波,这个电场的方向是单一的而且是和传播方向垂直的。

回到题主的问题:

既然电磁波遇到比它波长小的物体会绕过去,那么天线是怎么接收到电磁波的?

电磁波有波的性质,当然可以绕过比它更小的物体,电磁波还有场的性质,充满了整个空间,考虑如下一种情况:

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电磁波的波长比天线长,波在空间中传播(比如说向右传播),从波传播的角度来看,波在天线的前面和后面都存在,所以波的传播绕过了天线。而天线置身于电磁波中,在天线所在的地方(),有equation?tex=%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D%3D%7B%5Cmathbf++%7BE%7D%7D %7B0%7D%5Csin%5Cleft%28kx %5Comega+t%5Cright%29%5C%2C%5C%21这样的电场,这个电场在天线中产生电势差,后端电路中测量这个电势差就是我们所谓的天线接收到了电磁波。

下面这个动图解释的更加形象一些:

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所以理论上来说,只要天线放在电磁波里面,都会有响应,但是一般情况下是在天线长度等于半波长的时候产生的感应电流最强,也就是通常所说的天线的工作频率。

下图是某天线的频率响应图

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可以看出这个天线是在 130Hz 左右响应最强,但是在更高或者更低的频率也有响应,也就是说更长或者更短波长的波也都能接收到。

也就是说,对于 L 长的天线,波长大于 2L 和小于 2L 的电磁波都能「绕过去」天线,也都能被天线「接收到」。


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