環(huán)形天線（Loop Antenna）的原理與應(yīng)用

1. 環(huán)形天線的基本原理

環(huán)形天線是一種閉合導(dǎo)電路徑（通常為圓形或矩形）構(gòu)成的輻射結(jié)構(gòu)，其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律和麥克斯韋方程組。根據(jù)環(huán)的尺寸（周長(zhǎng) C 與波長(zhǎng) λ 的關(guān)系），環(huán)形天線可分為：

 

1. 小環(huán)形天線（Small Loop Antenna）

    

   • 定義：周長(zhǎng) C?λ（通常 C<λ/10）。

      

   • 輻射機(jī)制：

      

     • 主要依靠磁偶極子（Magnetic Dipole）輻射，其輻射場(chǎng)與電流環(huán)的磁矩 m=I?A（A 為環(huán)面積）成正比。

        

        

     • 輻射電阻 Rrad∝(λC)4，效率較低（需匹配網(wǎng)絡(luò)）。

        

        

   • 方向性：

      

      

     • 輻射方向圖呈“8字形”（垂直于環(huán)面方向輻射強(qiáng)，沿環(huán)面方向輻射為零）。

        

        

     • 極化方式：水平極化（環(huán)水平放置時(shí)）。

        

        

2. 大環(huán)形天線（Large Loop Antenna）

    

    

   • 定義：周長(zhǎng) C≈λ 或更大（如 C=λ 時(shí)稱為全波環(huán)）。

      

      

   • 輻射機(jī)制：

      

      

     • 電流分布接近行波，輻射效率高，方向性增強(qiáng)。

        

        

     • 全波環(huán)（C=λ）的輻射電阻 Rrad≈100Ω。

        

        

   • 方向性：

      

      

     • 輻射方向沿環(huán)面法線方向（與環(huán)平面垂直）。

        

        

2. 環(huán)形天線的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

 

 

• 輻射效率：小環(huán)天線效率低（需高 Q 值調(diào)諧），大環(huán)天線效率較高。

   

   

• 輸入阻抗：

   

   

  • 小環(huán)：感性（需電容調(diào)諧至諧振）。

     

     

  • 大環(huán)：阻抗隨周長(zhǎng)變化（如 λ/2 環(huán)呈高阻抗）。

     

     

• 帶寬：窄帶（小環(huán)）、較寬（大環(huán)）。

   

   

• 品質(zhì)因數(shù)（Q）：小環(huán) Q 值高，對(duì)頻率敏感。

   

   

3. 環(huán)形天線的應(yīng)用

 

（1）無線電接收與測(cè)向

 

• AM廣播接收（MF/HF頻段）：

   

   

  • 小環(huán)形天線用于便攜式收音機(jī)（如磁棒天線），利用高 Q 值選擇信號(hào)。

     

     

• 無線電測(cè)向（Direction Finding, DF）：

   

   

  • 環(huán)形天線的“8字形”方向圖可用于測(cè)向（結(jié)合正交雙環(huán)或 Adcock 陣列）。

     

     

（2）近場(chǎng)通信（NFC/RFID）

 

 

• 13.56 MHz RFID/NFC：

   

   

  • 小環(huán)形天線作為讀寫器或標(biāo)簽天線，利用磁耦合傳輸能量和數(shù)據(jù)。

     

     

  • 關(guān)鍵要求：高 Q 值、小尺寸（如智能卡天線）。

     

     

（3）低頻/甚低頻通信（LF/VLF）

 

 

• 軍事與水下通信：

   

   

  • 大環(huán)形天線用于長(zhǎng)波（3-30 kHz）通信，依賴地波傳播。

     

     

  • 例如：潛艇通信系統(tǒng)（需極大尺寸環(huán)天線）。

     

     

（4）醫(yī)學(xué)與工業(yè)應(yīng)用

 

 

• 磁共振成像（MRI）：

   

   

  • 射頻線圈（RF Coil）本質(zhì)是環(huán)形天線，用于激發(fā)和接收核磁共振信號(hào)。

     

     

• 感應(yīng)加熱（Inductive Heating）：

   

   

  • 工業(yè)高頻加熱系統(tǒng)（如金屬熔化）使用大電流環(huán)形天線。

     

     

（5）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與無線傳感

 

 

• 低頻喚醒（Low-Frequency Wake-up）：

   

   

  • 小環(huán)形天線用于接收喚醒信號(hào)（如 BLE 設(shè)備的低功耗監(jiān)聽）。

     

     

• 能量采集（Energy Harvesting）：

   

   

  • 環(huán)形天線耦合環(huán)境電磁場(chǎng)（如 RFID 無源標(biāo)簽供電）。

     

     

（6）航天與衛(wèi)星通信

 

 

• 星載磁場(chǎng)探測(cè)：

   

   

  • 環(huán)形天線用于測(cè)量空間磁場(chǎng)（如地球磁層探測(cè)衛(wèi)星）

     

     

4. 環(huán)形天線的優(yōu)缺點(diǎn)

 

 

 

優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易集成（小環(huán)）	小環(huán)輻射效率低
方向性可調(diào)（測(cè)向應(yīng)用）	帶寬窄（需調(diào)諧）
抗電場(chǎng)干擾（磁偶極子特性）	大環(huán)天線尺寸大（低頻應(yīng)用）
適用于近場(chǎng)耦合（NFC/RFID）	輸入阻抗匹配復(fù)雜

 

5. 環(huán)形天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

1. 多環(huán)陣列：

    

    

   • 增強(qiáng)方向性（如 Alford 環(huán)用于測(cè)向）。

      

      

2. 鐵氧體磁芯：

    

    

   • 提高小環(huán)天線的磁通量（如 AM 收音機(jī)磁棒天線）。

      

      

3. 分布式電容調(diào)諧：

    

    

   • 改善小環(huán)天線的帶寬（如 NFC 天線匹配網(wǎng)絡(luò)）。

      

      

4. 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換（Balun）：

    

    

   • 抑制共模電流（提高輻射效率）。