环形天线（Loop Antenna）的原理与应用
1. 环形天线的基本原理
环形天线是一种闭合导电路径（通常为圆形或矩形）构成的辐射结构，其工作原理基于法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程组。根据环的尺寸（周长 C 与波长 λ 的关系），环形天线可分为：
- 小环形天线（Small Loop Antenna）
- 定义：周长 C?λ（通常 C<λ/10）。
- 辐射机制：
- 主要依靠磁偶极子（Magnetic Dipole）辐射，其辐射场与电流环的磁矩 m=I?A（A 为环面积）成正比。
- 辐射电阻 Rrad∝(λC)4，效率较低（需匹配网络）。
- 方向性：
- 辐射方向图呈“8字形”（垂直于环面方向辐射强，沿环面方向辐射为零）。
- 极化方式：水平极化（环水平放置时）。
- 大环形天线（Large Loop Antenna）
- 定义：周长 C≈λ 或更大（如 C=λ 时称为全波环）。
- 辐射机制：
- 电流分布接近行波，辐射效率高，方向性增强。
- 全波环（C=λ）的辐射电阻 Rrad≈100Ω。
- 方向性：
2. 环形天线的关键技术参数
- 辐射效率：小环天线效率低（需高 Q 值调谐），大环天线效率较高。
- 输入阻抗：
- 小环：感性（需电容调谐至谐振）。
- 大环：阻抗随周长变化（如 λ/2 环呈高阻抗）。
- 带宽：窄带（小环）、较宽（大环）。
- 品质因数（Q）：小环 Q 值高，对频率敏感。
3. 环形天线的应用
（1）无线电接收与测向
- AM广播接收（MF/HF频段）：
- 小环形天线用于便携式收音机（如磁棒天线），利用高 Q 值选择信号。
- 无线电测向（Direction Finding, DF）：
- 环形天线的“8字形”方向图可用于测向（结合正交双环或 Adcock 阵列）。
（2）近场通信（NFC/RFID）
- 13.56 MHz RFID/NFC：
- 小环形天线作为读写器或标签天线，利用磁耦合传输能量和数据。
- 关键要求：高 Q 值、小尺寸（如智能卡天线）。
（3）低频/甚低频通信（LF/VLF）
- 军事与水下通信：
- 大环形天线用于长波（3-30 kHz）通信，依赖地波传播。
- 例如：潜艇通信系统（需极大尺寸环天线）。
（4）医学与工业应用
- 磁共振成像（MRI）：
- 射频线圈（RF Coil）本质是环形天线，用于激发和接收核磁共振信号。
- 感应加热（Inductive Heating）：
- 工业高频加热系统（如金属熔化）使用大电流环形天线。
（5）物联网（IoT）与无线传感
- 低频唤醒（Low-Frequency Wake-up）：
- 小环形天线用于接收唤醒信号（如 BLE 设备的低功耗）。
- 能量采集（Energy Harvesting）：
- 环形天线耦合环境电磁场（如 RFID 无源标签供电）。
（6）航天与卫星通信
4. 环形天线的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|
| 结构简单，易集成（小环） | 小环辐射效率低 |
| 方向性可调（测向应用） | 带宽窄（需调谐） |
| 抗电场干扰（磁偶极子特性） | 大环天线尺寸大（低频应用） |
| 适用于近场耦合（NFC/RFID） | 输入阻抗匹配复杂 |
5. 环形天线的优化设计
- 多环阵列：
- 铁氧体磁芯：
- 提高小环天线的磁通量（如 AM 收音机磁棒天线）。
- 分布式电容调谐：
- 平衡-不平衡转换（Balun）：
