第八章-電磁輻射

1 第8章電磁輻射 2 產(chǎn)生電磁波的振蕩源一般為天線 隨著振蕩源頻率的提高使電磁波的波長與天線尺寸可相比擬時 就會產(chǎn)生顯著的輻射 對于天線 我們關心的是它的輻射場強 方向性 輻射功率和效率 天線的形式可分為線天線和面天線 本章由滯后位的概念出發(fā) 求解元電流的輻射場 再利用疊加原理求解線天線和陣列天線的輻射問題 3 本章內(nèi)容 滯后位電偶極子的輻射 4 其解為 8 1滯后位 在第4章引入了動態(tài)矢量位和動態(tài)標量位 在洛侖茲條件下 其方程為 5 換言之 觀察點處位函數(shù)隨時間的變化總是滯后于源隨時間的變化 滯后的時間是電磁波從源所在位置傳到觀察點所需的時間 故稱為滯后位或推遲位 物理意義 時刻t空間任意一點r處的位函數(shù)并不取決于該時刻的電流和電荷分布 而是取決于比t較早的時刻的電流或電荷分布 時間正好是電磁波以速度從源點傳到場點所需的時間 例如 日光是一種電磁波 在某處某時刻見到的日光并不是該時刻太陽所發(fā)出的 而是在大約8分20秒前太陽發(fā)出的 8分20秒內(nèi)光傳播的距離正好是太陽到地球的平均距離 6 7 電偶極子是一種基本的輻射單元 是長度l遠小于波長的直線電流元 線上電流是均勻的 且相位相同 由于電流元 代入 得電偶極子的矢量位 8 2電偶極子的輻射 O 8 在球坐標系中 9 由此得到電偶極子的電磁場 10 電偶極子周圍的空間劃分為三個區(qū)域 近場區(qū) 遠場區(qū) 過渡區(qū) 寫成分量形式 11 1 近區(qū)場 12 1 電場表達式與靜電偶極子的電場表達式相同 磁場表達式與用畢奧一薩伐定律計算的恒定電流元產(chǎn)生的磁場表達式相同 因此稱其為似穩(wěn)場或準靜態(tài)場 2 電場和磁場存在 2的相位差 能量在電場和磁場以及場與源之間交換 沒有輻射 所以近區(qū)場也稱感應場 13 2 遠區(qū)場 輻射場 14 電偶極子的方向圖 遠區(qū)場是橫電磁波 電場 磁場和傳播方向相互垂直 遠區(qū)場電磁場振幅比等于媒質(zhì)的本征阻抗 遠區(qū)場是非均勻球面波 電磁場振幅與1 r成正比 遠區(qū)場具有方向性 按sin 變化 15 輻射功率 輻射電阻 輻射電阻低 平均功率流密度為 16 例8 2 1頻率為10MHz的功率源饋送給電偶極子的電流為25A 設電偶極子的長度為50cm 試計算 1 赤道平面上離原點10km處的電場和磁場 2 r 10km處的平均功率密度 3 輻射電阻 解 1 遠區(qū)場 故 17 2 3 18 動態(tài)元天線輻射的過程 19 元天線向各個方向輻射的電場強度不相等 垂直于天線軸線方向輻射功率比較集中 沿天線軸線方向輻射很小 定義方向性系數(shù) 理想點源天線 是指沒有方向性的天線 它的輻射方向圖為一球形 即在各方向的輻射強度相等 相等輻射功率 方向性系數(shù)也可定義為 例如 求解元天線的方向性系數(shù) 因元天線的電場強度為 其最大輻射方向在 相等電場強度 20 則 理想點源天線欲產(chǎn)生同樣大小的電場強度 它所輻射的總功率為 而元天線的輻射功率 得 實際天線的效率不可能為100 定義天線的的效率 定義天線的增益 由元天線的輻射功率可知 要提高天線的輻射功率除加大電流外 就是增加天線的長度 故實際天線的幾何尺寸遠比dl大的多 這時 將