電磁波輻射課件

1、關(guān)于電磁波輻射第一張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.1 電流元的輻射 一段載有均勻同相的時(shí)變電流的導(dǎo)線(xiàn)稱(chēng)為電流元，電流元的直徑d 遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度l，而其長(zhǎng)度又遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)以及觀(guān)察距離。這里所謂的均勻同相電流是指導(dǎo)線(xiàn)上各點(diǎn)電流的振幅相等，且相位相同。 Ild第二張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電流元產(chǎn)生的矢量位為lI圖8-1 電流元的坐標(biāo)球坐標(biāo)系中的 產(chǎn)生的磁場(chǎng)第三張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月求得由麥克斯韋方程 其中第四張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由于 ，可以認(rèn)為上式中 ，又因電流僅具有z 分量，即 ，因此 距離遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)(r ) 的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)區(qū)。第五張，P

2、PT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 式（8-5a）與恒定電流元 產(chǎn)生的磁場(chǎng)相同。考慮 ，式（8-5b）和式（8-5c）與電偶極子 產(chǎn)生的靜電場(chǎng)相同。所以可把時(shí)變電流元產(chǎn)生的近區(qū)場(chǎng)稱(chēng)為似穩(wěn)場(chǎng)。另外,電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相位差為 。 這表明近區(qū)場(chǎng)沒(méi)有電磁能量向外輻射，能量被束縛在源的周?chē)?，因此近區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為束縛場(chǎng)。第六張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。因 ， ，式（8-3）和式（8-4）中的式中的高次項(xiàng)可以忽略，結(jié)果只剩下兩個(gè)分量 和 ，經(jīng)整理后得(1) 在遠(yuǎn)區(qū)，平均能流密度矢量 可見(jiàn)能流密度矢量的方向?yàn)閭鞑シ较騬。這就表明，遠(yuǎn)區(qū)中只有不斷向外輻射的能量，所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為輻射場(chǎng)。第七張，PPT

3、共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為向 r 方向傳播的電磁波。電場(chǎng)及磁場(chǎng)均與傳播方向 r 垂直，可見(jiàn)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為T(mén)EM波，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系為 。 （3）遠(yuǎn)區(qū)電磁場(chǎng)只有橫向分量，在傳播方向上的分量等于零，所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為T(mén)EM波。 （4）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的振幅不僅與距離有關(guān)，而且還與觀(guān)察點(diǎn)的方位有關(guān)，即在離開(kāi)電流元一定距離處，場(chǎng)強(qiáng)隨角度變化的函數(shù)稱(chēng)為方向圖函數(shù)，用 表示。第八張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月下面討論電流元在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的輻射功率。用一個(gè)球面將電流元包圍起來(lái)，電流元的輻射功率將全部穿過(guò)球面，則電流元產(chǎn)生的總輻射功率為當(dāng)可得用一個(gè)電阻上的消耗功率來(lái)等效 輻射電阻是用來(lái)衡量天線(xiàn)的輻射能力的，

4、輻射電阻越大意味著天線(xiàn)向外輻射的功率越大，天線(xiàn)的輻射能力越強(qiáng)。第九張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.2 天線(xiàn)的電參數(shù)1、方向圖函數(shù)和方向圖 在離開(kāi)天線(xiàn)一定距離處，輻射場(chǎng)在空間隨角度變化的函數(shù)稱(chēng)為天線(xiàn)的方向圖函數(shù)，用 表示。根據(jù)方向圖函數(shù)繪制的圖形稱(chēng)為天線(xiàn)的方向圖。通常工程上采用兩個(gè)相互垂直的主平面上的方向圖來(lái)表示，即E面方向圖和H面方向圖。E面是指電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面，H面是指磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。 對(duì)于上節(jié)提到的電流元方向圖為第十張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖8-2a 電流元E面方向圖圖8-2b電流元H面方向圖xyz圖8-2c 電

5、流元立體方向圖第十一張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 圖為某天線(xiàn)的方向圖，它有很多波瓣，分別稱(chēng)為主瓣、副瓣和后瓣。其中最大輻射方向的波瓣稱(chēng)為主瓣，其他波瓣統(tǒng)稱(chēng)為副瓣，把位于主瓣正后方的波瓣稱(chēng)為后瓣。主瓣第一副瓣后瓣主軸圖8-3 天線(xiàn)方向圖的一般形狀第十二張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 為了定量地描述主葉的寬窄程度，通常定義：場(chǎng)強(qiáng)為主射方向上場(chǎng)強(qiáng)振幅的 倍的兩個(gè)方向之間的夾角稱(chēng)為半功率角，以 表示；兩個(gè)零射方向之間的夾角稱(chēng)為零功率角，以 表示。 主瓣寬度愈小，天線(xiàn)輻射的電磁能量愈集中，定向性愈好。 副瓣最大輻射方向上的功率密度與主瓣最大輻射方向上的功率密度之比的對(duì)數(shù)值，稱(chēng)為副瓣

6、電平，用dB表示。通常離主瓣近的副瓣電平要比遠(yuǎn)的高，所以副瓣電平通常是指第一副瓣電平。一般要求副瓣電平盡可能低。第十三張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、方向性系數(shù) 也可定義：有向天線(xiàn)在主射方向上與無(wú)向天線(xiàn)在同一距離處獲得相等場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，無(wú)向天線(xiàn)所需輻射功率 與有向天線(xiàn)的輻射功率 之比值，即 在相等的輻射功率下，天線(xiàn)在其最大輻射方向上產(chǎn)生的功率密度與理想的無(wú)方向性天線(xiàn)在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度之比，即第十四張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月已知有向天線(xiàn)的輻射功率Pr 為式中S 代表以天線(xiàn)為中心的閉合球面。根據(jù)無(wú)向天線(xiàn)的特性，其輻射功率應(yīng)為求得由上式可以求得電流元的方向性系數(shù)為1.5。第十

7、五張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 任何實(shí)際使用的天線(xiàn)均具有一定的損耗，天線(xiàn)獲得的輸入功率，只有其中一部分功率向空間輻射，另一部分被天線(xiàn)自身消耗。因此，實(shí)際天線(xiàn)的輸入功率大于輻射功率。天線(xiàn)的輻射功率Pr與輸入功率 之比稱(chēng)為天線(xiàn)的輻射效率，以 表示，即3、輻射效率 第十六張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、增益系數(shù)描述實(shí)際天線(xiàn)性能的另一個(gè)參數(shù)是增益，以G 表示。 定義為：在相同的的輸入功率下，天線(xiàn)在其最大輻射方向上產(chǎn)生的功率密度與理想的無(wú)方向性天線(xiàn)在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度之比 也可以定義為：在天線(xiàn)最大輻射方向上產(chǎn)生相等電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，理想的無(wú)方向性天線(xiàn)所需的輸入功率與被研究天線(xiàn)的

8、輸入功率之比 第十七張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.3 電流環(huán)的輻射 電流環(huán)是一個(gè)載有均勻同相時(shí)變電流的導(dǎo)線(xiàn)圓環(huán)，其圓環(huán)半徑a 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) ，也遠(yuǎn)小于觀(guān)察距離r 。 設(shè)電流環(huán)位于無(wú)限大的空間，周?chē)劫|(zhì)是均勻線(xiàn)性且各向同性的。建立直角坐標(biāo)系，令電流環(huán)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，且電流環(huán)所在平面與平面一致，如下圖示。第十八張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 顯然，在相應(yīng)的球坐標(biāo)系中，因結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)于z 軸，電流環(huán)的場(chǎng)強(qiáng)一定與角度 無(wú)關(guān)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，令觀(guān)察點(diǎn)位于平面 。 已知線(xiàn)電流產(chǎn)生的矢量位為zyxrareyxaeee-exr 根據(jù)幾何關(guān)系 以及 時(shí)近似計(jì)算，求得第十九張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于

9、2022年6月由此可見(jiàn)，電流環(huán)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為T(mén)E波。 利用關(guān)系式 ，求得電流環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為再利用關(guān)系式 ，求得電流環(huán)產(chǎn)生的電場(chǎng)為 第二十張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 對(duì)于實(shí)際中所感興趣的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，因 ，則只剩下 及 兩個(gè)分量，它們分別為 上式表明電流環(huán)產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互垂直，且與波的傳播方向垂直。第二十一張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 電流環(huán)的平均功率密度為輻射功率為輻射電阻為 第二十二張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.4 縫隙的輻射 如圖所示，在無(wú)限大且無(wú)限薄的理想導(dǎo)體平面上開(kāi)一個(gè)窄縫隙，縫隙的長(zhǎng)度 ，寬度 。當(dāng)縫隙被激勵(lì)后，會(huì)向外輻射電磁能量而形成一個(gè)輻

10、射單元。 圖8-5縫隙的結(jié)構(gòu)xld圖8-6 磁流元第二十三張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在高頻電源的激勵(lì)下，縫隙中將會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，縫隙相當(dāng)于一個(gè)等效磁流元，其等效磁流密度為 也就是說(shuō)，縫隙可以被等效為一個(gè)片狀的沿軸放置的線(xiàn)磁流元，如圖8-6所示。根據(jù)與全電流定律對(duì)偶的全磁流定律 可得等效磁流強(qiáng)度為 第二十四張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)電流元的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)公式（8-6）和對(duì)偶原理，可得磁流元的輻射場(chǎng)為得縫隙在 半空間 縫隙在 半空間的輻射場(chǎng)為上式的負(fù)值。第二十五張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.5 對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn) 對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)是一根中心饋電的，長(zhǎng)度可與波長(zhǎng)相比擬的載

11、流導(dǎo)線(xiàn)，如下圖示。 LLdzyxIm 其電流分布以導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，因此被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)。 若導(dǎo)線(xiàn)直徑d 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，電流沿線(xiàn)分布可以近似認(rèn)為具有正弦駐波特性，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)天線(xiàn)兩端開(kāi)路，電流為零，形成電流駐波的波節(jié)。電流駐波的波腹位置取決于對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的長(zhǎng)度。第二十六張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 設(shè)對(duì)稱(chēng)陣子天線(xiàn)的半長(zhǎng)為L(zhǎng)，在直角坐標(biāo)系中沿z 軸放置，中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則電流空間分布函數(shù)可以表示為L(zhǎng)LdzyxIm 式中Im為電流駐波的空間最大值或稱(chēng)為波腹電流，常數(shù) 。 對(duì)稱(chēng)陣子天線(xiàn)的電流分布為正弦駐波，對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)可以看成是由很多電流振幅不等但相位相同的電流元排成一條直線(xiàn)形成的。這樣，利用電流元

12、的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)公式即可直接計(jì)算天線(xiàn)的輻射場(chǎng)。第二十七張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月已知電流元 產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)為zyxPrdzzzcosr 由于 ，可認(rèn)為 ，在計(jì)算電流元至觀(guān)察點(diǎn)的距離時(shí)，可近似認(rèn)為 ， 。 在計(jì)算電流元至觀(guān)察點(diǎn)的相位差時(shí)，那么對(duì)稱(chēng)振子的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)為第二十八張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2L = /2求得對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向性因子為 由此可見(jiàn)，對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向性因子與方位角 無(wú)關(guān)，僅為方位角 的函數(shù)。 2L = 2L = 22L = 3/2幾種長(zhǎng)度的對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)方向圖如下圖示。第二十九張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 全長(zhǎng)為半波長(zhǎng)的對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)稱(chēng)為半波天線(xiàn)。令 ，代入前

13、式，求得半波天線(xiàn)方向性因子為得半波天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)為半波天線(xiàn)的輻射功率第三十張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月半波天線(xiàn)的輻射電阻為 上式中的積分用數(shù)值方法求得其值約為1.218，那么半波天線(xiàn)的輻射電阻為半波天線(xiàn)的方向性系數(shù)為 第三十一張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.6 天線(xiàn)陣8.6.1 方向圖相乘原理 為了改善和控制天線(xiàn)的方向性，通常使用多個(gè)簡(jiǎn)單天線(xiàn)構(gòu)成復(fù)合天線(xiàn)，這種復(fù)合天線(xiàn)稱(chēng)為天線(xiàn)陣。 適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)各個(gè)單元天線(xiàn)的類(lèi)型、數(shù)目、電流振幅及相位、單元天線(xiàn)的取向及間隔，可以形成所需的方向性。圖8-10 二元陣的輻射左圖為一個(gè)二元陣 兩天線(xiàn)至觀(guān)察點(diǎn)的相位差 第三十二張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)

14、作于2022年6月假設(shè)天線(xiàn)2與天線(xiàn)1之間的電流關(guān)系為 那么天線(xiàn)2的輻射波到達(dá)觀(guān)察點(diǎn)P點(diǎn)時(shí)比天線(xiàn)1的輻射波到達(dá)P點(diǎn)時(shí)超前相位 。 第一項(xiàng)是兩天線(xiàn)的波程差引起的，第二項(xiàng)是兩天線(xiàn)的電流相對(duì)相位引起的。式中 的表示天線(xiàn)陣軸線(xiàn)與平行射線(xiàn)之間的夾角。二元陣在觀(guān)察點(diǎn)P產(chǎn)生的合成場(chǎng)強(qiáng)為 第一部分是天線(xiàn)1單獨(dú)在觀(guān)察點(diǎn)P產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，第二部分稱(chēng)為陣因子。天線(xiàn)陣的方向圖等于單元天線(xiàn)的方向圖與陣因子方向圖的乘積，稱(chēng)為方向圖相乘原理。第三十三張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.6.2 均勻直線(xiàn)陣 所謂均勻直線(xiàn)式天線(xiàn)陣是指各單元天線(xiàn)以相同的取向和相等的間距排列成一直線(xiàn)，它們的饋電電流大小相等，而相位以相同的比例遞增

15、或遞減。圖8-11 N元均勻直線(xiàn)陣第三十四張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月類(lèi)似于二元陣，相鄰兩單元天線(xiàn)間的相位差為觀(guān)察點(diǎn)的合成電場(chǎng)強(qiáng)度為 利用等比級(jí)數(shù)求和公式，可得為元均勻直線(xiàn)陣的陣因子。 第三十五張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 時(shí)各單元天線(xiàn)在觀(guān)察點(diǎn)的電場(chǎng)同相疊加，得到最大值。由式（8-46）可求出陣因子達(dá)到最大值的角度 可見(jiàn)，陣因子的最大輻射方向取決于單元天線(xiàn)之間的電流相位差和間距。如果不考慮單元天線(xiàn)的方向性或單元天線(xiàn)的方向性很弱，那么天線(xiàn)陣的方向性主要決定于陣因子。若電源天線(xiàn)的電流相位差是可調(diào)的，那么天線(xiàn)陣的最大輻射方向也是可調(diào)的，這就是相控陣天線(xiàn)的工作原理。第三十六張，

16、PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖8-12為間距 的四元側(cè)射式天線(xiàn)陣的陣因子方向圖。 若均勻直線(xiàn)陣各單元天線(xiàn)同相饋電時(shí)，即 時(shí)，由式（8-46）得 由此可見(jiàn)，天線(xiàn)陣的最大輻射方向垂直于天線(xiàn)陣的軸線(xiàn)，即天線(xiàn)陣的最大輻射方向在天線(xiàn)陣軸線(xiàn)的兩側(cè)，所以稱(chēng)之為側(cè)射式天線(xiàn)陣。0o30o60o90o120o150o180o210o240o270o300o330o0 y z圖8-12 四元側(cè)射式天線(xiàn)陣的陣因子方向圖第三十七張，PPT共四十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 圖8-13為間距 的八元端射式天線(xiàn)陣的陣因子方向圖。 若均勻直線(xiàn)陣各單元天線(xiàn)之間的電流相位差 時(shí)，由式（8-46）得 0o30o60o90o120o150o180o210o240o270o300o330o0 y z圖8-13 八元端射式天線(xiàn)陣的陣因子方向圖 天線(xiàn)陣的最大輻射方向在天