第七章電磁波的輻射.ppt

1、第七章電磁波的輻射,輻射: 指時(shí)變電磁場的能量脫離場源以波的形式在空間 向遠(yuǎn)處傳播而不再返回場源的現(xiàn)象。,天線: 指能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換即有效地輻射和接收電磁波的裝置。,線天線：陣列天線、對(duì)稱振子天線 長、中、短、超短波 面天線：喇叭天線、拋物面天線 微波,天線必須解決的三個(gè)問題：,1、提高輻射功率或信噪比，天線作為傳輸線的負(fù)載應(yīng)做好匹配。 2、應(yīng)具有向所需方向輻射電磁波的能力。 3、同一系統(tǒng)中，收、發(fā)天線應(yīng)有相同的極化形式。,動(dòng)態(tài)位和滯后位 電偶極子的輻射的特性 磁偶極子的輻射的特性 惠更斯元的輻射的特性 對(duì)稱振子天線,本章所要討論或解決的問題： 在有源激勵(lì)的條件下， 電磁波在空間傳播的問題,本

2、章主要內(nèi)容：,它在此則是一種輔助計(jì)算場量的方法,7 1 動(dòng)態(tài)位、洛侖茲條件與滯后位,由亥姆霍茲定理： 場 = 梯度場 + 旋度場,場若是動(dòng)態(tài)場，則：,磁場B是一旋度場,電場E是一合成場,顯然只要求得各動(dòng)態(tài)位，場量就得解,磁場B是一旋度場,場量計(jì)算：,一、建場方程,二、建波方程,非齊次的波方程,求解困難,三、采用動(dòng)態(tài)位輔助的方法,電場E是一合成場,而：,整理：,可令：,矢量A是一純數(shù)學(xué)輔助量無物理意義且對(duì) 還未定義,整理：,導(dǎo)出動(dòng)態(tài)位的波動(dòng)方程：,達(dá)朗貝爾方程和位函數(shù)的波動(dòng)性,電荷產(chǎn)生標(biāo)量位波動(dòng)，電流產(chǎn)生矢量位波動(dòng) 離開源后，位函數(shù)以波動(dòng)的形式存在并傳播,由此決定電磁場也以波動(dòng)的形式存在和傳播,

3、對(duì)定義 為另一值，則動(dòng)態(tài)位波方程也將是其它 形式，但由此得到的場量是一樣的 。,第一步：求 (r,t) 1、將體源分割為點(diǎn)源dq,dq,r,r,(r,t),2、設(shè)體密度：,3、點(diǎn)源dq在場點(diǎn)r 處的電位 d (r,t),4、體源在場點(diǎn)r 處的電位 (r,t)：,其中：,從以上表達(dá)式可知，在r點(diǎn)處，t時(shí)刻的標(biāo)量位 不是由此時(shí)刻的電荷分布情況決定的， 而是由t-r/c時(shí)刻的電荷分布決定的， 即場點(diǎn)處的標(biāo)量位變化滯后于源點(diǎn)的變化。 滯后的時(shí)間等于 源的變動(dòng)以速度c從源點(diǎn)傳播到場點(diǎn)所需要的時(shí)間,稱(r,t)為滯后位,這些可用一句話概括：,什么是滯后位,第二步：求A 1、設(shè)體密度：,dq,r,r,(r,

4、t),5、電位 (r,t)的復(fù)數(shù)形式：,3、替換量:,4、,2、將式、比較可知，其數(shù)學(xué)形式相同，所以可用替換法,設(shè)體密度：,對(duì)滯后位進(jìn)行計(jì)算的討論,72 電偶極子的輻射,電磁輻射系統(tǒng)中最簡形式是電偶極子和磁偶極子 電偶極子輻射是天線工程中最基本的問題,電偶極子：是構(gòu)成天線的最基本單元，又稱,是橫截面遠(yuǎn)小于長度、長度遠(yuǎn)小于波長的載流線元,元天線 赫茲偶極子 基本振子, 可認(rèn)為線上的電流 分布是均勻的，故可等效為,或：可認(rèn)為線上的電荷 集中在兩端，故可等效為,一、 電偶極子的電磁場,設(shè):電偶極子所選的坐標(biāo)如圖 電荷為q電流為i 長度為dl,z,dl,z,dl,q,i,設(shè):,則：,路 路,電流元很小

5、且均勻 可認(rèn)為集中在O點(diǎn) r= 0,及,代入上式：,求得電偶極子在空間中產(chǎn)生的磁場H：,求電場E 有兩條途徑：,由：,電 偶 極 子 發(fā) 出 的 是 球 面 波,1、在靠近電偶極子的區(qū)域（即 ）,近區(qū)時(shí)：,輻射場的電場和磁場相位相差900，其平均坡印廷矢量為0， 故不存在傳播的電磁波，因此近區(qū)場稱束縛或感應(yīng)場。,二、 電偶極子電磁場的特性,以上三式與靜態(tài)場的相同,輻射場可以近似為,近區(qū)場的特點(diǎn)：,故電偶極子的近區(qū)場與靜態(tài)場有相同的特性，稱準(zhǔn)靜態(tài)場,以上結(jié)果是近似的，正是那些被忽略的項(xiàng)在遠(yuǎn)區(qū)形成電磁波,問：既然近區(qū)場被束縛不能傳播電磁波，那么遠(yuǎn)區(qū)還有電磁波嗎？,2、在遠(yuǎn)離電偶極子的區(qū)域（ ）,電

6、偶極子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場可以近似為：,遠(yuǎn)區(qū)輻射場的特點(diǎn)：,1、電磁場的振幅I，sin/r，l / 即場的大小不只與尺寸有關(guān)。 2、電場和磁場均垂直于傳播方向，即為TEM波,仍 能 用,3、有電磁能量向外輻射，即電偶極子的有功功率 。,=常數(shù),取一球面s,=常數(shù) , 說明：,穿過任一球面的有功功率是相同的。,證明無耗媒質(zhì)不消耗能量，即：,每一球面的有功功率流密度是不相同的。,常數(shù) , 說明：,即：功率分布不均勻，離源越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越小,電阻是損耗能量的，冠以“輻射”是想表明： 這個(gè)等效的輻射電阻在能量的傳輸過程中并不消耗能量， 這里的損耗是相對(duì)于波源而言的 相對(duì)于波源，所發(fā)射的功率將不再返回這就是損失 顯

7、然，這是一種輻射損失而不是消耗損失,4、方向性：輻射能量在某些方向大而某些方向小的非均勻分布 0和，輻射場為零(最小值)； /2時(shí)，輻射場取最大值。,即： 在垂直于天線軸的方向上輻射最強(qiáng)； 沿天線軸的方向上輻射最小(為零)； 天線方向圖與無關(guān)，呈軸對(duì)稱。,73 天線的幾個(gè)重要參數(shù),一、方向函數(shù) f(,)：,例：已知電偶極子在遠(yuǎn)區(qū)的磁場強(qiáng)度：,則：,主瓣越度 副瓣電平 前后向抑制比,元天線立體方向圖,二、方向圖：根據(jù)方向函數(shù)繪制的圖形，即令：,例：已知電偶極子在遠(yuǎn)區(qū)的方向函數(shù)為：,圖形軌跡,元天線E面方向圖,元天線H面方向圖,三、方向系數(shù)D：用以描述天線輻射的聚焦能力,除此外，還有兩種定義：,聚

8、焦=1/D：表示功率占有了多大的的空間位置。,例：D=2 表示功率占1/2的空間相同 D=4 表示功率占1/4的空間,顯然，D、 聚焦越好、即占空間,方向系數(shù)的一般表示式：,六、前后向抑制比Pab,四、主瓣越度(又稱波瓣度BW0.5),BW0.5 :主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個(gè)半功率點(diǎn)矢徑之間(即功率 密度下降為最大值的一半或場強(qiáng)下降為最大值的0.707)的夾角,BW0.5,五、副瓣電平Psub,例：在遠(yuǎn)區(qū)的電偶極子：,或 所對(duì)應(yīng)的夾角，即,主瓣,副瓣,七、天線效率,八、天線增益G,要在天線最大輻射方向產(chǎn)生相等的電場強(qiáng)度的條件下，點(diǎn)源天線需要輸入的功率與某實(shí)際天線需要輸入功率的比值，稱為該天線的增益。,t,74 磁偶極子的輻