第七章电磁波的辐射.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章电磁波的辐射,辐射:,指时变电磁场的能量脱离场源以波的形式在空间,向远处传播而不再返回场源的现象。,天线:,指能够进行能量转换即有效地辐射和接收电磁波的装置。,线天线：,阵列天线、对称振子天线 长、中、短、超短波,面天线：,喇叭天线、抛物面天线 微波,天线必须解决的三个问题：,1、提高辐射功率或信噪比，天线作为传输线的负载应做好匹配。,2、应具有向所需方向辐射电磁波的能力。,3、同一系统中，收、发天线应有相同的极化形式。,动态位和滞后位,电偶极子的辐射的特性,磁偶极子的辐射的特性,惠更斯元的辐射的特性,对称振子天线,本章所要讨论或解决的问题：,在有,源,激励的条件下，,电磁波在,空间,传播的问题,本章主要内容：,它在此则是一种辅助计算场量的方法,7 1,动态位、洛仑兹条件与滞后位,动态位,是一辅助量,矢量位,标量位,由亥姆霍兹定理：场=梯度场+旋度场,标量位,矢量位,场若是动态场，则：,动态位,磁场,B,是一旋度场,电场,E,是一合成场,显然只要求得各动态位，场量就得解,磁场,B,是一旋度场,场量计算：,一、建,场方程,二、建,波方程,非齐次的波方程,求解困难,三、采用动态位,辅助的方法,电场,E,是一合成场,而：,整理：,可令：,矢量,A,是一纯数学辅助量无物理意义且对 还未定义,整理：,导出动态位的波动方程：,从以上表达式可知，在r点处，t时刻的标量位,不是由此时刻的电荷分布情况决定的，,而是,由t-r/c时刻,的电荷分布决定的，,即场点处的标量位变化,滞后于,源点的变化。,滞后的时间等于,源的变动以速度c从源点传播到场点所需要的时间,称,(r,t),为滞后位,这些可用一句话概括：,称,(r,t),为滞后位,什么是滞后位,第二步：求,A,1、,设体密度：,dq,r,r,(r,t),5、电位,(r,t),的复数形式,：,3、,替换量:,4、,2、将式、比较可知，其数学形式相同，所以可用替换法,设体密度：,对滞后位进行计算的讨论,72,电偶极子的辐射,电磁辐射系统中最简形式是电偶极子和磁偶极子,电偶极子辐射是天线工程中最基本的问题,电偶极子：,是构成天线的最基本单元，又称,是横截面远小于长度、长度远小于波长的载流线元,元天线,赫兹偶极子,基本振子,可认为线上的电流,分布是均匀的，故可等效为,或：可认为线上的电荷,集中在两端，故可等效为,一、电偶极子的电磁场,设:电偶极子所选的坐标如图,电荷为,q,电流为,i,长度为,dl,z,dl,z,dl,q,i,设:,则：,电偶极矩,电流元,路 路,电流元很小且均匀,可认为集中在O点,r,=,0,及,代入上式：,求得电偶极子在空间中产生的磁场,H,：,求电场,E,有两条途径：,由：,电,偶,极,子,发,出,的,是,球,面,波,途径：,途径：,1、在靠,近,电偶极子的区域（即 ）,近区时：,辐射场的电场和磁场相位相差90,0,，其平均坡印廷矢量为0，,故,不存在传播的电磁波,，因此近区场称,束缚,或,感应场,。,二、电偶极子电磁场的特性,以上三式,与静态场的相同,辐射场可以近似为,近区场的特点：,故,电偶极子,的,近区,场,与静态场有相同的特性，称,准静态场,以上结果是近似的，正是那些被忽略的项在远区形成电磁波,问：既然近区场被束缚不能传播电磁波，那么远区还有电磁波吗？,2、在,远,离电偶极子的区域（）,电偶极子的,远区,辐射场可以近似为：,远区辐射场的特点：,1、电磁场的,振幅I，sin,/,r，,l/,即场的大小不只与尺寸有关。,2,、电场和磁场均垂直于传播方向，即为,TEM波,仍,能,用,3、,有电磁能量向外辐射，即电偶极子的有功功率 。,=常数,取一球面s,z,dl,i,=常数 ,说明：,穿过任一球面的有功功率是相同的。,证明无耗媒质不消耗能量，即：,辐射电阻,每一球面的有功功率流密度是不相同的。,常数 ,说明：,即：功率分布不均匀，离源越远，强度越小,发射功率,电阻是损耗能量的，冠以“辐射”是想表明：,这个等效的辐射电阻在能量的传输过程中并不消耗能量，,这里的损耗是相对于波源而言的,相对于波源，所发射的功率将不再返回这就是损失,显然，这是一种辐射损失而不是消耗损失,4、方向性：辐射能量在某些方向大而某些方向小的,非均匀分布,0和,，辐射场为零,(,最小值,),；,/2时，辐射场取最大值。,即：,在垂直于天线轴的方向上辐射最强；,沿天线轴的方向上辐射最小(为零)；,天线方向图与,无关，呈轴对称。,73,天线的,几个重要参数,一、方向函数,f(,),：,例：,已知电偶极子在远区的磁场强度：,则：,主瓣越度,副瓣电平,前后向抑制比,方,向,性,方向函数,方向图,方向系数,主瓣,副瓣,后瓣,元天线立体方向图,二、方向图：,根据方向函数绘制的图形，即令：,例：,已知电偶极子在远区的方向函数为：,图形轨迹,立体图：,E面图：,H面图：,z,y,x,元天线E面方向图,元天线H面方向图,三、方向系数,D,：,用以描述天线辐射的聚焦能力,除此外，还有两种定义：,聚焦,=1/D,：表示功率占有了多大的的空间位置。,例：,D=2,表示功率占,1/2,的空间相同,D=4,表示功率占,1/4,的空间,显然，,D、,聚焦越好、即占空间,方向系数的一般表示式：,相同,相同,相同,r,发射,功率,有向天线在最大方向上,全向天线,六、前后向抑制比,P,ab,四、主瓣越度,(,又称波瓣度,BW,0.5,),BW,0.5,:,主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点矢径之间,(,即功率,密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的,0.707),的夹角,主瓣,副瓣,后瓣,BW,0.5,五、副瓣电平,P,sub,例：,在远区的电偶极子：,或 所对应的夹角，即,主瓣,副瓣,七、天线效率,八、天线增益,G,要在天线最大辐射方向产生相等的电场强度的条件下，点源天线需要输入的功率与某实际天线需要输入功率的比值，称为该天线的增益。,相同,相同,相同,t,相同,相同,相同,74,磁偶极子的辐射,磁偶极子：,是一接有交流源的小金属环，,也是横截面远小于长度、长度远小于波长的载流线元,a,r,z,x,y,dl,电流环必须平整，不能有翘曲。,一、磁偶极子的电磁场,设：坐标如图，,r,z,x,y,dl,1、求,A：,电流元：,将此代入,（过程略）,2、求,H：,3、求,E：有两种方法：,P 257,途径：,途径：,而,则：,