《第七章电磁波的辐射.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章电磁波的辐射.ppt（25页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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,
2、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,由亥姆霍兹定理： 场 = 梯度场 + 旋度场,场若是动态场，则：,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：,达朗贝尔方程和位函数的波动性,电荷产生标量位波动，电流产生矢量位波动 离开源后，位函数以波动的形式存在并传播,由此决定电磁场也以波动的形式存在和传播
3、,对定义 为另一值，则动态位波方程也将是其它 形式，但由此得到的场量是一样的 。,第一步：求 (r,t) 1、将体源分割为点源dq,dq,r,r,(r,t),2、设体密度：,3、点源dq在场点r 处的电位 d (r,t),4、体源在场点r 处的电位 (r,t)：,其中：,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：,什么是滞后位,第二步：求A 1、设体密度：,dq,r,r,(r
4、,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：,路 路,电流元很
5、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,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900，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（ ）,
6、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,=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：,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,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
7、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,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,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：,
8、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：,六、前后向抑制比Pab,四、主瓣越度(又称波瓣度BW0.5),BW0.5 :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,BW0.5,五、副瓣电平Psub,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。,t,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,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，,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,而,