楊進第七章 電磁波的輻射.ppt

第十次第七章作業(yè)P 240 7 17 27 3 第十次第八章作業(yè) P 2858 18 6第二問不要8 8 1 8 15TE波是H波 又稱為H模式8 16TE波是H波 又稱為H模式 第七章電磁波的輻射 7 1 滯后位 7 2 電基本振子的輻射場 7 5 對稱線天線和天線陣的概念 天線的演變 輸入 導行電磁波 發(fā)射天線 接收天線 電磁波的傳播 入射 反射 透射 繞射 傳輸 導行電磁波 由發(fā)射機產生的高頻振蕩能量 經過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?并向預定方向輻射 通過媒質傳播到達接收天線附近 接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l振蕩能量送入接收機 完成無線電波傳輸的全過程 發(fā)射機末級回路產生的高頻振蕩電流經過饋線送到發(fā)射天線 通過發(fā)射天線將其轉換成電磁波輻射出去 到了接收端 電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流 再經饋線將高頻振蕩電流送到接收機輸入回路 這就完成了信息的傳遞 在這個過程中 經歷了電磁波的傳輸 發(fā)射 傳播 接收等過程 饋線 左圖為無線電定位系統(tǒng)的基本方框圖 發(fā)射天線和接收天線常合用一副天線 利用天線開關的轉換作用 分別接入發(fā)射機和接收機 當天線與發(fā)射機接通時 此天線作發(fā)射天線用 當天線與接收機接通時 此天線作接收天線用 拉桿天線 引向天線 喇叭天線 對數周期天線 微波接力天線 3m微波接力通信天線 卡塞格侖天線 MMDS A型微波天線 MMDS C型微波天線 衛(wèi)星接收天線 寬帶全向天線 艦載對空搜索雷達天線 相控陣雷達天線 中國遠程相控陣雷達 俄羅斯新型有源相控陣雷達天線 俄軍巨型雷達天線陣列 螺旋天線 微帶天線 7 1滯后位 2 時變電磁場的滯后位積分形式 矢量位和標量位滿足的達朗貝爾方程 1 靜態(tài)場的矢量位和標量位方程為 其解為 時變點電荷元產生標量位滿足 現求解 在球坐標中 上式變?yōu)?設 代入上式有 上式為一維波動方程 其解為 因為靜點電荷元的電位 由式 a 和 b 得時變點電荷元產生的標量位為 a b c 同理 得時變體分布電荷源產生的矢量位 是滯后位 式 1 表示 空間距源點處 1 時變電荷源以分布在體積V內 由式 c 得時變體分布電荷源在場點P產生的標量位為 的場點 在某一時刻的是由較早時刻的場源所決定的 場源分布在有限范圍內 要求時有 上式稱為輻射條件 對于矢量位亦有類似條件 3 諧變電磁場的滯后位積分形式 電荷源作正弦變化 電流源作正弦變化 將上式代入式 1 式得正弦變化矢量位和標量位的瞬時形式為 2 式 2 表示 空間場點R處的變化的相位較其源落后 是波源的變化傳遞到觀察點所用的時間 3 由 2 式得正弦變化矢量位和標量位的復數形式 7 2電基本振子的輻射場 赫茲電偶極子 高頻電流的直導線 當導線長度遠小于波長時 稱為電偶極子 近似認為導線上每一點的電流都是等幅同相的 7 2 1 電基本振子的電磁場計算 取載流為I t 的短導線 長度為dl 橫截面積為S 因為短導線的體積dV Sdl 故有 矢量位在球坐標系中的分量 電流元在P點產生的矢量位 滯后位 為 將上面求得的矢量位代入下式的磁場強度 1 將式 1 代入得電場強度 2 7 2 2 電基本振子的電磁場分析 1 近區(qū)場 當kr 1時 即r 2 場點P與源點的距離r遠小于波長 的區(qū)域稱為近區(qū) 在近區(qū)中 由7 2 1的式 1 和 2 作上面近似得近區(qū)電磁場 1 式中p是電偶極矩的復振幅 載流短導線是振蕩電偶極子 其兩端的電荷與電流的關系是 近區(qū)中的電磁場為 在近區(qū)中 時變電基本振子的電場與靜電場中電偶極子的電場分布相似 其磁場的分布與穩(wěn)恒磁場中電流元的磁場分布相似 因此將近區(qū)稱為 似穩(wěn)場 且電場與磁場有的相位差 當kr 1時 r 2 場點P與源點距離r遠大于波長 的區(qū)域稱為遠區(qū) 在遠區(qū)中 由7 2 1的式 1 和 2 的作上面遠區(qū)近似得電磁場 2 遠區(qū)場 2 遠區(qū)電磁場的特性 1 電場 磁場和傳播方向相互垂直 橫電磁波 TEM波 電磁能量沿波傳播方向傳播 稱為輻射場 遠區(qū)電磁場與近區(qū)電磁場的分布不相同 2 電場與磁場的相位相同 等相位面是r為常數的球面 等相位面上E H振幅與有關 所以輻射場是非均勻球面波 平均坡印廷矢量 3 場的振幅與r成反比 與I dl 成正比 特別是場的振幅與電長度dl 有關 為媒質的波阻抗 4 場的方向性 場的振幅正比于sin 在垂直于天線軸 Z軸 的方向 90 輻射場最大 平行天線軸 Z軸 的方向 0 輻射場為零 電基本振子的輻射有方向性 方向性是天線的一個主要特性 電基本振子的方向性函數為 立體方向圖 面方向圖 面方向圖 3 輻射功率和輻射電阻以電基本振子天線為球心 用一個半徑為r的球面把它包圍起來 平均坡印廷矢量在球面上的積分值是天線輻射出的功率 平均坡印廷矢量為 空氣中的波阻抗 時間平均的輻射功率為 3 2 空氣中的輻射功率為 天線的平均輻射功率等效為電流I在等效電阻上平均的損耗功率 該等效電阻稱為輻射電阻 令 輻射電阻 輻射電阻是天線的重要參數 衡量天線的輻射能力 輻射電阻越大 天線的輻射功率越強 它僅取決于天線的結構與工作波長 4 振蕩電偶極子附近的電磁場線 例1 計算長度dl 0 0 1的電基本振子 當電流振幅值為2mA時的輻射電阻和輻射功率 輻射功率為 解 輻射電阻 線天線 天線的橫截面的半徑7 5 1對稱振子天線1 對稱振子的電流分布和遠區(qū)場兩段長度為的直導線 從中間對稱饋電 構成對稱振子 對稱振子上的電流對稱分布為 2L Idz Idz r 7 5對稱線天線和天線陣的概念 不同長度對稱振子上的電流分布圖 利用電基本振子的遠區(qū)輻射電場公式 上 下對稱的電流元的遠區(qū)電場分別為 在分母上可取 但注意到 涉及到 故相位因子中取 可見 對稱振子的輻射場是TEM波 非均勻球面波 其方向性由角來決定 1 半波振子 由 1 式得其輻射場為2 對稱振子的電參數 1 對稱振子的方向圖 對稱振子的未歸一化方向性函數 2 僅與有關 與無關 即H面的方向圖 與天線垂直的平面 是圓 與對稱振子的電長度無關 E面的方向圖關于的平面對稱 且方向圖形狀隨電長度變化 對稱振子的歸一化方向性函數 半波振子的歸一化方向性函數為 3 E面方程圖 在時 輻射最大 在時 沒有輻射 不同長度對稱振子的方向圖 2 對稱振子的輻射功率和輻射電阻 平均坡印廷矢量 半波振子的輻射功率和輻射電阻 輻射電阻 4 輻射功率 1 什么是天線陣 若干個輻射單元以各種形式 如直線 圓環(huán) 三角和平面等 在空間排列組成的天線系統(tǒng)稱為天線陣 2 控制天線陣輻射的因素有哪些 陣元數目 陣元排列方式 陣元間距 每個陣元的饋電電流的大小和相位 7 5 2 天線陣的概念 例如 二元陣是由相隔一定距離的兩個輻射元組成 縱向二元陣 3 均勻直線陣 直線陣 N個相同的單元天線等間距