【課件】微波與天線電偶極子的輻射

1、微波與天線-電偶極子的輻射天線輻射與接收的理論基礎(chǔ)輻射的基本概念滯后位電偶極子的輻射磁偶極子的輻射1. 什么是輻射？ 輻射：隨時間變化的電磁場離開波源向空 間傳播的現(xiàn)象。 產(chǎn)生輻射的源稱為天線。2. 輻射產(chǎn)生的必要條件（1）時變源存在。（2）源電路是開放的。 3. 影響輻射強弱的原因（1）源電路尺寸與輻射波的波長相比擬時 輻射較為明顯。（2）源電路越開放，輻射就越強。輻射的基本概念赫茲實驗雷達探測目標演示拉桿天線引向天線喇叭天線微帶天線衛(wèi)星接收天線寬帶全向天線3m微波接力通信天線中國遠程相控陣雷達艦載對空搜索雷達天線相控陣雷達天線螺旋天線俄羅斯新型有源相控陣雷達天線俄軍巨型雷達天線陣列麥克斯韋

2、方程組的微分形式 積分形式:微分形式:注意：麥克斯韋方程的微分形式只適用于媒體的物理性質(zhì) 不發(fā)生突變的區(qū)域。 微分形式的麥克斯韋方程組給出了空間某點場量之間及場量與場源之間的關(guān)系。 滯后位 2. 在時變場情況下，動態(tài)矢量位和動態(tài)標量位滿足的方程 1. 在靜態(tài)場情況下，矢量位和標量位方程為其解為:麥克斯韋方程：得：已知：對于正弦時變場，時間因子為：令：利用矢量恒等式：洛侖茲規(guī)范： 同理：達朗貝爾方程方程的解為：3. 由 和 的表示式可知 場點R處的 和 變化的相位較其源 和 落后 。 該相位用時間表示： 式中 就是波源 或 的變化傳遞到觀察點所需要的時間。距離波源R處在t 時刻 和 由前一時刻

3、的電流 和電荷密度 的值決定。因此將 和 稱為滯后位。波源觀察點P點的電位和電場強度 。取球坐標系，P點的電位因為：則：電場強度：電偶極子電偶極子的輻射1. 什么是電偶極子？一段通有高頻電流的直導線，當導線長度遠遠小于波長時，該導線被稱為電偶極子。當： , 可近似地認為導線上每一點的電流都是等幅同相的。2. 電偶極子的輻射場（1）電偶極子的滯后位如圖所示,已知電流元xyzlPxyzlP在球坐標系磁場由：得:（2）電偶極子的電磁場電場由：得:（3）近區(qū)場 在靠近電偶極子的區(qū)域，當 。此時， ，則電磁場可近似為 可見：電場和磁場的相位相差 ，因此能量在電場和磁場相互交換而平均坡印廷矢量為零，該區(qū)域

4、的場稱為感應場。若將 代入上式得: 此結(jié)果與電偶極子的靜電場分量相似。感應場（4）遠區(qū)場電場和磁場與 成反比；電場和磁場的相位相同；電場和磁場在空間相互垂直，其比值等于媒質(zhì)的本征阻抗; 平均坡印廷矢量:上式表明有能量向外輻射，說明一個做時諧震蕩的電流元可以輻射電磁波。遠區(qū)場又稱為輻射場。 在遠離電偶極子的區(qū)域，當 ， , 此時電磁場可近似為:可見：輻射場電偶極子的方向圖3. 方向性函數(shù)和方向圖（1）方向性函數(shù)：場量隨方向變化的函數(shù)稱為天線的方向性 函數(shù)。 歸一化方向性函數(shù) 定義為：顯然，電偶極子的方向性函數(shù)為： （2）方向圖：根據(jù)方向性函數(shù)畫出的圖形稱為方向圖。將 用極坐標畫出來。 xzxyE

5、 面方向圖H 面方向圖 如果用一個大的球面將天線包圍起來，則從天線輻射出來的能量必然全部通過這個球面。4、輻射功率天線的總輻射功率為：其中：所以：設(shè) ，則:在自由空間中，由此假設(shè)： 已知：5. 輻射電阻 將天線的輻射功率視為電流 I 在一等效電阻上的損耗功率，則該等效電阻稱為輻射電阻。 可見：輻射電阻表示天線的輻射能力，輻射電阻越大，天線的輻射功率越強。設(shè) ，則:在自由空間中， 當點源天線的輻射場強與實際天線在最大輻射方向上的場強相同時，點源天線的輻射功率與實際天線的輻射功率之比為方向性系數(shù)。由此得：6. 方向性系數(shù)方向性系數(shù)表示為：對點源天線輻射而言:而：點源天線的總輻射功率實際天線的總輻射

6、功率其中：xz點源天線實際天線7. 半功率波瓣寬度 輻射功率等于最大輻射功率一半時的兩個方向之間的夾角。方向性系數(shù)又可表示為： 在相同的輻射功率下，實際天線產(chǎn)生的最大輻射場強 與點源天線的輻射場強 之比。對電偶極子輻射而言:故半功率波瓣寬度為：方向性系數(shù)的另一種定義為：xz點源天線實際天線例 畫出沿z軸放置的電基本振子的E 平面和H平面方向圖。 解: E平面方向圖: 在給定r處, E與無關(guān); E的歸一化場強值為 |E|=|sin|這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù), 其E平面方向圖如圖1 (a)所示。 圖1 (a) 電基本振子E平面方向圖； (b) 電基本振子H平面方向圖； (c) 電基本振子立

7、體方向圖 H平面方向圖: 在給定r處, 對于=/2, E的歸一化場強值為|sin|=1, 也與無關(guān)。因而H平面方向圖為一個圓, 其圓心位于沿z方向的振子軸上, 且半徑為1, 如圖1 (b)所示。 實際天線的方向圖一般要比圖 1 復雜。 典型的H平面方向圖如圖2 (a)所示, 這是在極坐標中E的歸一化模值隨變化的曲線, 通常有一個主要的最大值和若干個次要的最大值。頭兩個零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱主波束）, 其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱邊瓣、副瓣）。 為了分析方便, 將圖2 (a)的極坐標圖畫成直角坐標圖, 即圖 2 (b)所示。 圖 2 (a) 極坐標表示的H平面方向圖； (b) 直角坐標H平面方向圖； (c) 直角坐標H平面方向圖例 確定沿z軸放置的電基本振子 的方向系數(shù)。解:天線方向系數(shù)的一般表達式為 由上式可以看出, 要使天線的方向系數(shù)大, 不僅要求主瓣窄, 而且要求全空間的旁瓣電平小。 電基本振子的歸一化方向函數(shù)為: |F(, )|=|sin|將其代入方向系數(shù)的表達式得 若以分貝表示, 則D=10log101.5=1.76dB?？梢? 電基本振子的方向系數(shù)是很低的。 一、輻射的基本概念二、滯后位三、電偶極子的輻射回顧-電磁波的輻射1. 什么是輻射？2. 輻射