電磁波輻射課件

1、關(guān)于電磁波輻射第一張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.1 電流元的輻射 一段載有均勻同相的時變電流的導(dǎo)線稱為電流元，電流元的直徑d 遠(yuǎn)小于長度l，而其長度又遠(yuǎn)小于波長以及觀察距離。這里所謂的均勻同相電流是指導(dǎo)線上各點(diǎn)電流的振幅相等，且相位相同。 Ild第二張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月電流元產(chǎn)生的矢量位為lI圖8-1 電流元的坐標(biāo)球坐標(biāo)系中的 產(chǎn)生的磁場第三張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月求得由麥克斯韋方程 其中第四張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于 ，可以認(rèn)為上式中 ，又因電流僅具有z 分量，即 ，因此 距離遠(yuǎn)小于波長(r ) 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)。第五張，P

2、PT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 式（8-5a）與恒定電流元 產(chǎn)生的磁場相同?？紤] ，式（8-5b）和式（8-5c）與電偶極子 產(chǎn)生的靜電場相同。所以可把時變電流元產(chǎn)生的近區(qū)場稱為似穩(wěn)場。另外,電場與磁場的相位差為 。 這表明近區(qū)場沒有電磁能量向外輻射，能量被束縛在源的周圍，因此近區(qū)場又稱為束縛場。第六張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月遠(yuǎn)區(qū)場。因 ， ，式（8-3）和式（8-4）中的式中的高次項可以忽略，結(jié)果只剩下兩個分量 和 ，經(jīng)整理后得(1) 在遠(yuǎn)區(qū)，平均能流密度矢量 可見能流密度矢量的方向為傳播方向r。這就表明，遠(yuǎn)區(qū)中只有不斷向外輻射的能量，所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱為輻射場。第七張，PPT

3、共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）遠(yuǎn)區(qū)場為向 r 方向傳播的電磁波。電場及磁場均與傳播方向 r 垂直，可見遠(yuǎn)區(qū)場為TEM波，電場與磁場的關(guān)系為 。 （3）遠(yuǎn)區(qū)電磁場只有橫向分量，在傳播方向上的分量等于零，所以遠(yuǎn)區(qū)場為TEM波。 （4）遠(yuǎn)區(qū)場的振幅不僅與距離有關(guān)，而且還與觀察點(diǎn)的方位有關(guān)，即在離開電流元一定距離處，場強(qiáng)隨角度變化的函數(shù)稱為方向圖函數(shù)，用 表示。第八張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月下面討論電流元在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的輻射功率。用一個球面將電流元包圍起來，電流元的輻射功率將全部穿過球面，則電流元產(chǎn)生的總輻射功率為當(dāng)可得用一個電阻上的消耗功率來等效 輻射電阻是用來衡量天線的輻射能力的，

4、輻射電阻越大意味著天線向外輻射的功率越大，天線的輻射能力越強(qiáng)。第九張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.2 天線的電參數(shù)1、方向圖函數(shù)和方向圖 在離開天線一定距離處，輻射場在空間隨角度變化的函數(shù)稱為天線的方向圖函數(shù)，用 表示。根據(jù)方向圖函數(shù)繪制的圖形稱為天線的方向圖。通常工程上采用兩個相互垂直的主平面上的方向圖來表示，即E面方向圖和H面方向圖。E面是指電場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面，H面是指磁場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。 對于上節(jié)提到的電流元方向圖為第十張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月圖8-2a 電流元E面方向圖圖8-2b電流元H面方向圖xyz圖8-2c 電

5、流元立體方向圖第十一張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖為某天線的方向圖，它有很多波瓣，分別稱為主瓣、副瓣和后瓣。其中最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，其他波瓣統(tǒng)稱為副瓣，把位于主瓣正后方的波瓣稱為后瓣。主瓣第一副瓣后瓣主軸圖8-3 天線方向圖的一般形狀第十二張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 為了定量地描述主葉的寬窄程度，通常定義：場強(qiáng)為主射方向上場強(qiáng)振幅的 倍的兩個方向之間的夾角稱為半功率角，以 表示；兩個零射方向之間的夾角稱為零功率角，以 表示。 主瓣寬度愈小，天線輻射的電磁能量愈集中，定向性愈好。 副瓣最大輻射方向上的功率密度與主瓣最大輻射方向上的功率密度之比的對數(shù)值，稱為副瓣

6、電平，用dB表示。通常離主瓣近的副瓣電平要比遠(yuǎn)的高，所以副瓣電平通常是指第一副瓣電平。一般要求副瓣電平盡可能低。第十三張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、方向性系數(shù) 也可定義：有向天線在主射方向上與無向天線在同一距離處獲得相等場強(qiáng)時，無向天線所需輻射功率 與有向天線的輻射功率 之比值，即 在相等的輻射功率下，天線在其最大輻射方向上產(chǎn)生的功率密度與理想的無方向性天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度之比，即第十四張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月已知有向天線的輻射功率Pr 為式中S 代表以天線為中心的閉合球面。根據(jù)無向天線的特性，其輻射功率應(yīng)為求得由上式可以求得電流元的方向性系數(shù)為1.5。第十

7、五張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 任何實際使用的天線均具有一定的損耗，天線獲得的輸入功率，只有其中一部分功率向空間輻射，另一部分被天線自身消耗。因此，實際天線的輸入功率大于輻射功率。天線的輻射功率Pr與輸入功率 之比稱為天線的輻射效率，以 表示，即3、輻射效率 第十六張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月4、增益系數(shù)描述實際天線性能的另一個參數(shù)是增益，以G 表示。 定義為：在相同的的輸入功率下，天線在其最大輻射方向上產(chǎn)生的功率密度與理想的無方向性天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度之比 也可以定義為：在天線最大輻射方向上產(chǎn)生相等電場強(qiáng)度的條件下，理想的無方向性天線所需的輸入功率與被研究天線的

8、輸入功率之比 第十七張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.3 電流環(huán)的輻射 電流環(huán)是一個載有均勻同相時變電流的導(dǎo)線圓環(huán)，其圓環(huán)半徑a 遠(yuǎn)小于波長 ，也遠(yuǎn)小于觀察距離r 。 設(shè)電流環(huán)位于無限大的空間，周圍媒質(zhì)是均勻線性且各向同性的。建立直角坐標(biāo)系，令電流環(huán)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，且電流環(huán)所在平面與平面一致，如下圖示。第十八張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 顯然，在相應(yīng)的球坐標(biāo)系中，因結(jié)構(gòu)對稱于z 軸，電流環(huán)的場強(qiáng)一定與角度 無關(guān)。為了簡單起見，令觀察點(diǎn)位于平面 。 已知線電流產(chǎn)生的矢量位為zyxrareyxaeee-exr 根據(jù)幾何關(guān)系 以及 時近似計算，求得第十九張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于

9、2022年6月由此可見，電流環(huán)產(chǎn)生的電磁場為TE波。 利用關(guān)系式 ，求得電流環(huán)產(chǎn)生的磁場為再利用關(guān)系式 ，求得電流環(huán)產(chǎn)生的電場為 第二十張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 對于實際中所感興趣的遠(yuǎn)區(qū)場，因 ，則只剩下 及 兩個分量，它們分別為 上式表明電流環(huán)產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場與磁場相互垂直，且與波的傳播方向垂直。第二十一張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 電流環(huán)的平均功率密度為輻射功率為輻射電阻為 第二十二張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.4 縫隙的輻射 如圖所示，在無限大且無限薄的理想導(dǎo)體平面上開一個窄縫隙，縫隙的長度 ，寬度 。當(dāng)縫隙被激勵后，會向外輻射電磁能量而形成一個輻

10、射單元。 圖8-5縫隙的結(jié)構(gòu)xld圖8-6 磁流元第二十三張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在高頻電源的激勵下，縫隙中將會產(chǎn)生電場，縫隙相當(dāng)于一個等效磁流元，其等效磁流密度為 也就是說，縫隙可以被等效為一個片狀的沿軸放置的線磁流元，如圖8-6所示。根據(jù)與全電流定律對偶的全磁流定律 可得等效磁流強(qiáng)度為 第二十四張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)電流元的遠(yuǎn)區(qū)輻射場公式（8-6）和對偶原理，可得磁流元的輻射場為得縫隙在 半空間 縫隙在 半空間的輻射場為上式的負(fù)值。第二十五張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.5 對稱振子天線 對稱天線是一根中心饋電的，長度可與波長相比擬的載

11、流導(dǎo)線，如下圖示。 LLdzyxIm 其電流分布以導(dǎo)線中點(diǎn)為對稱，因此被稱為對稱振子天線。 若導(dǎo)線直徑d 遠(yuǎn)小于波長，電流沿線分布可以近似認(rèn)為具有正弦駐波特性，因為對稱天線兩端開路，電流為零，形成電流駐波的波節(jié)。電流駐波的波腹位置取決于對稱天線的長度。第二十六張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 設(shè)對稱陣子天線的半長為L，在直角坐標(biāo)系中沿z 軸放置，中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則電流空間分布函數(shù)可以表示為LLdzyxIm 式中Im為電流駐波的空間最大值或稱為波腹電流，常數(shù) 。 對稱陣子天線的電流分布為正弦駐波，對稱天線可以看成是由很多電流振幅不等但相位相同的電流元排成一條直線形成的。這樣，利用電流元

12、的遠(yuǎn)區(qū)場公式即可直接計算天線的輻射場。第二十七張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月已知電流元 產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場強(qiáng)度應(yīng)為zyxPrdzzzcosr 由于 ，可認(rèn)為 ，在計算電流元至觀察點(diǎn)的距離時，可近似認(rèn)為 ， 。 在計算電流元至觀察點(diǎn)的相位差時，那么對稱振子的遠(yuǎn)區(qū)電場為第二十八張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月2L = /2求得對稱天線的方向性因子為 由此可見，對稱天線的方向性因子與方位角 無關(guān)，僅為方位角 的函數(shù)。 2L = 2L = 22L = 3/2幾種長度的對稱天線方向圖如下圖示。第二十九張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 全長為半波長的對稱天線稱為半波天線。令 ，代入前

13、式，求得半波天線方向性因子為得半波天線的遠(yuǎn)區(qū)電場為半波天線的輻射功率第三十張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月半波天線的輻射電阻為 上式中的積分用數(shù)值方法求得其值約為1.218，那么半波天線的輻射電阻為半波天線的方向性系數(shù)為 第三十一張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.6 天線陣8.6.1 方向圖相乘原理 為了改善和控制天線的方向性，通常使用多個簡單天線構(gòu)成復(fù)合天線，這種復(fù)合天線稱為天線陣。 適當(dāng)?shù)卦O(shè)計各個單元天線的類型、數(shù)目、電流振幅及相位、單元天線的取向及間隔，可以形成所需的方向性。圖8-10 二元陣的輻射左圖為一個二元陣 兩天線至觀察點(diǎn)的相位差 第三十二張，PPT共四十頁，創(chuàng)

14、作于2022年6月假設(shè)天線2與天線1之間的電流關(guān)系為 那么天線2的輻射波到達(dá)觀察點(diǎn)P點(diǎn)時比天線1的輻射波到達(dá)P點(diǎn)時超前相位 。 第一項是兩天線的波程差引起的，第二項是兩天線的電流相對相位引起的。式中 的表示天線陣軸線與平行射線之間的夾角。二元陣在觀察點(diǎn)P產(chǎn)生的合成場強(qiáng)為 第一部分是天線1單獨(dú)在觀察點(diǎn)P產(chǎn)生的場強(qiáng)，第二部分稱為陣因子。天線陣的方向圖等于單元天線的方向圖與陣因子方向圖的乘積，稱為方向圖相乘原理。第三十三張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月8.6.2 均勻直線陣 所謂均勻直線式天線陣是指各單元天線以相同的取向和相等的間距排列成一直線，它們的饋電電流大小相等，而相位以相同的比例遞增

15、或遞減。圖8-11 N元均勻直線陣第三十四張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月類似于二元陣，相鄰兩單元天線間的相位差為觀察點(diǎn)的合成電場強(qiáng)度為 利用等比級數(shù)求和公式，可得為元均勻直線陣的陣因子。 第三十五張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 時各單元天線在觀察點(diǎn)的電場同相疊加，得到最大值。由式（8-46）可求出陣因子達(dá)到最大值的角度 可見，陣因子的最大輻射方向取決于單元天線之間的電流相位差和間距。如果不考慮單元天線的方向性或單元天線的方向性很弱，那么天線陣的方向性主要決定于陣因子。若電源天線的電流相位差是可調(diào)的，那么天線陣的最大輻射方向也是可調(diào)的，這就是相控陣天線的工作原理。第三十六張，

16、PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月圖8-12為間距 的四元側(cè)射式天線陣的陣因子方向圖。 若均勻直線陣各單元天線同相饋電時，即 時，由式（8-46）得 由此可見，天線陣的最大輻射方向垂直于天線陣的軸線，即天線陣的最大輻射方向在天線陣軸線的兩側(cè)，所以稱之為側(cè)射式天線陣。0o30o60o90o120o150o180o210o240o270o300o330o0 y z圖8-12 四元側(cè)射式天線陣的陣因子方向圖第三十七張，PPT共四十頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖8-13為間距 的八元端射式天線陣的陣因子方向圖。 若均勻直線陣各單元天線之間的電流相位差 時，由式（8-46）得 0o30o60o90o120o150o180o210o240o270o300o330o0 y z圖8-13 八元端射式天線陣的陣因子方向圖 天線陣的最大輻射方向在天