杨进第七章 电磁波的辐射

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,第十次第七章作业,P.240,：,7-1,7-2,7-3,第十次,第八章,作业：,P.285,8-1,8-6,第二问不要,8-8 (1),8-15,TE,波是,H,波，又称为,H,模式,8-16,TE,波是,H,波，又称为,H,模式,第七章 电磁波的辐射,7.1,、滞后位,7.2,、电基本振子的辐射场,7.5,、对称线天线和天线阵的概念,天线的演变,输入,导行电磁波,发射天线,接收天线,电磁波的传播,入射、反射、透射、绕射,传输,导行电磁波,由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接收天线附近。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。,发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的,传输,、,发射,、,传播,、,接收,等过程。,接收机,接收天线,馈线,下行波,发射机,发射天线,馈线,导行波,左图为无线电定位系统的基本方框图。发射天线和接收天线常合用一副天线，利用天线开关的转换作用，分别接入发射机和接收机。当天线与发射机接通时，此天线作发射天线用；当天线与接收机接通时，此天线作接收天线用。,拉杆天线,引向天线,喇叭天线,对数周期天线,微波接力天线,3m,微波接力通信天线,卡塞格仑天线,MMDSA,型微波天线,MMDSC,型微波天线,卫星接收天线,宽带全向天线,舰载对空搜索雷达天线,相控阵雷达天线,中国远程相控阵雷达,俄罗斯新型有源相控阵雷达天线,俄军巨型雷达天线阵列,螺旋天线,微带天线,7.1,滞 后 位,2,、时变电磁场的滞后位积分形式,矢量位和标量位,满足的达朗贝尔方程,1,、静态场的矢量位和标量位方程为,其解为：,时变点电荷元 产生,标量位,满足,点电荷元,观察点,P,现求解,在球坐标中,，上式变为,设 ，代入上式有,上式为一维波动方程，其解为,波源,观察点,P,因为,静点电荷,元,的,电位,：,由,式,(a),和,(b),得时变点电荷元,产生的,标量位,为,（a),(b),(c),同理，得,时变体分布电荷源,产生的,矢量位,：,是滞后位,。式,(1),表示：空间距源点 处,（,1,）,时变电荷源,以 分布在体积,V,内，由式,(c),得时变体分布电荷源,在场点,P,产生的,标量位,为,的场点，在,某一时刻,的 是由,较早,时刻,的,场源,所决定的。,场源分布在有限范围内， 要求 时有,上式称为辐射条件，对于矢量位亦有类似条件。,3,、谐变电磁场的滞后位积分形式,电荷源作,正弦变化,：,电流源作,正弦变化,：,将上式代入式,(1),式得,正弦变化矢量位,和,标量位,的,瞬时形式,为,（,2,）,式,(2),表示：空间场点,R,处,的 变化的,相位,较其,源,落后,。 是,波源,的,变化传递到观察点所用的时间,。,波源,观察点,P,（,3,）,由,(2),式得,正弦变化矢量位,和,标量位的复数形式：,7,.2,电基本振子的辐射场,发射机时变电信号,导线,接地,电基本振子天线结构,赫兹电偶极子,高频电流的直导线，当导线,长度远小于波长,时，称为,电偶极子,。近似认为导线上,每一点的电流都是等幅同相的,。,7.2.1,、,电基本振子的电磁场计算,取载流为,I(t,),的短导线，长度为,dl,，横截面积为,S,，因为短导线的体积,dV,=,Sdl,，故有,矢量位,在球坐标系中的,分量,：,电流元,在,P,点产生的,矢量位,（,滞后位,）为,将上面求得的,矢量位,代入下式的,磁场强度,：,(1),将式,(1),代入 得,电场强度,：,(2),7.2.2,、电基本振子的电磁场分析,1.,近区场,当,kr,1,时，,即,r ,1,时，,r ,/2,，,场点,P,与源点距离,r,远大于波长,的区域称为,远区,。在远区中,由,7.2.1,的,式,(1),和,(2),的作,上面远区近似,得电磁场：,2,、远区场,（,2,）,远区电磁场的特性：,（,1,）电场、磁场和传播方向,相互垂直,，,横电磁波,(TEM,波,),。,电磁能量沿波传播方向传播，称为辐射场。,远区电磁场与近区电磁场的分布不相同！,（,2,）,电场与磁场的,相位相同,。,等相位面是,r,为常数的球面,，等相位面上,E,、,H,振幅与 有关，所以辐射场是,非均匀球面波,。,平均坡印廷矢量：,（,3,）场的振幅与,r,成反比，与,I,、,d,l,/,成正比,，特别是场的振幅与,电长度,dl /,有关。,为媒质的,波阻抗,。,（,4,）场的方向性：场的,振幅正比于,sin,，在,垂直,于天线轴,(Z,轴,),的方向,(,=90,),，,辐射场最大,；,平行,天线轴,(Z,轴,),的方向,(,=0,),，辐射场,为零,。电基本振子的辐射有,方向性,，,方向性是天线的一个主要特性,。,电基本振子的,方向性函数,为,立体方向图,面方向图,面方向图,3.,辐射功率和辐射电阻,以电基本振子天线为球心，用一个半径为,r,的,球面把它包围起来，,平均坡印廷矢量在球面上,的积分值是天线辐射出的功率,。,平均坡印廷矢量为,空气中的波阻抗,时间平均的辐射功率,为,（,3,）,（,2,）,空气中的辐射功率为,天线的,平均辐射功率等效,为电流,I,在,等效电阻上平均的损耗功率,，该等效电阻称为,辐射电阻,。令,辐射电阻：,辐射电阻是,天线的重要参数,，衡量天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射功率越强。它仅取决于天线的结构与工作波长。,（,4,）,+,-,振荡电偶极子附近的电磁场线,例,1,、计算长度,d,l /,0,=0.1,的电基本振子，当电流振幅值为,2,mA,时的辐射电阻和辐射功率。,辐射功率为,解,:,辐射电阻,线天线：天线的横截面的半径,7.5.1,对称振子天线,1.,对称振子的电流分布和远,区场两段长度为 的直导,线，从,中间对称馈电,，构,成对称振子。对称振子上,的,电流对称分布,为：,2L,Idz,Idz,r,7.5,对称线天线和天线阵的概念,不同长度对称,振子,上的电流分布,图,利用电基本振子的远区辐射电场公式：,上、下对称的电流元,的远区电场分别为：,在,分母上,可取 ，但注意到 ，涉,及到 ，故,相位因子,中取,可见：对称振子的辐射场是,TEM,波,，,非均匀球面,波,，其,方向性由 角来决定,。,（,1,）,半波振子,： ，由,(1),式得其辐射场为,2.,对称振子的电参数,(1),对称振子的方向图,对称振子的,未归一化,方向性函数,：,（,2,）,仅与 有关，与 无关,，即,H,面,的,方,向图,(,与天线垂直的平面,),是,圆,，与对称振子的,电长度无关；,E,面的方向图,关于 的平面对,称，且方向图形状随电长度 变化。,对称振子的,归一化,方向性函数,：,半波振子的,归一化,方向性函数,为：,（,3,）,E,面方程图。在 时，,辐射最大,，在,时，,没有辐射,。,不同长度,对称,振子的,方,向图,(2),对称振子的辐射功率和辐射电阻,平均坡印廷矢量：,半波振子的辐射功率和辐射电阻：,辐射电阻：,（,4,）,辐射功率：,1.,什么是天线阵？,若干个辐射单元,以各种形式（如直线、圆环、三角和平面等）在,空间排列,组成的天线系统称为天线阵。,2.,控制天线阵辐射的因素有哪些？,阵元数目；,阵元排列方式；,阵元间距；,每个阵元的馈电电流的大小和相位。,7.5.2,、 天线阵的概念,例如，二元阵是由相隔一定距离的,两个辐射元,组成,。,纵向二元阵,3.,均匀直线阵,直线阵：,N,个,相同,的单元天线,等间距,地排列在,一条直线上,。,均匀直线阵,:,各单元上的馈电,电流大小相同,，而,相位沿线均匀递增或递减,。,若第,1,单元的电流为 ，,递增的相位值为 ，则,第,n,单元的电流表示为,N,元均匀直线阵的辐射场由,N,个单元的,辐射场叠,加,获得，即,均匀直线阵的,阵因子方向性函数,为：,电场强度,E,的模：,该直线阵的方向性函数为：,直线阵,单元,的方向性函数,