电磁场与电磁波电磁波的辐射课件

,电磁场与电磁波,第,8,章 电磁波的辐射,1.,什么是辐射？,辐射：,随时间变化的电磁场离开波源向空,间传播的现象。,产生辐射的源称为,天线,。,2.,辐射产生的必要条件,（,1,）,时变源存在。,（,2,）,源电路是开放的。,3.,影响辐射强弱的原因,（,1,）,源电路尺寸与辐射波的波长相比拟时,辐射较为明显。,（,2,）,源电路越开放，辐射就越强。,一、辐射的基本概念,1. 什么是辐射？一、辐射的基本概念,赫兹实验,赫兹实验,电偶极子的辐射演示,雷达探测目标演示,电偶极子的辐射演示雷达探测目标演示,二、滞后位,2.,在时变场情况下，动态矢量位和动态标量位满足的方程,1.,在静态场情况下，矢量位和标量位方程为,其解为,:,麦克斯韦方程：,得：,已知：,二、滞后位 2. 在时变场情况下，动态矢量位和动态标量,对于正弦时变场，时间因子为：,令：,利用矢量恒等式：,洛仑兹规范：,同理：,达朗贝尔方程,方程的解为：,对于正弦时变场，时间因子为：令：利用矢量恒等式：洛仑兹规范：,3.,由 和 的表示式可知,场点,R,处的 和 变化的相位较其源 和 落后 。,该相位用时间表示：,式中 就是波源 或 的变化传递到观察点所需要的时间。,距离波源,R,处在,t,时刻 和 由前一时刻 的电流 和电荷密度 的值决定。因此将 和,称为滞后位。,波源,观察点,3. 由 和 的表示式可知,三、电偶极子的辐射,1.,什么是电偶极子？,一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被称为,电偶极子,。,当：,可近似地认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。,2.,电偶极子的辐射场,（,1,）电偶极子的滞后位,如图所示,已知电流元,x,y,z,l,P,三、电偶极子的辐射1. 什么是电偶极子？一段通有高频电流的,x,y,z,l,P,在球坐标系,xyzlP在球坐标系,磁场由：,得,:,（,2,）,电偶极子的电磁场,电场由：,得,:,磁场由：得:（2）电偶极子的电磁场电场由：得:,（,3,）近区场,在靠近电偶极子的区域，当 。此时， ，则电磁场可近似为,可见：,电场和磁场的相位相差 ，因此能量在电场和磁场相互交换而平均坡印廷矢量为零，,该区域的场称为,感应场,。,若将 代入上式,得,:,此结果与电偶极子的静电场分量相似。,感应场,（3）近区场 在靠近电偶极子的区域，当,（,4,）远区场,电场和磁场与 成反比；,电场和磁场的相位相同；,电场和磁场在空间相互垂直，其比值等于媒质的本征阻抗,;,平均,坡印廷矢量,:,上式表明有能量向外辐射，说明一个做时谐震荡的电流元可以辐射电磁波。远区场又称为,辐射场,。,在远离电偶极子的区域，当 ，,此时电磁场可近似为,:,可见,：,辐射场,（4）远区场电场和磁场与 成反比；电场和磁场的相,电偶极子的方向图,3.,方向性函数和方向图,（,1,）,方向性函数：,场量随方向变化的函数称为天线的方向性,函数。,归一化方向性函数 定义为：,显然，电,偶极子的方向性函数为：,（,2,）方向图：,根据方向性函数画出的图形称为方向图。,将 用极坐标画出来,。,x,z,x,y,E,面方向图,H,面方向图,电偶极子的方向图3. 方向性函数和方向图（1）方向性函数：场,如果用一个大的球面将天线包围起来，则从天线辐射出来的能量必然全部通过这个球面。,4,、辐射功率,天线的,总辐射功率,为：,其中：,所以：,设 ，则,:,在自由空间中，,如果用一个大的球面将天线包围起来，则从天线辐射出来的,由此假设：,已知：,5.,辐射电阻,将天线的辐射功率视为电流,I,在一等效电阻上的损耗功率，则该等效电阻称为辐射电阻。,可见：辐射电阻表示天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射功率越强。,设 ，则,:,在自由空间中，,由此假设： 已知：5. 辐射电阻 将天线的辐射,当点源天线的辐射场强与实际天线在最大辐射方向上的场强相同时，,点源天线的辐射功率与实际天线的辐射功率之比为,方向性系数。,由此得：,6.,方向性系数,方向性系数表示为：,对点源天线辐射而言,:,而：,点源天线的总辐射功率,实际天线的总辐射功率,其中：,x,z,点源天线,实际天线,当点源天线的辐射场强与实际天线在最大辐射方向上的场强,7.,半功率波瓣宽度,辐射功率等于最大辐射功率一半时的两个方向之间的夹角。,方向性系数又可表示为：,在相同的辐射功率下，实际天线产生的最大辐射场强,与点源天线的辐射场强 之比。,对电偶极子辐射而言,:,故半功率波瓣宽度为：,方向性系数的另一种定义为,：,x,z,点源天线,实际天线,7. 半功率波瓣宽度 辐射功率等于最大辐射功,一、辐射的基本概念,二、滞后位,三、电偶极子的辐射,第,8,章 电磁波的辐射,回顾：,1.,什么是辐射？,2.,辐射产生的必要条件,3.,影响辐射强弱的原因,达朗贝尔,方程,2.,辐射场：,平均,坡印廷矢量：,1.,什么是电偶极子？,一、辐射的基本概念二、滞后位三、电偶极子的辐射第8章,3.,方向性函数为：,4.,辐射功率：,5.,辐射电阻：,x,z,x,y,E,面方向图,H,面方向图,6.,方向性系数：,7.,半功率波瓣宽度：,x,z,点源天线,电偶极子,3. 方向性函数为：4. 辐射功率：5. 辐射电阻：xzxy,四、磁偶极子的辐射,1.,什么是磁偶极子？,一个通有高频电流的小电流环的等效模型称为,磁偶极子,。,磁偶极子是根据,电磁对偶性,派生出来的概念。,2.,对偶原理的应用,麦克斯韦尔方程：,引入,磁荷,和,磁流,的概念之后，磁场各物理量就和电场各物理量一一对应起来了。,下标,m,表示磁量，,e,表示电量。,磁流密度,磁荷密度,四、磁偶极子的辐射1. 什么是磁偶极子？一个通有高频电流的,只有,电流源,存在时,对偶量,：,只有,磁流源,存在时,已知：电偶极子的辐射场为,由对偶原理得出：磁偶极子的辐射场,磁流源,可见：利用对偶原理求解电磁学的一些问题，可大大简化推导过程。,只有电流源存在时对偶量：只有磁流源存在时已知：电偶极子的辐射,4.,方向性函数为：,5.,辐射功率：,6.,辐射电阻：,x,z,x,y,H,面方向图,E,面方向图,7.,方向性系数：,8.,半功率波瓣宽度：,3.,磁偶极子的辐射场,4. 方向性函数为：5. 辐射功率：6. 辐射电阻：xzxy,五、对称振子天线的辐射,1.,什么是对称振子？,两段长度为 的直导线，从中间对称馈电，就构成对称振子。,如图所示,:,对称振子上的电流分布为：,五、对称振子天线的辐射1. 什么是对称振子？ 两段,在振子上取一小段,d,z,，将其视为电偶极子，其辐射场为：,2.,对称振子的辐射场,该对称振子的辐射场就是整个振子长度上的积分,:,因为：,辐射电场为：,在分母上,在指数上,在振子上取一小段dz ，将其视为电偶极子，其辐射,对称振子的辐射磁场：,对称振子的辐射磁场：,3.,对称振子的方向性函数：,不同长度,振子的,方,向图：,3. 对称振子的方向性函数：不同长度振子的方向图：,4.,半波振子的辐射场,(2),半波振子的方向性函数：,已知：对称振子的辐射场：,将 代入上式，得：,E,面方向图,x,z,(1),半波振子的辐射场,4. 半波振子的辐射场(2)半波振子的方向性函数：已知：对称,(4),半波振子的总辐射功率：,(5),辐射电阻：,(6),方向性系数：,(7),半功率波瓣宽度：,E,面方向图,x,z,(3),半波振子的,平均,坡印廷矢量：,(4)半波振子的总辐射功率：(5)辐射电阻：(6)方向性系数,六、 天线阵的辐射,1.,什么是天线阵？,由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。,3.,二元阵的辐射场,(a),纵向二元阵,(b),横向二元阵,二元阵是由相隔一定距离的两个辐射元组成,。,六、 天线阵的辐射1. 什么是天线阵？ 由若,两单元的辐射电场分别为 ：,（,1,）纵向等幅二元阵：,单元辐射电场的幅值,单元的方向性函数,该二元阵的辐射电场：,其中：,称为,阵因子,，用,表示：,(a),纵向二元阵,远区情况：,两单元的辐射电场分别为 ：（1）纵向等幅二元阵： 单元辐射电,同理，两单元的辐射电场分别为 ：,（,2,）横向等幅二元阵：,远区情况：,该二元阵的辐射电场：,其中：,(b),横向二元阵,N M,所以：,比较这两种二元阵，其辐射场的表达式形式相同，不同的是两阵元的相位差表示式不一样。,同理，两单元的辐射电场分别为 ：（2）横向等幅二元阵： 远区,例：,一个长度为 的电偶极子，其上电流为 ，将它平行地放置于一个无限大导电平板前，和板的距离为 ，如图所示，求辐射方向图。,解：,由于电偶极子置于无限大导电平板前，用其镜像法，镜像电流与源电流等幅反相，因此构成了等幅反相馈电的二元阵,馈电电流分别为：,两个阵元辐射场叠加为：,其中：,例：一个长度为 的电偶极子，其上电流为 ，将它,在分母中将 代入，得：,式中：,(1),在,xOy,平面的方向图，,此时方向图由阵因子确定,已知：,其方向图如图所示。,故方向性函数为,:,(2),在,xOz,平面的方向图，,在分母中将 代入，得：式,4.,均匀直线阵,直线阵：,由,N,个相同的单元天线等间距地排列在一条直线上,构成。,均匀直线阵,:,若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，这样的直线阵称为均匀直线阵。,如图所示,:,N,元直线阵,若第,1,单元的电流为 ，,递增的相位值为 ，,则第,n,单元的电流可表示为,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,4. 均匀直线阵 直线阵：由N 个相同的单元天线等间距地排,对远场区而言， 关系为：,若令：,则辐射场：,均匀直线阵的归一化阵因子为：,该直线阵的方向性函数为：,对远场区而言， 关系为： 若令：,（,1,）若,N,=10,各,单元馈电电流等幅同相，单元间距为,方向性函数为,:,在,H,平,面内,:,方向图：,在,E,平面内：,（1）若N=10各单元馈电电流等幅同相，单元间距为方向性函数,方向图：,（,2,）当该均匀直线阵的参数为：,方向性函数为：,其中：,在,H,平面内：,在,E,平面内,:,方向图：（2）当该均匀直线阵的参数为：方向性函数为：其中：,拉杆天线,拉杆天线,引向天线,引向天线,喇叭天线,喇叭天线,微带天线,微带天线,卫星接收天线,宽带全向天线,3m,微波接力通信天线,卫星接收天线宽带全向天线3m微波接力通信天线,中国远程相控阵雷达,中国远程相控阵雷达,舰载对空搜索雷达天线,相控阵雷达天线,舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线,螺旋天线,螺旋天线,俄罗斯新型有源相控阵雷达天线,俄军巨型雷达天线阵列,俄罗斯新型有源相控阵雷达天线俄军巨型雷达天线阵列,