电磁波辐射学习.pptx
右图是 E 线分别在 的场图图3 一个电偶极子在不同时刻的E线分布第1页/共51页电偶极子天线电偶极子天线，是一种基本的辐射单元。它是一段长度l l时的辐射图。两个波的天线间距为l/2,激发的相位一致。曲面上的矢径长表示E的数值对q和j的函数关系。曲面上的曲线，是j为常数的曲线，每隔10 度画一条。为清楚起见，曲面切成了两半。沿着y轴的方向，两个波相加，合成的电场强度是单个天线所产生的两倍。这点在整个yz平面上都对，只要rl。沿着x轴，两个波相位相反而互相抵消了。在xz平面的其他方向上，波并不完全抵消，因为路程差比l/2小。每个天线在z轴上的场都是零，所以天线阵的场也是零。第19页/共51页图 两个波天线,用竖粗线表示,相距l/2,但是在 x=-D/2的一个相位超前p弧度。此时两个波在yz平面上到处都对消了。在x轴上的所有点上，两个波相位一致，得到二倍于单个天线的场强。在z轴的方向上还是没有辐射。第20页/共51页略去时间因子，并以k代入上式可得：矢量磁位A只有Z方向的分量，在球坐标系中，其分量为：第21页/共51页式中 为自由空间波数；2f 为高频电流的角频率。第22页/共51页kr和r l、kr1的区域中，此时在H和E表达式中可略去r-2和r-3的项，由于Er较E小一个数量级，故Er也可忽略不计，于是得到基本电振子的远区场远区场为：第24页/共51页基本电振子的辐射特性基本电振子的辐射特性 1、基本电振子向空间辐射一个球面波、基本电振子向空间辐射一个球面波 远区场只有E、H分量，且二者同相，同时与 成正比，表示电场和磁场的振幅与r成反比，而相位随r的增大而连续滞后，在半径为r的球面上各点的电场和磁场具有相同的相位，即等相面为球面，也就是电磁波的波阵面为一球面。在此球面上，电场与磁场相互垂直，并同时垂直于波的传播方向，且三者满足右手螺旋关系，功率密度矢量（坡印廷矢量）为：因此，基本电振子辐射为球面波基本电振子辐射为球面波，波的传播方向为 ，电磁波的能量沿 方向流动。第25页/共51页2、电场和磁场的振幅关系和波阻抗、电场和磁场的振幅关系和波阻抗 这是分析天线性能常用的基本关系分析天线性能常用的基本关系 真空中 自由空间的基本电振子辐射场第26页/共51页3、基本电振子的方向性、基本电振子的方向性以天线为中心，在球面辐射波上各点的电场强度可表示为：方向性图 基本电振子的归一化方向性函数 基本电振子最大辐射方向在垂直于振子轴并过中心的平面内；基本电振子最大辐射方向在垂直于振子轴并过中心的平面内；沿振子轴线方向无辐射。沿振子轴线方向无辐射。第27页/共51页4、基本电振子的辐射功率和辐射电阻、基本电振子的辐射功率和辐射电阻穿出整个球面的电磁波功率，即辐射功率辐射功率为：基本电振子的辐射功率就是它所辐射的电磁波总功率。将一个以基本电振子为球心的球面包围电振子，则穿出球面的总功率就是基本电振子的总辐射功率。它可以通过该球面上电磁波功率密度的面积分来求得。对于正弦电磁波，其有效值为：穿过半径为r的球面上面积元的电磁波功率为：这是计算天线辐射功率的一般公式，适合于任何形式的天线适合于任何形式的天线 第28页/共51页代入E，可得基本电振子的辐射总功率为：基本电振子辐射功率决定于其电流和长度与波长之比。基本电振子辐射功率决定于其电流和长度与波长之比。长度不变，频率愈高或波长愈短，辐射功率愈大，但必须满足原来假设的l ，且r1、r2、r可以认为是平行的，则有1=2=，而r1、r2 的差别对总辐射场振幅的影响是微小的，因此可认为1/r1=1/r2=1/r。但对于总辐射场的相位来说，必须考虑行程差引起的相位差，这里 整个天线的辐射场dE为沿振子臂l的积分，即：远区的辐射场 第34页/共51页方向性图如图(b)所示。对于半波天线，2l=0.5，则 ，故：方向性函数为：第35页/共51页9.3 磁偶极子天线辐射磁偶极子天线辐射 仿照磁偶极子的矢量磁位的计算方法，将磁偶极子天线的电流密度代入电磁辐射公式，再对整个环进行积分可得：周长远小于波长，时变电流的振幅和相位处处相同的小电流环称为磁偶极子天线磁偶极子天线，又称为振荡磁偶极子振荡磁偶极子和基本磁振子基本磁振子。磁偶极子天线的磁矩为：磁偶极子天线与磁偶极子不同，在磁偶极子上，电流恒定，而磁偶极子天线上电流i=Iejt是变化的电流。第36页/共51页球坐标系 由于小环的半径极小，则有k(r-r)和kr1，因此式中只保留含1/r的项，则基本磁偶极子的辐射磁场只有：麦克斯韦方程组 基本磁偶极子天线与基本电振子天线一样，向空间辐射辐射球面电磁波球面电磁波；与基本电振子天线不同的是电场和磁场在球面上互换了位置，但其坡印廷矢量仍指向 的正方向。磁偶极子的辐射场如图所示。第39页/共51页从电磁场基本方程组出发,经整理后，得称为动态位由由（2）（1）洛仑兹条件（规范）定义A 的散度1、动态位及其微分方程第40页/共51页若场不随时间变化，波动方程蜕变为泊松方程这是非齐次波动方程达朗贝尔方程(Dalangbaier Eguation)洛仑兹条件达朗贝尔方程(Dalangbaier Eguation)时谐场情况下：第41页/共51页2、达朗贝尔方程的解时谐场的电位满足达朗贝尔方程位于坐标原点电量为q的电位满足在r不为0的区域方程为：令 则 由于点电荷的电位具有球对称行，在球坐标系中电位函数只与r有关，在球坐标系中：令 则 第42页/共51页的通解为其中第2项表示从外到里传播，而其系数为0.电位是频率的函数，当频率为0时，应与静电场中的电位函数相同，从而可以确定系数第43页/共51页电位的时间表达式：这就是位于坐标原点的时变点电荷在空间中产生的电位函数推迟特性分析的解:第44页/共51页类比：第45页/共51页电流元是指一段非常短的直线电流，其长度远小于工作波电流元是指一段非常短的直线电流，其长度远小于工作波长，其上电流可看出沿线不变。长，其上电流可看出沿线不变。电流元的两端可看成大小相等，符号相反的时谐电荷电流元的两端可看成大小相等，符号相反的时谐电荷Q Q 3、电流元的辐射第46页/共51页远离天线P点的动态位为：在球坐标系中，线电流元的矢量磁位设天线上的电流为正弦波电流：设天线上的电流为正弦波电流：其复数形式为：电流元的辐射第47页/共51页特点：无推迟效应；电场与静电场中电偶极子的场相同，磁场与恒定磁场中元电流的场相同，因此有结论：任一时刻，电、磁场的分布规律分别与静态场中电、磁场相同，称之为似稳场。近区内只有电磁能量交换，没有波的传播（辐射）。1.近区 图 电偶极子的近区 E 与 H 线的分布第48页/共51页2.远区亦称辐射区忽略 的高次项,远区的电磁场特点：辐射区电磁场有推迟效应。相位相同的点连成的面称为等相位面，辐射区的电磁波为球面波。辐射是有方向性的，即 辐射功率为 E、H、S 空间上正交，时间上同相，有波阻抗（Wave Impedance)辐射电阻表示天线辐射电磁能量的能力表明天线愈长，频率愈高，辐射能量愈大。第49页/共51页 某一瞬间 E 线与 H 线在空间的分布图5 动态描述单元偶极子天线辐射形成的过程 图4 时单元偶极子天线E线与H线分布第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页
