电磁波辐射.ppt
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1、关于电磁波辐射现在学习的是第1页,共40页8.1 电流元的辐射电流元的辐射 一段载有均匀同相的时变电一段载有均匀同相的时变电流的流的导线称为导线称为电流元电流元,电流元的,电流元的直径直径d 远小于长度远小于长度l,而其长度又远小于波长以及观察距离。这,而其长度又远小于波长以及观察距离。这里所谓的均匀同相电流是指导线上各点电流的振幅相等,且相里所谓的均匀同相电流是指导线上各点电流的振幅相等,且相位相同。位相同。Ild现在学习的是第2页,共40页电流元产生的矢量位为电流元产生的矢量位为zzzjkrAerIleerA4)(lIrEEHzx12r图8-1 电流元的坐标球坐标系中的球坐标系中的 0si
2、ncosAAAAAzzr产生的磁场产生的磁场0sinsin112rAArrrrrreeeAH现在学习的是第3页,共40页求得求得-00 sin14rjkrjHHI lHjkerr由麦克斯韦方程由麦克斯韦方程 EHjeeeeeeHEEEEHrrrrrrrrsin00sinsinj1j12krrrjkrIlEj2e12cosjkrrkrkrIlEj22e1j4sinj 0E其中其中现在学习的是第4页,共40页 由于由于 ,可以认为上式中,可以认为上式中 ,又因电流仅具有,又因电流仅具有z 分量,即分量,即 ,因此,因此 距离远小于波长距离远小于波长(r )的区域称为的区域称为远区远区。rll ,r
3、|rrlzddel 4sin 2rlIH3 2cos jrlIEr3 4sinjrl IE现在学习的是第5页,共40页 式(式(8-5a)与恒定电流元)与恒定电流元 产生的磁场相同。考虑产生的磁场相同。考虑 ,式(,式(8-5b)和式()和式(8-5c)与电偶极子)与电偶极子 产生的静电场相同。产生的静电场相同。所以可把时变电流元产生的近区场称为所以可把时变电流元产生的近区场称为似稳场似稳场。l IqIjl q另外另外,电场与磁场的相位差为电场与磁场的相位差为 。20Re21HESav 这表明近区场没有电磁能量向外辐射,能量被束缚在源的周围这表明近区场没有电磁能量向外辐射,能量被束缚在源的周围
4、,因此近区场又称为,因此近区场又称为束缚场束缚场。现在学习的是第6页,共40页远区场远区场。因。因 ,式(式(8-3)和式()和式(8-4)中的)中的式式中的高次项可以忽略,结果只剩下两个分量中的高次项可以忽略,结果只剩下两个分量 和和 ,经整理,经整理后得后得r12rkrHE sin 2 jjkrerlIH sin 2 jjkrerlIE(1)(1)在远区,平均能流密度矢量在远区,平均能流密度矢量2211 ReRe sin2222 2avrrEI lEHrSEHeeee 可见能流密度矢量的方向为传播方向可见能流密度矢量的方向为传播方向r r。这就表明,远区中只。这就表明,远区中只有不断向外辐
5、射的能量,所以远区场又称为有不断向外辐射的能量,所以远区场又称为辐射场。辐射场。现在学习的是第7页,共40页(2 2)远区场为向远区场为向 r r 方向传播的电磁波。电场及磁场均与传播方方向传播的电磁波。电场及磁场均与传播方向向 r r 垂直,可见远区场为垂直,可见远区场为TEMTEM波波,电场与磁场的关系为,电场与磁场的关系为 。ZHE(3 3)远区电磁场只有横向分量,在传播方向上的分量等于远区电磁场只有横向分量,在传播方向上的分量等于零,所以远区场为零,所以远区场为TEMTEM波。波。(4 4)远区场的振幅不仅与距离有关,而且还与观察点的方远区场的振幅不仅与距离有关,而且还与观察点的方位有
6、关,即在离开电流元一定距离处,场强随角度变化的位有关,即在离开电流元一定距离处,场强随角度变化的函数称为函数称为方向图函数方向图函数,用,用 表示。表示。),(f现在学习的是第8页,共40页下面讨论电流元在远区产生的下面讨论电流元在远区产生的辐射功率辐射功率。用一个球面将电流元。用一个球面将电流元包围起来,电流元的辐射功率将全部穿过球面,则电流元产生包围起来,电流元的辐射功率将全部穿过球面,则电流元产生的总辐射功率为的总辐射功率为220022r3sinsin 2 2IlddrrlIdPSavSS222r40lIP1200当当可得可得用一个电阻上的消耗功率来等效用一个电阻上的消耗功率来等效 rr
7、RIP221 辐射电阻是用来衡量天线的辐射能力的,辐射电阻越大意味着天辐射电阻是用来衡量天线的辐射能力的,辐射电阻越大意味着天线向外辐射的功率越大,天线的辐射能力越强。线向外辐射的功率越大,天线的辐射能力越强。现在学习的是第9页,共40页8.2 天线的电参数天线的电参数1 1、方向图函数和方向图、方向图函数和方向图 在离开天线一定距离处,辐射场在空间随角度变化的函数称在离开天线一定距离处,辐射场在空间随角度变化的函数称为天线的为天线的方向图函数方向图函数,用,用 表示。根据方向图函数绘制的表示。根据方向图函数绘制的图形称为天线的方向图。通常工程上采用两个相互垂直的主平面图形称为天线的方向图。通
8、常工程上采用两个相互垂直的主平面上的方向图来表示,即上的方向图来表示,即E E面方向图和面方向图和H H面方向图面方向图。E E面是指电场强度面是指电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面,矢量所在并包含最大辐射方向的平面,H H面是指磁场强度矢量所在并面是指磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。包含最大辐射方向的平面。),(fsin),(f对于上节提到的电流元对于上节提到的电流元方向图为方向图为现在学习的是第10页,共40页yozsin图图8-2a8-2a 电流元电流元E E面方向图面方向图yzx0sin901图图8-2b8-2b电流元电流元H H面方向图面方向图xyz图图8-2c 电流
9、元立体方向图电流元立体方向图现在学习的是第11页,共40页 图为某天线的方向图,它有很多波瓣,分别称为图为某天线的方向图,它有很多波瓣,分别称为主瓣主瓣、副副瓣瓣和和后瓣后瓣。其中最大辐射方向的波瓣称为。其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣主瓣,其他波瓣统称为,其他波瓣统称为副瓣副瓣,把位于主瓣正后方的波瓣称为,把位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣后瓣。主瓣主瓣第一副瓣第一副瓣后瓣后瓣主轴主轴000.50图图8-3 8-3 天线方向图的一般形状天线方向图的一般形状0.5202现在学习的是第12页,共40页 为了定量地描述主叶的宽窄程度,通常定义:场强为主为了定量地描述主叶的宽窄程度,通常定义:场强为主射方
10、向上场强振幅的射方向上场强振幅的 倍的两个方向之间的夹角称为倍的两个方向之间的夹角称为半功半功率角率角,以,以 表示;两个零射方向之间的夹角称为表示;两个零射方向之间的夹角称为零功率角零功率角,以,以 表示。表示。215.0202 主瓣宽度愈小,天线辐射的电磁能量愈集中,定向性愈好。主瓣宽度愈小,天线辐射的电磁能量愈集中,定向性愈好。副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值,称为功率密度之比的对数值,称为副瓣电平副瓣电平,用,用dBdB表示。通常离主表示。通常离主瓣近的副瓣电平要比远的高,所以副瓣电平通常是指瓣近的
11、副瓣电平要比远的高,所以副瓣电平通常是指第一副第一副瓣电平瓣电平。一般要求副瓣电平尽可能低。一般要求副瓣电平尽可能低。现在学习的是第13页,共40页2 2、方向性系数、方向性系数 也可定义:有向天线在也可定义:有向天线在主射方向主射方向上与无向天线在上与无向天线在同一距离同一距离处获处获得相等场强时,无向天线所需得相等场强时,无向天线所需辐射辐射功率功率 与有向天线的与有向天线的辐射辐射功功率率 之比值,即之比值,即0rPrP00202max0maxrrrrPPPPEESSD 在相等的辐射功率下,天线在其最大辐射方向上产生的功在相等的辐射功率下,天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无方
12、向性天线在同一点产生的功率密度之比率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比,即,即00202max0maxrrrrPPPPEESSD现在学习的是第14页,共40页 2002022max2002022max02rsin),(2sin),(21),(21ddFrEddrFEdSEdPSSavSS已知有向天线的辐射功率已知有向天线的辐射功率Pr 为为式中式中S 代表以天线为中心的闭合球面。代表以天线为中心的闭合球面。根据无向天线的特性,其辐射功率应为根据无向天线的特性,其辐射功率应为2200r4|rZEP 0 22 0 d sin),(d 4FD求得求得由上式可以求得电流元的方向性系数为
13、由上式可以求得电流元的方向性系数为1.51.5。现在学习的是第15页,共40页 任何实际使用的天线均具有一定的损耗,天线获得任何实际使用的天线均具有一定的损耗,天线获得的输入功率,只有其中一部分功率向空间辐射,另一部的输入功率,只有其中一部分功率向空间辐射,另一部分被天线自身消耗。因此,实际天线的输入功率大于辐分被天线自身消耗。因此,实际天线的输入功率大于辐射功率。天线的辐射功率射功率。天线的辐射功率Pr与输入功率与输入功率 之比称为天之比称为天线的线的辐射效率辐射效率,以,以 表示,即表示,即3 3、辐射效率、辐射效率 inPinrAPP现在学习的是第16页,共40页4 4、增益系数、增益系
14、数描述实际天线性能的另一个参数是描述实际天线性能的另一个参数是增益增益,以,以G 表示。表示。定义为:在相同的的输入功率下,天线在其最大辐射方向上产生定义为:在相同的的输入功率下,天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比的功率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比00202max0maxininininPPPPEESSG 也可以定义为:在天线最大辐射方向上产生相等电场强也可以定义为:在天线最大辐射方向上产生相等电场强度的条件下,理想的无方向性天线所需的输入功率与被研究度的条件下,理想的无方向性天线所需的输入功率与被研究天线的输入功率之比天线
15、的输入功率之比 0max0EEininPPG现在学习的是第17页,共40页8.3 电流环的辐射电流环的辐射 电流环电流环是一个载有均匀同相时变电流的导线圆环,其圆环半径是一个载有均匀同相时变电流的导线圆环,其圆环半径a 远小于波长远小于波长 ,也远小于观察距离,也远小于观察距离r。设电流环位于无限大的空间,周围媒质是均匀线性且各设电流环位于无限大的空间,周围媒质是均匀线性且各向同性的。建立直角坐标系,令电流环位于坐标原点,且电向同性的。建立直角坐标系,令电流环位于坐标原点,且电流环所在平面与平面一致,如下图示。流环所在平面与平面一致,如下图示。现在学习的是第18页,共40页 显然,在相应的球坐
16、标系中,因显然,在相应的球坐标系中,因结构对称于结构对称于z 轴,电流环的场强一定与轴,电流环的场强一定与角度角度 无关。为了简单起见,令观察无关。为了简单起见,令观察点位于平面点位于平面 。0y|rrlrA|ed4)()|jrrkI已知线电流产生的矢量位为已知线电流产生的矢量位为zyxrare)0,(rPyxaeee-exr)0,(rP 根据几何关系根据几何关系 以及以及 时近似计算,求得时近似计算,求得el add ar eArkekrraIj22sin)j1(4现在学习的是第19页,共40页由此可见,电流环产生的电磁场为由此可见,电流环产生的电磁场为TETE波。波。利用关系式利用关系式
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- 关 键 词:
- 电磁波 辐射
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