电磁波的辐射与接收 (2)优秀PPT.ppt
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1、电磁波的辐射与接收现在学习的是第1页,共72页通信的目的通信的目的是传递信息是传递信息,根据传递信息的途径不同根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分可将通信系统大致分为为两大类两大类:有线通信系统:有线通信系统:在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,如如电话、计算机局域网电话、计算机局域网等等;无线通信系统无线通信系统:是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,如如电视、电视、广广播、播、雷达、雷达、导航、卫星导航、卫星等。等。无线通信系统中无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波需要将来自发射机的
2、导波能量转变为无线电波,或者或者将无线电波转换为导波能量将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。为天线。无线电通信系统框图无线电通信系统框图现在学习的是第2页,共72页天线的定义天线的定义:产生或接收电磁波的装置。产生或接收电磁波的装置。按用途按用途:通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。等。按工作波段:按工作波段:长波天线、中波天线、短波天线、和微波天线等。长波天线、中波天线、短波天线、和微波天线等。按频带特性:按频带特性:窄带天线、宽带天线和超宽带天线。窄带天线、宽带天线和超
3、宽带天线。按方向性:按方向性:全向天线、弱方向天线和锐方向天线等。全向天线、弱方向天线和锐方向天线等。按极化特性:按极化特性:线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线等。线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线等。按天线的性能:按天线的性能:线天线和面天线。线天线和面天线。天线的分类:天线的分类:线天线线天线是指由半径远小于波长的金属导线或金属棒所构成的天线,主要是指由半径远小于波长的金属导线或金属棒所构成的天线,主要用于长波、中波和短波波段,用于长波、中波和短波波段,面天线面天线是由物理尺寸大于波长的金属或介质面构成的天线。主要用于微波波是由物理尺寸大于波长的金属或介质面构成的天线。主要用于微波波段
4、段.现在学习的是第3页,共72页图图11-1 广播电视天线发射与接收示意图广播电视天线发射与接收示意图现在学习的是第4页,共72页图图11-2 卫星通信网络结构示意图卫星通信网络结构示意图现在学习的是第5页,共72页(a)细偶极子天线细偶极子天线 (b)圆环形天线圆环形天线 (c)抛物面反射天线抛物面反射天线 (d)喇叭天线喇叭天线 (e)微带天线微带天线 (f)天线阵天线阵图图11-3 各种类型的天线各种类型的天线现在学习的是第6页,共72页11.1 位函数波动方程的解位函数波动方程的解滞后位滞后位11.2 基本振子的辐射基本振子的辐射 11.3 天线的辐射特性天线的辐射特性11.4 对称振
5、子天线与天线阵的概念对称振子天线与天线阵的概念11.5*接收天线的有效面积接收天线的有效面积11.6*雷达的概念雷达的概念现在学习的是第7页,共72页10.1 位函数波动方程的解位函数波动方程的解滞后位滞后位达朗贝尔方程达朗贝尔方程 洛伦兹条件洛伦兹条件研究天线的理论基础研究天线的理论基础A A矢量磁位矢量磁位u u标量电位标量电位求解方法:求解方法:格林函数法格林函数法现在学习的是第8页,共72页球坐标系下球坐标系下除源点外的无界空间,除源点外的无界空间,设设定态情况定态情况现在学习的是第9页,共72页作变换作变换(仅需考虑向外发散的球面波仅需考虑向外发散的球面波)在静场下,点电荷在静场下,
6、点电荷(时变情况时变情况)这就是方程这就是方程 的解的解 现在学习的是第10页,共72页同理同理电荷电流产生的物理作用不是立即传至观察点,而是滞后电荷电流产生的物理作用不是立即传至观察点,而是滞后(推迟)(推迟)R/v 的时间,的时间,v是电磁作用在介质中的传播速度,所是电磁作用在介质中的传播速度,所以上述解也称之为以上述解也称之为滞后位滞后位或或推迟势推迟势。如果如果电电荷和荷和电电流随流随时间时间作作时谐变时谐变化化现在学习的是第11页,共72页11.2 基本振子的辐射基本振子的辐射11.2.1 电基本振子电基本振子 取近似取近似Rr,带入公式,带入公式 电基本振子也称为电基本振子也称为赫
7、兹偶极子赫兹偶极子或或电偶极子电偶极子,是一,是一段载有高频电流的电流元段载有高频电流的电流元 ,其长度,其长度远小于工作波长,如图所示。远小于工作波长,如图所示。图图11-5 电基本振子电基本振子zxyzO现在学习的是第12页,共72页在直角坐标下仅有在直角坐标下仅有z分量。分量。略去时间因子,并利用略去时间因子,并利用 ,在球坐标系下,在球坐标系下,现在学习的是第13页,共72页讨 论1近区场近区场(场点的距离场点的距离r远小于波长远小于波长的区域的区域)或或而而,仅取高次幂项,有,仅取高次幂项,有令令故称故称近区场为感应场近区场为感应场。现在学习的是第14页,共72页2远区场远区场(场点
8、的距离场点的距离r远大于波长远大于波长的区域的区域)或或取低次幂项,有取低次幂项,有令令则有则有远区场为辐射场远区场为辐射场现在学习的是第15页,共72页 补充:补充:辐射功率辐射功率球坐标系下:球坐标系下:现在学习的是第16页,共72页(4)场与场与 成正比,说明远区场具有方向性,成正比,说明远区场具有方向性,当当 和和 时,辐射场为零,也就是沿电基时,辐射场为零,也就是沿电基本振子轴向的辐射为零;本振子轴向的辐射为零;当当 时,辐射场最时,辐射场最大,即沿垂直于电基本振子轴向的方向辐射最大。大,即沿垂直于电基本振子轴向的方向辐射最大。电基本振子远区场辐射场特性:电基本振子远区场辐射场特性:
9、(1)成右手螺旋关系,成右手螺旋关系,与平面波的对应属性相同与平面波的对应属性相同。(2)电磁能量沿电磁能量沿r方向辐射。方向辐射。zxyzO(3)场随场随 r 增大而减小,具有球面增大而减小,具有球面波衰减特征。波衰减特征。现在学习的是第17页,共72页+-现在学习的是第18页,共72页 补充:补充:辐射电阻辐射电阻辐射功率辐射功率 辐射电阻低(因辐射电阻低(因l 远小于波长)远小于波长)电基本振子幅射出去的电磁能量既然不能返回波源,电基本振子幅射出去的电磁能量既然不能返回波源,因此对波源而言也是一种损耗。利用电路理论的概念,引入因此对波源而言也是一种损耗。利用电路理论的概念,引入一个等效电
10、阻一个等效电阻辐射电阻辐射电阻。辐辐射射电电阻阻是是一一个个等等效效电电阻阻。与与天天线线的的辐辐射射功功率率相相对对应应。是是天线辐射能力的体现。天线辐射能力的体现。现在学习的是第19页,共72页 补充例题补充例题 频率为频率为10 MHz 的功率源馈送给电偶极子的电流为的功率源馈送给电偶极子的电流为25 A,设电偶极子的长度为设电偶极子的长度为50 cm,试计算:,试计算:(1)赤道平面上离原点)赤道平面上离原点10 km 处的电场和磁场;处的电场和磁场;(2)r=10 km 处的平均功率密度处的平均功率密度;(3)辐射电阻。)辐射电阻。解解:(:(1 1)远区场远区场故故现在学习的是第2
11、0页,共72页(2 2)(3 3)现在学习的是第21页,共72页11.2.2 磁基本振子磁基本振子(不讲不讲)图图11-6 磁基本振子磁基本振子 磁基本振子也称为磁偶极子,是一个通有高频电流的小磁基本振子也称为磁偶极子,是一个通有高频电流的小圆环,小圆环的半径圆环,小圆环的半径a远小于波长远小于波长。设一磁基本振子如所示。设一磁基本振子如所示。省略省略时间时间因子,有因子,有 对对 取近似,有取近似,有则则 现在学习的是第22页,共72页式中式中S=a2r a现在学习的是第23页,共72页 与电基本振子的讨论相同,在远区场的情况下,与电基本振子的讨论相同,在远区场的情况下,讨 论令令则有则有现
12、在学习的是第24页,共72页(4)场与场与 成正比,说明远区场具有方向性,当成正比,说明远区场具有方向性,当 和和 时,辐射场为零,也就是沿磁基本振子轴向时,辐射场为零,也就是沿磁基本振子轴向的辐射为零;的辐射为零;当当 时,辐射场最大,即沿垂时,辐射场最大,即沿垂直于磁基本振子轴向的方向辐射最大。直于磁基本振子轴向的方向辐射最大。磁基本振子远区场辐射场特性:磁基本振子远区场辐射场特性:(1)成右手螺旋关系,成右手螺旋关系,与平面波的对应属性相同与平面波的对应属性相同。(2)电磁能量沿电磁能量沿r方向辐射。方向辐射。zxyzO(3)场随场随 r 增大而减小,具有球面波增大而减小,具有球面波衰减
13、特征。衰减特征。现在学习的是第25页,共72页11.3 天线的辐射特性天线的辐射特性 1天线的方向图和方向系数天线的方向图和方向系数任意方向功率密度同一距离辐射方向最强的功率密度振幅方向性因子振幅方向性因子功率方向图因子功率方向图因子电基本振子电基本振子 天线的的方向性是天线的重要特性之一。天线的的方向性是天线的重要特性之一。现在学习的是第26页,共72页按功率方向图因子画出的曲线称之为该按功率方向图因子画出的曲线称之为该天线的方向图天线的方向图.磁基本振子的方向图因子磁基本振子的方向图因子与电基本振子的方向图因子相同。但与电基本振子的方向图因子相同。但E E面方面方向图和向图和H H面方向图
14、正好相反,与磁基本振子轴相垂直的平面为面方向图正好相反,与磁基本振子轴相垂直的平面为E E面面(=/2/2),而包含磁基本振子轴的平面为),而包含磁基本振子轴的平面为H H面。面。(a)平面方向图平面方向图 (b)平面方向图平面方向图图图11-7 电基本振子的辐射波瓣图电基本振子的辐射波瓣图现在学习的是第27页,共72页28 电基本振子振幅方向性因子电基本振子振幅方向性因子 图图a 是是 E 面(电场矢量所在的,并包含最大辐射方面(电场矢量所在的,并包含最大辐射方向在内的平面)方向图;图向在内的平面)方向图;图b 是是 H 面(磁电场矢量所在的,面(磁电场矢量所在的,并包含最大辐射方向在内的平
15、面)方向图;图并包含最大辐射方向在内的平面)方向图;图 c 是立体方向是立体方向图。图。a az zyyx(a)(b)(c)现在学习的是第28页,共72页29实际天线的方向图要复杂得多,可能含多个波瓣,实际天线的方向图要复杂得多,可能含多个波瓣,如下图所示。如下图所示。主射方向主射方向主瓣主瓣后瓣后瓣副瓣副瓣零射方向零射方向零射方向零射方向1半功率点半功率点现在学习的是第29页,共72页表明表明电磁场在空间分布具有方向性电磁场在空间分布具有方向性。有方向性天线在最大辐射方向上某点的辐射功率有方向性天线在最大辐射方向上某点的辐射功率无方向性天线在同一点的辐射功率无方向性天线在同一点的辐射功率定义
16、定义 实际上,无方向性天线是不存在的,它不仅仅是为了便于比较而采用实际上,无方向性天线是不存在的,它不仅仅是为了便于比较而采用的理想模型,无方向性天线也称为的理想模型,无方向性天线也称为“点源点源”天线天线 。方向性系数方向性系数D定量描述定量描述辐射场能量在空间分布的集束程度辐射场能量在空间分布的集束程度。有方向性天线通过球面的总辐射功率为有方向性天线通过球面的总辐射功率为所以,理想的无方向性天线通过球面的辐射功率为所以,理想的无方向性天线通过球面的辐射功率为现在学习的是第30页,共72页又因为:又因为:所以,所以,可用分贝来表示方向性系数,可用分贝来表示方向性系数,某某天天线线的的方方向向
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