杨进 电磁波的辐射.pptx

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1、第十次第十次第八章第八章作业：作业：P.285P.2858-18-18-6 8-6 第二问不要第二问不要8-8(1)8-8(1)8-15 8-15 TETE波是波是H H波，又称为波，又称为H H模式模式8-16 8-16 TETE波是波是H H波，又称为波，又称为H H模式模式第1页/共60页第七章 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第2页/共60页天线的演变天线的演变第3页/共60页输入输入导导行行电电磁磁波波发射天线发射天线接收天线接收天线电磁波的传播电磁波的传播入射、反射、透射、绕射入射、反射、透射、绕射传输传输导导行行电电磁磁波波第

2、4页/共60页 由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线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，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。完成无线电波传输的全过程。第5页/共60页发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射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；到了天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收

3、端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经接收端，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，经历了电磁波的信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输传输、发发射射、传播传播、接收接收等过程。等过程。接收机接收机接收天线接收天线馈馈线线下行波下行波 发射机发射机发射天线发射天线馈馈线线导行波导行波第6页/共60页左左图图为为无无线线电电定定位位系系统统的的基基本本方方框框图图。发发射射天天线线和和接接收收天天线线常常合合用用一一副副天天线线，利利用用天天线线开开关关的的转转

4、换换作作用用，分分别别接接入入发发射射机机和和接接收收机机。当当天天线线与与发发射射机机接接通通时时，此此天天线线作作发发射射天天线线用用；当当天天线线与与接接收收机机接接通通时时，此此天天线线作作接接收收天天线线用。用。第7页/共60页拉杆天线第8页/共60页引向天线引向天线第9页/共60页第10页/共60页对数周期天线对数周期天线第11页/共60页微波接力天线微波接力天线3m3m微波接力通信天线微波接力通信天线第12页/共60页卡卡塞塞格格仑仑天天线线第13页/共60页MMDSA型微波天线型微波天线MMDSC型微波天线型微波天线第14页/共60页卫星接收天线卫星接收天线宽带全向天线宽带全向

5、天线第15页/共60页舰载对空搜索雷达天线舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线相控阵雷达天线第16页/共60页中国远中国远程相控程相控阵雷达阵雷达第17页/共60页俄罗斯新型有源俄罗斯新型有源相控阵雷达天线相控阵雷达天线俄军巨型雷达天线阵列俄军巨型雷达天线阵列第18页/共60页螺旋天线螺旋天线第19页/共60页微带天线微带天线第20页/共60页7.1 7.1 滞滞 后后 位位 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：第21页/共60页时变点电荷元 产生标量位 满足点电点电荷元荷元 观察点观察点 P P现求解在球坐标中在球坐标中，上

6、式变为，上式变为设 ，代入上式有第22页/共60页上式为一维波动方程，其解为 波源波源观察点观察点P P因为静点电荷元 的电位：由式(a)和(b)得时变点电荷元 产生的产生的标量位为（a)(b)(c)第23页/共60页同理，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。第24页/共60页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

7、：第25页/共60页将上式代入式式(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。第26页/共60页波源波源观察点观察点P P（3）由(2)式得正弦变化矢量位和标量位的复数形式：第27页/共60页7.2 电基本振子的辐射场 发射机时变电信号导线接地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。第28页/共60页7.2.17.2.1、电基本振子的电磁场计算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，

8、横截面积为S，因为短导线的体积dV=Sdl，故有 第29页/共60页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：第30页/共60页(1)将式(1)代入 得电场强度：(2)第31页/共60页7.2.2、电基本振子的电磁场分析 1.近区场 当kr 1 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）第35页/共60页 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

9、磁场与近区电磁场的分布不相同！第36页/共60页（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：第37页/共60页（3）场的振幅与r成反比，与I、dl/成正比，特别是场的振幅与电长度dl/有关。为媒质的波阻抗。第38页/共60页（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。第39页/共60页 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 第40页/共6

10、0页 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 第41页/共60页空气中的波阻抗 时间平均的辐射功率为（3）（2）空气中的空气中的辐射功率为第42页/共60页天天线线的的平平均均辐辐射射功功率率等等效效为为电电流流I I在在等等效效电电阻阻上上平平均均的的损损耗耗功功率率，该该等等效效电电阻阻称称为为辐辐射射电电阻阻。令令 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）第43页/共60页+-振荡电偶极子附近的

11、电磁场线第44页/共60页例1、计算长度dl/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 第45页/共60页 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：2LIdzIdzr7.5 对称线天线和天线阵的概念第46页/共60页不同长度对称振子上的电流分布图第47页/共60页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 ，故相位因子中取第48页/共60页可见：对称振

12、子的辐射场是TEM波，非均匀球面波，其方向性由 角来决定。（1）第49页/共60页半波振子：，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对称振子的未归一化未归一化方向性函数方向性函数：（2）第50页/共60页 仅与 有关，与 无关，即H 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 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）第51页/共60页E E面方程图。在 时，辐射最大，在 时，没有辐射。不同长度不同长度对称对称振子的振子的方方向图向图 第52页/共60页(2

13、)(2)对称振子的辐射功率和辐射电阻平均坡印廷矢量：平均坡印廷矢量：第53页/共60页半波振子的辐射功率和辐射电阻：辐射电阻：（4）辐射功率：第54页/共60页1.1.什么是天线阵？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。2.2.控制天线阵辐射的因素有哪些？控制天线阵辐射的因素有哪些？(1)阵元数目；(2)阵元排列方式；(3)阵元间距；(4)每个阵元的馈电电流的大小和相位。7.5.27.5.2、天线阵的概念天线阵的概念第55页/共60页例如，二元阵是由相隔一定距离的两个辐射元组成。纵向二元阵第56页/共60页 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单元的电流表示为第57页/共60页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：第58页/共60页该直线阵的方向性函数为：直线阵单元的方向性函数第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页