七电磁波辐射.pptx

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1、七电磁波辐射七电磁波辐射第七章 电磁波的辐射 7.17.1、滞后位、滞后位7.27.2、电基本振子的辐射场、电基本振子的辐射场7.57.5、对称线天线和天线阵的概念、对称线天线和天线阵的概念 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第1页/共59页天线的演变天线的演变 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第2页/共59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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第3页/共59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

2、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。第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第4页/共59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；到了接收端，电磁波在接收天线上感生

3、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，经历了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发电磁波的传输、发射、传播、接收等过程射、传播、接收等过程。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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第5页/共59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

4、天线线开开关关的的转转换换作作用用，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。第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第6页/共59页拉杆天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第7页/共59页引向天线引向天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第8页/共59页 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第9页/共59页对数周期天线对数周期天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第10页/共59页微波接力

5、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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第11页/共59页卡卡塞塞格格仑仑天天线线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第12页/共59页MMDSA型微波天线型微波天线MMDSC型微波天线型微波天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第13页/共59页卫星接收天线卫星接收天线宽带全向天线宽带全向天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第14页/共59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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第15页/共59页中国远中国远程相控程相控阵雷达阵雷

6、达 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第16页/共59页俄罗斯新型有俄罗斯新型有源相控阵雷达源相控阵雷达天线天线俄军巨型雷达天线阵列俄军巨型雷达天线阵列 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第17页/共59页螺旋天线螺旋天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第18页/共59页微带天线微带天线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第19页/共59页7.1 7.1 滞滞 后后 位位 2 2、时变电磁场的滞后位积分形式、时变电磁场的滞后位积分形式 矢量位和标量位满足矢量位和标量位满足的达朗贝尔方程：的达朗贝尔方程：1 1、静态场的矢量位和标量位方程为、静态场的矢量位和标

7、量位方程为其解为：其解为：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第20页/共59页时变点电荷元时变点电荷元 产生产生标量位标量位 满足满足点电荷元点电荷元 观察点观察点 P P现求解现求解在球坐标中在球坐标中，上式变为，上式变为设设 ，代入上式有，代入上式有 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第21页/共59页上式为一维波动方程，其解为上式为一维波动方程，其解为 波波源源观察点观察点P P因为因为静点电荷静点电荷元元 的的电位：电位：由式由式(a)(a)和和(b)(b)得时变点电荷元得时变点电荷元 产生的产生的标量位为标量位为（a)a)(b)(b)(c)(c)第第7 7章章 电磁波

8、的辐射电磁波的辐射 第22页/共59页同理，同理，得时变体分布电荷源产生的矢量位：得时变体分布电荷源产生的矢量位：是滞后位是滞后位!式式(1)(1)表示：空间距源点表示：空间距源点 处处（1 1）时变电荷源以时变电荷源以 分布在体积分布在体积 V V内内，由式，由式(c)(c)得时变体分布电荷得时变体分布电荷源在场点源在场点P P产生的标量位为产生的标量位为的场点，在的场点，在某一时刻某一时刻 的的 是由较早是由较早时刻时刻 的场源所决定的的场源所决定的!第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第23页/共59页场源分布在有限范围内，场源分布在有限范围内，要求要求 时有时有 上式称为辐射条件

9、，对于矢量位亦有类似条件。上式称为辐射条件，对于矢量位亦有类似条件。3 3、谐变电磁场的滞后位积分形式、谐变电磁场的滞后位积分形式 电荷源作正弦变化：电荷源作正弦变化：电流源作正弦变化：电流源作正弦变化：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 （a a）第24页/共59页将式将式(a)(a)代入代入式式(1)(1)式得式得正弦变化矢量位正弦变化矢量位和和标量标量位的瞬时形式为位的瞬时形式为（2 2）式式(2)(2)表示：空间场点表示：空间场点R R处的处的 变化的相位较变化的相位较其源其源 落后落后 !是波源是波源 的的变化传递到观察点所用的时间变化传递到观察点所用的时间!第第7 7章章 电

10、磁波的辐射电磁波的辐射 第25页/共59页波源波源观察点观察点P P（3 3）由由(2)(2)式得式得正弦变化矢量位正弦变化矢量位和和标量位的复数形式：标量位的复数形式：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第26页/共59页7.2 .2 电基本振子的辐射场电基本振子的辐射场 发射机时发射机时变电信号变电信号导导线线接地接地电基本振子天线结构电基本振子天线结构赫兹电偶极子赫兹电偶极子高频电流的直导线，当导线高频电流的直导线，当导线长度远小于波长长度远小于波长时，时，称为称为电偶极子电偶极子。近似认为导线上。近似认为导线上每一点的电流都每一点的电流都是等幅同相的是等幅同相的。第第7 7章章

11、电磁波的辐射电磁波的辐射 第27页/共59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 取取载载流流为为I(t)I(t)的的短短导导线线，长长度度为为dldl，横横截截面面积积为为S S，因因为为短短导导线线的的体体积积dV=SdldV=Sdl，故故有有 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 电流元电流元第28页/共59页在球坐标系中在球坐标系中,矢量位的分量：矢量位的分量：电流元电流元在在P P点产生的点产生的矢量位（滞后位）为矢量位（滞后位）为将上面求得的将上面求得的矢量位矢量位代入下式的代入下式的磁场强度：磁场强度：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第

12、29页/共59页(1)(1)将式将式(1)(1)代入代入 得得电场强度：电场强度：(2)(2)第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第30页/共59页7.2.27.2.2、电基本振子的电磁场分析、电基本振子的电磁场分析 1.1.近区场近区场 当当kr 1 1时，时，即即r 1 1时时，r r /2/2，场场点点P P与与源源点点距距离离r r 远大于波长远大于波长的区域称为远区！的区域称为远区！在远区中在远区中 由由7.2.17.2.1节节式式(1)(1)和和(2)(2)的作的作上面远区近似得电磁场：上面远区近似得电磁场：2 2、远区场、远区场（2 2）第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的

13、辐射 第34页/共59页 远区电磁场的特性：远区电磁场的特性：（1 1）电场、磁场和）电场、磁场和传播方向相互垂直，传播方向相互垂直，横电磁波横电磁波(TEM(TEM波波)！电磁能量沿波传播方电磁能量沿波传播方向传播，称为辐射场。向传播，称为辐射场。远区电磁场与近区电磁场的分布不相同！远区电磁场与近区电磁场的分布不相同！第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第35页/共59页（2 2）电场与磁场的相位电场与磁场的相位相同，相同，等相位面是等相位面是r r为常为常数的球面！等相位面上数的球面！等相位面上E E、H H 振幅与振幅与 有关有关，所，所以以辐射场是非均匀球面辐射场是非均匀球面波！

14、波！平均坡印廷矢量：平均坡印廷矢量：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第36页/共59页（3 3）场的振幅与）场的振幅与r r成反比，成反比，与与I I、d dl l/成正比，特成正比，特别是场的振幅与电长度别是场的振幅与电长度dl dl/有关！有关！为媒质的为媒质的波阻抗波阻抗。第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第37页/共59页（4 4）场场的的方方向向性性：场场的的振振幅幅正正比比于于sinsin！在在垂垂直直于于天天线线轴轴(Z(Z轴轴)的的方方向向(=90)=90)，辐辐射射场场最最大大；平平行行天天线线轴轴(Z(Z轴轴)的的方方向向(=0)=0)，辐辐射射场场为为零

15、零。电电基基本本振振子子的的辐辐射射有有方方向向性性，方方向向性性是是天天线线的的一一个个主要特性主要特性。第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第38页/共59页 电基本振子的电基本振子的方向性函数为方向性函数为 立体方向图立体方向图面方向图面方向图 面方向图面方向图 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第39页/共59页 3.3.辐射功率和辐射电阻辐射功率和辐射电阻以电基本振子天线为球心，用一个半径为以电基本振子天线为球心，用一个半径为r r的的球面把它包围起来，球面把它包围起来，平均坡印廷矢量在球面上平均坡印廷矢量在球面上的积分值是天线辐射出的积分值是天线辐射出的功率的功率。平

16、均坡印廷。平均坡印廷矢量为矢量为 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第40页/共59页空气中的波阻抗空气中的波阻抗 时间平均的辐射功率时间平均的辐射功率为为（3 3）（2 2）空气中的空气中的辐射功率为辐射功率为 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第41页/共59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：辐射电阻是辐射电阻是天线的重要参数天线的重要参数，衡量天线的辐射能，衡量天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射功率越强。它仅力，

17、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。取决于天线的结构与工作波长。（4 4）第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第42页/共59页+-振荡电偶极子附近的电磁场线振荡电偶极子附近的电磁场线 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第43页/共59页例例1 1、计计算算长长度度d dl l/0 0=0.1=0.1的的电电基基本本振振子子，当当电流振幅值为电流振幅值为2 mA2 mA时的辐射电阻和辐射功率。时的辐射电阻和辐射功率。辐射功率为辐射功率为 解：解：辐射电阻辐射电阻 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第44页/共59页 线天线：天线的横截面线天线

18、：天线的横截面的半径的半径 7.5.1 7.5.1 对称振子天线对称振子天线1.1.对称振子的电流分布对称振子的电流分布和远和远 区场两段长度为区场两段长度为 的直导的直导 线，从线，从中间对称馈电中间对称馈电，构构 成对称振子。对称振成对称振子。对称振子上子上 的的电流对称分布电流对称分布为：为：2LIdzIdzr7.5 7.5 对称线天线和天线阵的概念对称线天线和天线阵的概念 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第45页/共59页不同长度对称不同长度对称振子振子上的电流分布上的电流分布图图 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第46页/共59页利用电基本振子的远区辐射电场公式：

19、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上、下对称的电流元的远区电场分别为：为：在在分母上分母上可取可取 ，但注意到，但注意到 ，涉，涉及到及到 ，故，故相位因子相位因子中取中取 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 上、下对称的电流元的远区合电场为：上、下对称的电流元的远区合电场为：第47页/共59页可见：对称振子的辐射场可见：对称振子的辐射场是是TEMTEM波，波，非均匀球面非均匀球面波，其方向性由波，其方向性由 角来决定！角来决定！（1 1）第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 对上式积分得对称电流的远区合电场为：对上式积分得对称电流的远区合电场为：第4

20、8页/共59页半波振子半波振子：，由，由(1)(1)式得其辐射场为式得其辐射场为2.2.对称振子的电参数对称振子的电参数 (1)(1)对称振子的方向图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 2）第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第49页/共59页 仅与仅与 有关，与有关，与 无关无关，即即H H面面的的方方向图向图(与天线垂直的平面与天线垂直的平面)是是圆圆，与对，与对称振子的称振子的电长度无关；电长度无关；E E面的方向图面的方向图关于关于 的平面对的平面对称，且方向图形状随电长度称，且方向图形状随电长度 变化。变化。对称振子的对称振子的归一化

21、归一化方向性函数方向性函数：半波振子的半波振子的归一化归一化方向性函数方向性函数为：为：（3 3）第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第50页/共59页E E面方程图。在面方程图。在 时，时，辐射最辐射最大大，在，在 时，时，没有辐射没有辐射。不同长度不同长度对称对称振子的振子的方方向图向图 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第51页/共59页(2)(2)对称振子的辐射功率和辐射电阻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：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第52页/共59页半波振子的辐射功率和辐射电半波振子的辐射功率和辐射电阻：阻：辐射电阻：辐射电阻：

22、（4 4）辐射功率：辐射功率：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第53页/共59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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第54页/共59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 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第55页/共59页 3.

23、3.均匀直线阵均匀直线阵 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。若第若第1 1单元的电流为单元的电流为 ，递增的相位值为递增的相位值为 ，则，则第第n n单元的电流表示为单元的电流表示为 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第56页/共59页N N元均匀直线阵的辐射场由元均匀直线阵的辐射场由N N个单元的个单元的辐射场叠辐射场叠加加获得，即获得，即均匀直线阵的阵因子方向性函数为：电场强度E的模：第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第57页/共59页该直线阵的方向性函数为：直线阵单元的方向性函数 第第7 7章章 电磁波的辐射电磁波的辐射 第58页/共59页