《電磁場(chǎng)與電磁波-電磁波的輻射.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電磁場(chǎng)與電磁波-電磁波的輻射.ppt（46頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第8章 電磁波的輻射,一、輻射的基本概念,二、滯后位,三、電偶極子的輻射,四、磁偶極子的輻射,五、對(duì)稱振子天線的輻射,六、 天線陣的輻射,1. 什么是輻射？ 輻射：隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)離開(kāi)波源向空 間傳播的現(xiàn)象。 產(chǎn)生輻射的源稱為天線。 2. 輻射產(chǎn)生的必要條件 （1）時(shí)變?cè)创嬖凇?（2）源電路是開(kāi)放的。 3. 影響輻射強(qiáng)弱的原因 （1）源電路尺寸與輻射波的波長(zhǎng)相比擬時(shí) 輻射較為明顯。 （2）源電路越開(kāi)放，輻射就越強(qiáng)。,一、輻射的基本概念,赫茲實(shí)驗(yàn),電偶極子的輻射演示,雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)演示,二、滯后位,2. 在時(shí)變場(chǎng)情況下，動(dòng)態(tài)矢量位和動(dòng)態(tài)標(biāo)量位滿足的方程,1. 在靜態(tài)場(chǎng)情況下，矢量位和
2、標(biāo)量位方程為,其解為:,,,麥克斯韋方程：,,,,,,,,,,,,,,,,,,得：,已知：,,,,,對(duì)于正弦時(shí)變場(chǎng)，時(shí)間因子為：,令：,利用矢量恒等式：,,,,洛侖茲規(guī)范：,,,,同理：,達(dá)朗貝爾方程,,方程的解為：,,3. 由 和 的表示式可知, 場(chǎng)點(diǎn)R處的 和 變化的相位較其源 和 落后 。, 該相位用時(shí)間表示：,式中 就是波源 或 的變化傳遞到觀察點(diǎn)所需要的時(shí)間。,距離波源R處在t 時(shí)刻 和 由前一時(shí)刻 的電流 和電荷密度 的值決定。因此將 和 稱為滯后位。,三、電偶極子的輻射,1. 什么是電偶極子？,一段通有高頻電流的直導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)
3、，該導(dǎo)線被稱為電偶極子。,當(dāng)： , 可近似地認(rèn)為導(dǎo)線上每一點(diǎn)的電流都是等幅同相的。,2. 電偶極子的輻射場(chǎng),,（1）電偶極子的滯后位,,,,,,在球坐標(biāo)系,,,,,,,,,,,,磁場(chǎng)由：,得:,（2）電偶極子的電磁場(chǎng),電場(chǎng)由：,得:,,,,（3）近區(qū)場(chǎng),在靠近電偶極子的區(qū)域，當(dāng) 。此時(shí)， ，則電磁場(chǎng)可近似為,可見(jiàn)：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位相差 ，因此能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互交換而平均坡印廷矢量為零，該區(qū)域的場(chǎng)稱為感應(yīng)場(chǎng)。,若將 代入上式,,,,得:,,此結(jié)果與電偶極子的靜電場(chǎng)分量相似。,,,感應(yīng)場(chǎng),（4）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng),電場(chǎng)和磁場(chǎng)與 成反比；,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位相同；,電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間相互垂
4、直，其比值等于媒質(zhì)的本征阻抗;,平均坡印廷矢量:,上式表明有能量向外輻射，說(shuō)明一個(gè)做時(shí)諧震蕩的電流元可以輻射電磁波。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱為輻射場(chǎng)。,在遠(yuǎn)離電偶極子的區(qū)域，當(dāng) ， , 此時(shí)電磁場(chǎng)可近似為:,可見(jiàn)：,輻射場(chǎng),,電偶極子的方向圖,3. 方向性函數(shù)和方向圖,（1）方向性函數(shù)：場(chǎng)量隨方向變化的函數(shù)稱為天線的方向性 函數(shù)。,歸一化方向性函數(shù) 定義為：,顯然，電偶極子的方向性函數(shù)為：,（2）方向圖：根據(jù)方向性函數(shù)畫(huà)出的圖形稱為方向圖。,將 用極坐標(biāo)畫(huà)出來(lái)。,,,,,E 面方向圖,H 面方向圖,如果用一個(gè)大的球面將天線包圍起來(lái)，則從天線輻射出來(lái)的能量必然全部通過(guò)
5、這個(gè)球面。,4、輻射功率,天線的總輻射功率為：,其中：,所以：,,由此假設(shè)：,已知：,5. 輻射電阻,將天線的輻射功率視為電流 I 在一等效電阻上的損耗功率，則該等效電阻稱為輻射電阻。,可見(jiàn)：輻射電阻表示天線的輻射能力，輻射電阻越大，天線的輻射功率越強(qiáng)。,,,當(dāng)點(diǎn)源天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)與實(shí)際天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，點(diǎn)源天線的輻射功率與實(shí)際天線的輻射功率之比為方向性系數(shù)。,由此得：,6. 方向性系數(shù),方向性系數(shù)表示為：,對(duì)點(diǎn)源天線輻射而言:,而：,點(diǎn)源天線的總輻射功率,實(shí)際天線的總輻射功率,,,,其中：,,,點(diǎn)源天線,,實(shí)際天線,,7. 半功率波瓣寬度,輻射功率等于最大輻射功率一半時(shí)的兩個(gè)方
6、向之間的夾角。,方向性系數(shù)又可表示為：,在相同的輻射功率下，實(shí)際天線產(chǎn)生的最大輻射場(chǎng)強(qiáng) 與點(diǎn)源天線的輻射場(chǎng)強(qiáng) 之比。,對(duì)電偶極子輻射而言:,故半功率波瓣寬度為：,,方向性系數(shù)的另一種定義為：,,,,點(diǎn)源天線,實(shí)際天線,,,一、輻射的基本概念,二、滯后位,三、電偶極子的輻射,第8章 電磁波的輻射,回顧：,1. 什么是輻射？,2. 輻射產(chǎn)生的必要條件,3. 影響輻射強(qiáng)弱的原因,達(dá)朗貝爾 方程,,,2. 輻射場(chǎng)：,平均坡印廷矢量：,,1. 什么是電偶極子？,3. 方向性函數(shù)為：,4. 輻射功率：,5. 輻射電阻：,E 面方向圖,H 面方向圖,6. 方向性系數(shù)：,7. 半功率波瓣寬度：,,,,點(diǎn)源天
7、線,,電偶極子,,,四、磁偶極子的輻射,1. 什么是磁偶極子？,一個(gè)通有高頻電流的小電流環(huán)的等效模型稱為磁偶極子。,磁偶極子是根據(jù)電磁對(duì)偶性派生出來(lái)的概念。,2. 對(duì)偶原理的應(yīng)用,麥克斯韋爾方程：,,引入磁荷和磁流的概念之后，磁場(chǎng)各物理量就和電場(chǎng)各物理量一一對(duì)應(yīng)起來(lái)了。,,下標(biāo)m表示磁量，e 表示電量。,磁流密度,磁荷密度,,,,,,,,,,,只有電流源存在時(shí),對(duì)偶量：,只有磁流源存在時(shí),,,,,,,已知：電偶極子的輻射場(chǎng)為,由對(duì)偶原理得出：磁偶極子的輻射場(chǎng),,,,,,,,,,,,磁流源,可見(jiàn)：利用對(duì)偶原理求解電磁學(xué)的一些問(wèn)題，可大大簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程。,4. 方向性函數(shù)為：,5. 輻射功率：,6.
8、 輻射電阻：,H 面方向圖,E 面方向圖,7. 方向性系數(shù)：,8. 半功率波瓣寬度：,3. 磁偶極子的輻射場(chǎng),,五、對(duì)稱振子天線的輻射,1. 什么是對(duì)稱振子？,兩段長(zhǎng)度為 的直導(dǎo)線，從中間對(duì)稱饋電，就構(gòu)成對(duì)稱振子。,如圖所示:,對(duì)稱振子上的電流分布為：,,,在振子上取一小段dz ，將其視為電偶極子，其輻射場(chǎng)為：,2. 對(duì)稱振子的輻射場(chǎng),該對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)就是整個(gè)振子長(zhǎng)度上的積分:,因?yàn)椋?,輻射電場(chǎng)為：,,,在分母上,在指數(shù)上,,,,,,對(duì)稱振子的輻射磁場(chǎng)：,,3. 對(duì)稱振子的方向性函數(shù)：,不同長(zhǎng)度振子的方向圖：,4. 半波振子的輻射場(chǎng),(2)半波振子的方向性函數(shù)：,已知：對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)：,
9、將 代入上式，得：,,,E 面方向圖,(1)半波振子的輻射場(chǎng),(4)半波振子的總輻射功率：,(5)輻射電阻：,(6)方向性系數(shù)：,(7)半功率波瓣寬度：,E 面方向圖,,,(3)半波振子的平均坡印廷矢量：,六、 天線陣的輻射,1. 什么是天線陣？,由若干個(gè)輻射單元以各種形式（如直線、圓環(huán)、三角和平面等）在空間排列組成的天線系統(tǒng)稱為天線陣。,2. 控制天線陣輻射的因素有哪些？,陣元數(shù)目； 陣元排列方式； 陣元間距； 每個(gè)陣元的饋電電流的大小和相位。,3. 二元陣的輻射場(chǎng),(a) 縱向二元陣,(b) 橫向二元陣,二元陣是由相隔一定距離的兩個(gè)輻射元組成。,,,兩單元的輻射電場(chǎng)分別為 ：,（1）
10、縱向等幅二元陣：,,,,單元輻射電場(chǎng)的幅值,,單元的方向性函數(shù),,該二元陣的輻射電場(chǎng)：,其中：,(a) 縱向二元陣,遠(yuǎn)區(qū)情況：,同理，兩單元的輻射電場(chǎng)分別為 ：,（2）橫向等幅二元陣：,遠(yuǎn)區(qū)情況：,該二元陣的輻射電場(chǎng)：,其中：,,,,(b) 橫向二元陣,N M,,,所以：,比較這兩種二元陣，其輻射場(chǎng)的表達(dá)式形式相同，不同的是兩陣元的相位差表示式不一樣。,例：一個(gè)長(zhǎng)度為 的電偶極子，其上電流為 ，將它平行地放置于一個(gè)無(wú)限大導(dǎo)電平板前，和板的距離為 ，如圖所示，求輻射方向圖。,解：由于電偶極子置于無(wú)限大導(dǎo)電平板前，用其鏡像法，鏡像電流與源電流等幅反相，因此構(gòu)成了等幅反相饋電的二元陣,,饋電
11、電流分別為：,兩個(gè)陣元輻射場(chǎng)疊加為：,其中：,,,在分母中將 代入，得：,式中：,(1)在xOy平面的方向圖，,此時(shí)方向圖由陣因子確定,,已知：,,其方向圖如圖所示。,故方向性函數(shù)為:,(2)在xOz平面的方向圖，,,,4. 均勻直線陣,直線陣：由N 個(gè)相同的單元天線等間距地排列在一條直線上 構(gòu)成。,均勻直線陣: 若各單元上的饋電電流大小相同，而相位沿線均 勻遞增或遞減，這樣的直線陣稱為均勻直線陣。,如圖所示:,N元直線陣,若第1單元的電流為 ， 遞增的相位值為 ， 則第n單元的電流可表示為,,N元均勻直線陣的輻射場(chǎng)由N個(gè)單元的輻射場(chǎng)疊加獲得，即,,,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)而言， 關(guān)系為：,若令：,則輻射場(chǎng)：,,,,均勻直線陣的歸一化陣因子為：,該直線陣的方向性函數(shù)為：,,,,,（1）若N=10各單元饋電電流等幅同相，單元間距為,方向性函數(shù)為:,在H平面內(nèi):,方向圖：,在E平面內(nèi)：,,,方向圖：,,（2）當(dāng)該均勻直線陣的參數(shù)為：,方向性函數(shù)為：,其中：,在H平面內(nèi)：,在E平面內(nèi):,,,,,拉桿天線,引向天線,,喇叭天線,微帶天線,衛(wèi)星接收天線,寬帶全向天線,3m微波接力通信天線,中國(guó)遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá),艦載對(duì)空搜索雷達(dá)天線,相控陣?yán)走_(dá)天線,螺旋天線,俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線,俄軍巨型雷達(dá)天線陣列,,
電磁場(chǎng)與電磁波-電磁波的輻射.ppt
