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第5章 电磁波辐射 8 1电流元的辐射8 2天线的电参数8 3电流环的辐射8 4缝隙的辐射8 5对称振子天线8 6天线阵 1 8 1电流元的辐射 一段载有均匀同相的时变电流的导线称为电流元 电流元的直径d远小于长度l 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 且相位相同 2 电流元产生的矢量位为 球坐标系中的 产生的磁场 3 求得 由麦克斯韦方程 其中 4 由于 可以认为上式中 又因电流仅具有z分量 即 因此 距离远小于波长 r 的区域称为远区 5 式 8 5a 与恒定电流元产生的磁场相同 考虑 式 8 5b 和式 8 5c 与电偶极子产生的静电场相同 所以可把时变电流元产生的近区场称为似稳场 另外 电场与磁场的相位差为 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 因此近区场又称为束缚场 6 远区场 因 式 8 3 和式 8 4 中的式中的高次项可以忽略 结果只剩下两个分量和 经整理后得 1 在远区 平均能流密度矢量 可见能流密度矢量的方向为传播方向r 这就表明 远区中只有不断向外辐射的能量 所以远区场又称为辐射场 7 2 远区场为向r方向传播的电磁波 电场及磁场均与传播方向r垂直 可见远区场为TEM波 电场与磁场的关系为 3 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TEM波 4 远区场的振幅不仅与距离有关 而且还与观察点的方位有关 即在离开电流元一定距离处 场强随角度变化的函数称为方向图函数 用表示 8 下面讨论电流元在远区产生的辐射功率 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 则电流元产生的总辐射功率为 当 可得 用一个电阻上的消耗功率来等效 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 9 8 2天线的电参数 1 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为天线的方向图函数 用表示 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上的方向图来表示 即E面方向图和H面方向图 E面是指电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面 H面是指磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面 对于上节提到的电流元 方向图为 10 图8 2b电流元H面方向图 11 图为某天线的方向图 它有很多波瓣 分别称为主瓣 副瓣和后瓣 其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣 其他波瓣统称为副瓣 把位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣 12 为了定量地描述主叶的宽窄程度 通常定义 场强为主射方向上场强振幅的倍的两个方向之间的夹角称为半功率角 以表示 两个零射方向之间的夹角称为零功率角 以表示 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功率密度之比的对数值 称为副瓣电平 用dB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第一副瓣电平 一般要求副瓣电平尽可能低 13 2 方向性系数 也可定义 有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时 无向天线所需辐射功率与有向天线的辐射功率之比值 即 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向性天线在同一点产生的功率密度之比 即 14 已知有向天线的辐射功率Pr为 式中S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 求得 由上式可以求得电流元的方向性系数为1 5 15 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Pr与输入功率之比称为天线的辐射效率 以 表示 即 3 辐射效率 16 4 增益系数 描述实际天线性能的另一个参数是增益 以G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 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天线的输入功率之比 17 8 3电流环的辐射 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a远小于波长 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 18 显然 在相应的球坐标系中 因结构对称于z轴 电流环的场强一定与角度 无关 为了简单起见 令观察点位于平面 已知线电流产生的矢量位为 根据几何关系以及时近似计算 求得 19 由此可见 电流环产生的电磁场为TE波 利用关系式 求得电流环产生的磁场为 再利用关系式 求得电流环产生的电场为 20 2020 1 7 21 对于实际中所感兴趣的远区场 因 则只剩下及两个分量 它们分别为 上式表明电流环产生的远区电场与磁场相互垂直 且与波的传播方向垂直 22 电流环的平均功率密度为 辐射功率为 辐射电阻为 23 8 4缝隙的辐射 如图所示 在无限大且无限薄的理想导体平面上开一个窄缝隙 缝隙的长度 宽度 当缝隙被激励后 会向外辐射电磁能量而形成一个辐射单元 24 在高频电源的激励下 缝隙中将会产生电场 缝隙相当于一个等效磁流元 其等效磁流密度为 也就是说 缝隙可以被等效为一个片状的沿轴放置的线磁流元 如图8 6所示 根据与全电流定律对偶的全磁流定律 可得等效磁流强度为 25 根据电流元的远区辐射场公式 8 6 和对偶原理 可得磁流元的辐射场为 得缝隙在半空间 缝隙在半空间的辐射场为上式的负值 26 8 5对称振子天线 对称天线是一根中心馈电的 长度可与波长相比拟的载流导线 如下图示 其电流分布以导线中点为对称 因此被称为对称振子天线 若导线直径d远小于波长 电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性 因为对称天线两端开路 电流为零 形成电流驻波的波节 电流驻波的波腹位置取决于对称天线的长度 27 设对称阵子天线的半长为L 在直角坐标系中沿z轴放置 中点位于坐标原点 则电流空间分布函数可以表示为 式中Im为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流 常数 对称阵子天线的电流分布为正弦驻波 对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的 这样 利用电流元的远区场公式即可直接计算天线的辐射场 28 已知电流元产生的远区电场强度应为 由于 可认为 在计算电流元至观察点的距离时 可近似认为 在计算电流元至观察点的相位差时 那么对称振子的远区电场为 29 2L 2 求得对称天线的方向性因子为 由此可见 对称天线的方向性因子与方位角 无关 仅为方位角 的函数 2L 2L 2 2L 3 2 几种长度的对称天线方向图如下图示 30 全长为半波长的对称天线称为半波天线 令 代入前式 求得半波天线方向性因子为 得半波天线的远区电场为 半波天线的辐射功率 31 半波天线的辐射电阻为 上式中的积分用数值方法求得其值约为1 218 那么半波天线的辐射电阻为 半波天线的方向性系数为 32 8 6天线阵 8 6 1方向图相乘原理 为了改善和控制天线的方向性 通常使用多个简单天线构成复合天线 这种复合天线称为天线阵 适当地设计各个单元天线的类型 数目 电流振幅及相位 单元天线的取向及间隔 可以形成所需的方向性 左图为一个二元阵 两天线至观察点的相位差 33 假设天线2与天线1之间的电流关系为 那么天线2的辐射波到达观察点P点时比天线1的辐射波到达P点时超前相位 第一项是两天线的波程差引起的 第二项是两天线的电流相对相位引起的 式中的表示天线阵轴线与平行射线之间的夹角 二元阵在观察点P产生的合成场强为 第一部分是天线1单独在观察点P产生的场强 第二部分称为阵因子 天线阵的方向图等于单元天线的方向图与阵因子方向图的乘积 称为方向图相乘原理 34 8 6 2均匀直线阵 所谓均匀直线式天线阵是指各单元天线以相同的取向和相等的间距排列成一直线 它们的馈电电流大小相等 而相位以相同的比例递增或递减 35 类似于二元阵 相邻两单元天线间的相位差为 观察点的合成电场强度为 利用等比级数求和公式 可得 为元均匀直线阵的阵因子 36 时各单元天线在观察点的电场同相叠加 得到最大值 由式 8 46 可求出阵因子达到最大值的角度 可见 阵因子的最大辐射方向取决于单元天线之间的电流相位差和间距 如果不考虑单元天线的方向性或单元天线的方向性很弱 那么天线阵的方向性主要决定于阵因子 若电源天线的电流相位差是可调的 那么天线阵的最大辐射方向也是可调的 这就是相控阵天线的工作原理 37 图8 12为间距的四元侧射式天线阵的阵因子方向图 若均匀直线阵各单元天线同相馈电时 即时 由式 8 46 得 由此可见 天线阵的最大辐射方向垂直于天线阵的轴线 即天线阵的最大辐射方向在天线阵轴线的两侧 所以称之为侧射式天线阵 38 图8 13为间距的八元端射式天线阵的阵因子方向图 若均匀直线阵各单元天线之间的电流相位差时 由式 8 46 得 天线阵的最大辐射方向在天线阵的轴线方向 称之为端射式天线阵 39 小结 1 利用滞后位可以计算电流元和电流环的辐射场 进而可以算出它们的辐射功率和辐射电阻 3 根据全磁流定律可以得到无限大理想导体平面上缝隙的等效磁流强度 再根据对偶原理可以计算出缝隙的辐射场 进而计算出其辐射功率和辐射电阻 2 描述天线性能的