第七章电磁波的辐射要点.ppt

第十次第七章作业P.240：7-17-27-3,第7章电磁波的辐射,第十次第八章作业：P.2858-18-6第二问不要8-8(1)8-15TE波是H波，又称为H模式8-16TE波是H波，又称为H模式,第7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,天线的演变,第7章电磁波的辐射,输入,导行电磁波,发射天线,接收天线,电磁波的传播,入射、反射、透射、绕射,传输,导行电磁波,第7章电磁波的辐射,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，完成无线电波传输的全过程。,第7章电磁波的辐射,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，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。,馈线,第7章电磁波的辐射,左图为无线电定位系统的基本方框图。发射天线和接收天线常合用一副天线，利用天线开关的转换作用，分别接入发射机和接收机。当天线与发射机接通时，此天线作发射天线用；当天线与接收机接通时，此天线作接收天线用。,第7章电磁波的辐射,拉杆天线,第7章电磁波的辐射,引向天线,第7章电磁波的辐射,喇叭天线,第7章电磁波的辐射,对数周期天线,第7章电磁波的辐射,微波接力天线,3m微波接力通信天线,第7章电磁波的辐射,卡塞格仑天线,第7章电磁波的辐射,MMDSA型微波天线,MMDSC型微波天线,第7章电磁波的辐射,卫星接收天线,宽带全向天线,第7章电磁波的辐射,舰载对空搜索雷达天线,相控阵雷达天线,第7章电磁波的辐射,中国远程相控阵雷达,第7章电磁波的辐射,俄罗斯新型有源相控阵雷达天线,俄军巨型雷达天线阵列,第7章电磁波的辐射,螺旋天线,第7章电磁波的辐射,微带天线,第7章电磁波的辐射,7.1滞后位,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7章电磁波的辐射,时变点电荷元产生标量位满足,现求解,在球坐标中，上式变为,设，代入上式有,第7章电磁波的辐射,上式为一维波动方程，其解为,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标量位为,（a),(b),(c),第7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,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：,第7章电磁波的辐射,（a）,将式(a)代入式(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7章电磁波的辐射,（3）,由(2)式得正弦变化矢量位和标量位的复数形式：,第7章电磁波的辐射,7.2电基本振子的辐射场,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7章电磁波的辐射,7.2.1、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，横截面积为S，因为短导线的体积dV=Sdl，故有,第7章电磁波的辐射,电流元,在球坐标系中,矢量位的分量：,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7章电磁波的辐射,(1),将式(1)代入得电场强度：,(2),第7章电磁波的辐射,7.2.2、电基本振子的电磁场分析,1.近区场,当kr1时，即r1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节式(1)和(2)的作上面远区近似得电磁场：,2、远区场,（2）,第7章电磁波的辐射,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。,远区电磁场与近区电磁场的分布不相同！,第7章电磁波的辐射,（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7章电磁波的辐射,（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7章电磁波的辐射,（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7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,空气中的波阻抗,时间平均的辐射功率为,（3）,（2）,空气中的辐射功率为,第7章电磁波的辐射,天线的平均辐射功率等效为电流I在等效电阻上平均的损耗功率，该等效电阻称为辐射电阻。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7章电磁波的辐射,振荡电偶极子附近的电磁场线,第7章电磁波的辐射,例1、计算长度dl/0=0.1的电基本振子，当电流振幅值为2mA时的辐射电阻和辐射功率。,辐射功率为,解：辐射电阻,第7章电磁波的辐射,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：,2L,Idz,Idz,r,7.5对称线天线和天线阵的概念,第7章电磁波的辐射,不同长度对称振子上的电流分布图,第7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,上、下对称的电流元的远区合电场为：,可见：对称振子的辐射场是TEM波，非均匀球面波，其方向性由角来决定！,（1）,第7章电磁波的辐射,对上式积分得对称电流的远区合电场为：,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,对称振子的未归一化方向性函数：,（2）,第7章电磁波的辐射,仅与有关，与无关，即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7章电磁波的辐射,E面方程图。在时，辐射最大，在时，没有辐射。,不同长度对称振子的方向图,第7章电磁波的辐射,(2)对称振子的辐射功率和辐射电阻,平均坡印廷矢量：,第7章电磁波的辐射,半波振子的辐射功率和辐射电阻：,辐射电阻：,（4）,辐射功率：,第7章电磁波的辐射,1.什么是天线阵？,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.控制天线阵辐射的因素有哪些？,阵元数目；阵元排列方式；阵元间距；每个阵元的馈电电流的大小和相位。,7.5.2、天线阵的概念,第7章电磁波的辐射,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7章电磁波的辐射,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。