电磁兼容基础05 高频场耦合(1)ppt课件

.,1,5.1自由空间的电磁辐射5.2电偶极子天线5.3磁偶极子天线5.4线天线5.5地平面的影响-镜像法5.6输入阻抗,第五讲高频场耦合(1),.,2,5.1自由空间的电磁辐射,电磁能量以波动的形式由源向空间传播的过程称为电磁辐射。描述电磁辐射的基本方程是maxwell方程组。直接求解maxwell方程组比较麻烦。引入动态位，可以简化求解过程。,1、动态位的引入,矢量动态位,标量动态位,.,3,5.1自由空间的电磁辐射,1、动态位的引入,.,4,5.1自由空间的电磁辐射,2、洛伦兹规范,不难验证，如果关于动态位的方程的解不具有唯一性，因为下式中的新的动态位也能满足上述方程。,为了使得动态的求解具有唯一性，我们强加一个条件，即,该式被称为洛伦兹规范。,.,5,5.1自由空间的电磁辐射,3、达朗贝尔方程,(达朗贝尔方程),达朗贝尔方程的特点：属于非齐次波动方程；电流与电荷量解耦；矢量动态位与标量动态位解耦；矢量动态位方程与标量动态位方程对称。,.,6,5.1自由空间的电磁辐射,4、达朗贝尔方程的求解方法-时变点电荷激励下的标量动态位,点电荷情况下的标量动态位方程,通解,特解,为电磁波速度,.,7,5.1自由空间的电磁辐射,5、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式,因达朗贝尔方程为线性方程,根据叠加定理，分布电荷产生的标量动态位为,类比可知，分布电流产生的矢量动态位为,.,8,5.1自由空间的电磁辐射,6、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式-时谐场情况的相量解,时域解:,同理:,其中:,为波数或相位常数,相量解,.,9,5.2电偶极子天线,又称电基本振子,指一段载有高频电流的线电流元,其长度远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。现实当中复杂天线可以被认为是由许多这样的电流元构成,因而单元辐射子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。,1、场表达式,.,10,5.2电偶极子天线,定义电场强度与磁场强度的横向分量之比为电偶极子的波阻抗，即,2、波阻抗,其中,称为介质的特性阻抗。对于自由空间而言，特性阻抗为,.,11,5.2电偶极子天线,一般将满足下述条件的区域称为近场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为近场,3、近场区,近场区场表达式,特点:,b)越靠近源,电场分量相对磁场分量越强。,c)在某一时刻电场与静电场中电偶极子产生的电场相似，磁场与恒定磁场中元电流产生的磁场相似，称之为似稳场。,a)电场分量与磁场分量相互垂直，相位差90度。,.,12,5.2电偶极子天线,4、远场区,远场表达式,特点:,一般将满足下述条件的区域称为远场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为远场,b)电场分量与磁场分量均与成反比,二者振幅比值恒定为:,a)电场分量与磁场分量相互垂直，同相位。,c)电场分量、磁场分量及传播方向三者互相垂直并成右手螺旋关系,.,13,5.2电偶极子天线,5、方向图,远场区，在以天线为球心的球面上，电场强度的振幅随角度和变化的函数，被称为天线的方向图函数f(,),电偶极子天线的方向图函数,.,14,5.2电偶极子天线,6、辐射功率和辐射电阻,天线的辐射功率Prad定义为，以包围了天线的闭合曲面上，计算从该曲面穿出去的电磁功率的平均值（即计算坡印廷矢量的平均值（或复坡印廷矢量的实部）在该闭合曲面的通量）。具体计算时，可以在远场区选取一个以天线为球心的球面，计算穿过该球面的电磁功率。此时，坡印廷矢量的方向与球面垂直。,在电偶极天线的远场区，复坡印廷矢量,辐射电阻Rrad定义为：天线馈入点的电流的平方与辐射电阻的乘积等于天线的辐射功率。,.,15,5.2电偶极子天线,Example1Aelectricdipolehasalengthof1cmandcarriesa1A,100MHzcurrent.Determinethemagnitudeandphaseoftheelectricandmagneticfieldsatadistanceof1000mawayandbroadsidetotheantenna(=90o),.,16,5.2电偶极子天线,Example2Themagnitudeofthefar-fieldelectricfieldofaelectricdipoleismeasuredatadistanceof100mas1mV/m.Determinethemagnitudeoftheelectricfieldat1000m,.,17,5.2电偶极子天线,Example3估算输电线路每公里长度的辐射功率,.,18,5.3磁偶极子天线,1、场表达式和波阻抗,又称磁基本振子,指一段载有高频电流的圆环形线导线，其直径远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。其实际模型是电小环形天线。,.,19,5.3磁偶极子天线,2、近场、远场及方向图,近场表达式,远场表达式,方向图与电偶极子天线,.,20,5.3磁偶极子天线,3、与电偶极子天线的比较,电偶极子,磁偶极子,近场,远场,波阻抗,方向图,场分布具有对偶性,波阻抗互为倒数,方向图相同,辐射电阻,.,21,5.3磁偶极子天线,3、与电偶极子天线的比较,电偶极子近场区电场分量占主，磁偶极子近场区磁场分量占主，远场区电场与磁场均平衡,.,22,5.4线天线,1、对称振子,电流分布,远场,方向图,辐射电阻,.,23,5.4线天线,2、天线阵,将若干天线按照一定的规则进行排列，就组成了天线阵。若天线阵中各个单元天线为线天线且类型和取向均相同，并以相等的间隔d排列在一条直线上，各线天线的电流振幅均为I，但相位依次滞后同一数值，那么这种天线阵称为均匀直线式天线阵,四元侧射式天线阵的方向图（d=/4）,八元端射式天线阵的方向图（d=/4）,.,24,5.5地平面的影响-镜像法,Thefigurebelowillustratessomesimplecurrentconfigurationsandtheirimagesinaperfectlyconductingplane.Theimagecurrentsflowingperpendiculartotheplanewillbeinthesamedirectionasthesourcecurrents.Theimagecurrentsflowingparalleltotheplaneareintheoppositedirectionofthesourcecurrents.Thissuggeststhatthefieldsfromcurrentsourcesparalleltoandneartheplanearedecreasedbytheplane,whilefieldsfromcurrentsourcesperpendiculartotheplaneareenhancedbytheplane.,.,25,5.5地平面的影响-镜像法,Half-wavedipolesmakegoodantennasformanyapplications,buttheyarelargeatlowfrequenciesandmaynotoperateasintendedclosetoalargemetalsurface.Aquarter-wavemonopoleissimplyhalfofahalf-wavedipoledrivenrelativetoalargemetalplaneasillustratedisFigure11.Thelowerhalfofthemonopolecanbemodeledastheimageoftheupperhalf.Thereforetheradiatingpropertiesofthequarter-wavemonopolearesimilartothoseofthehalf-wavedipole.Theinputimpedanceofaresonantquarter-wavemonopoleisexactlyhalfthatofaresonanthalf-wavedipoleorabout36ohms.,Quarter-WaveMonopoles（1/4波长单极天线）,Cablesdrivenrelativetolargemetallicenclosurescanoftenbemodeledasmonopoleantennas.Sinceresonantmonopoleantennasareveryefficientradiationsources,itisimportanttoensurethatvoltagesbetweencablesandenclosuresbeheldtoverysmallvaluesatfrequenciesthatmightbenearcableresonances.,.,26,5.5地平面的影响-镜像法,Atapproximatelywhatfrequencydoesa25-cmwireattachedtoalargemetalstructurelooklikeaquarter-wavemonopoleantenna?,Example4,Theexactanswerdependsontheorientationofthewire,thecrosssectionofthewire,thestructuressizeandshape,andotherfactors.However,25cmisaquarterwavelengthat300MHz.Thecableislikelytoresonateandbecomeanefficientantennanearthisfrequency.,.,27,5.6输入阻抗,(从天线的输入端口看进去，端口上的电压与电流的比值),(电源提供给天线的复功率),电源提供的功率分别转化为：辐射到空间的功率Prad，天线的有限导电性导致的欧姆损耗功率Pdiss，以及存储在天线近场区的无功功率Q（磁场能量与电场能量之差）。详细推导可借助于复坡印廷定理。,.,28,5.6输入阻抗,辐射电阻Rrad可以用天线的辐射功率（需要知道远场区场分布）计算；损耗电阻Rdiss可用天线上的电流分布及天线的电导率来计算；电抗Xin可以用天线近场区的场分布近场区磁场能量与电场能量差来表示（远场区二者之差为零）。对于电小尺寸的天线，其近场区的分布与其静态场分布是一致的。因此，可以用静态电路参数来估计其电抗Xin。例如，电偶极子天线在静态情况下显然是一个电容，而磁偶极天线在静态情况下则是一个电感。更一般的情况，需要获得天线上的精确电流分布，进而获得精确的场分布，有了电流分布和场分布，计算输入阻抗就没有了原则困难。当然，测试也是获得输入阻抗的有效