电磁能量辐射与天线ppt课件

8.1电磁辐射机理,假设导线通有的电流为,对长度为l的导线的时变电流，则,随时间变化的电荷、电流，激发起电磁能量向外传播-电磁波(电磁辐射)。影响：对于无线电通信、导航和雷达而言，电磁辐射极其重要，需要充分利用。由于电子设备的辐射泄漏，影响附近其它电子设备或系统的正常工作，则是一种有害的电磁干扰，需要尽力避免和消除。辐射源：以天线作为产生电磁波的辐射源。单元偶极子、线天线及天线阵的辐射。偶极子天线：单元偶极子作为基本的辐射单元，实际的线形天线可以看成由许多这种偶极子天线构成，天线所产生的电磁场可看成是这些偶极子天线所产生的电磁场的迭加。,1,一、天线的形成,以平行板电容器和长直载流螺线管为例可知,即增加电容器极板间距d，缩小极板面积S，减少线圈数n，就可达到上述目的，具体方式如图所示。,可见，开放的LC电路就是大家熟悉的天线！当有电荷（或电流）在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。,图5.6.1电偶极子天线的形成的演示,从LC电路的振荡频率式可知，要提高振荡频率、开放电路，就必须降低电路中的电容值和电感值。,8.2单元偶极子的电磁场,2,图5.6.5动态描述单元偶极子天线辐射形成的过程,二.电磁辐射的过程,当电偶极子p=qd以简谐方式振荡时向外辐射电磁波,图5.6.2电偶极子天线,3,设单元偶极子中的电流为,对应的相量表示形式,产生动态矢量位,即,分量：,磁场,视为点源，它产生的场具有圆柱对称性，用球坐标描述它的位置。,单元偶极子：长为l的一根载流导线，l。在l上面电流近似等值分布。,4,电场,表示单元偶极子到场点的距离r相当于总的相位移量。,式中各项分母中所含r的方次不同，在近距离内r方次高的项起主要作用，而在远距离处r方次低的项将起主要作用，因此，将单元偶极子的辐射电磁场分为近区场和远区场。,5,8.2.1单元偶极子的近区场,r相对低次项可忽略，,场方程简化为,式中：,在靠近电偶极子的区域,近区磁场与元电流段的恒定磁场相同；近区电场与电偶极子的静电场相同，单元偶极子所激发的近区场符合静态场的基本规律。,因为电场与磁场在相位上相差90o，平均坡印亭矢量为零，这意味着近区忽略了辐射，电场与磁场之间只存在能量交换，没有能量输出。近区场又称为感应场。,6,8.2.2单元偶极子的远区场,r低次项起主要作用，r的高次项可忽略,有能量沿径向朝四周辐射出去，常称远区场为辐射场。,（2）与在空间互相垂直，在时间上同相位，平均坡印亭矢量,7,（4）与之比为一常数，具有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，自由空间的波阻抗为,应说明的是：在近区并不是没有辐射场，只是辐射场在起始时所占份额很小，被比它大得多的感应场淹没了。但它随距离衰减得比感应场慢得多，到了一定距离之后，它就远远超过感应场而占据了主导地位。,（3）及与距离r成反比，比近区随距离的衰减慢得多。场量随r的增大而减小，即电磁波是以球面波形式向四周扩散，能量分布到更大的球面面积上。推迟效应不能忽略。,8.3单元偶极子的辐射功率和辐射电阻,单元偶极子向自由空间辐射的总功率是以单元偶极子为球心，半径为r的球面上坡印亭矢量的积分,8,因此,可见，单元偶极子的辐射功率随I和l的增加而增加，I和l不变，频率越高，辐射功率越大。,偶极子辐射的功率可看成为电阻中的损耗功率,单元偶极子的辐射电阻，表征了辐射电磁能量的能力，愈大辐射能力愈强。,(辐射电阻),9,例8-1频率f=10MHz的信号源馈送给电流有效值为2.5A的电偶极子。设电偶极子的长度l=50cm。（1）分别计算赤道平面上离原点0.5m和10km处的电场强度和磁场强度；（2）计算处的平均功率密度；（3）计算辐射电阻。,则,r=10km处的点属远场区，故,10,2）r10km处的平均功率密度,3）辐射电阻,8.4辐射的方向性与方向图,由式,当r为定值时，场量正比于sin，功率密度正比于sin2，这种场量随空间方向变化的特征，称为辐射的方向性，用方向函数f(,)描述。,11,按方向函数画的几何图形称为方向图。它直观地表示在不同方向、等距离的点处，辐射场的相对大小,为便于绘制方向图，定义场强振幅的归一化方向函数为,例如，单元偶极子的归一化方向函数为,12,实际天线的方向图通常要比上面的图复杂，会出现很多波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣，如图所示，此图表示某天线的方向图（E面）。,13,8.5线天线与天线阵,能向空间辐射和接收电磁波的装置称为天线，对称振子天线是一种得到广泛应用的简单线天线，它由两根相同长度和粗细的开路线状导体张开成而构成。,对称振子的长度可以与波长相比，其上的电流不是等幅同相位。当天线的馈电点加上时变电信号时，对称振子上电流最简单的近似表达式可取正弦分布,天线上任一小微元上的电流可视为常量，该微元可视为单元偶极子，于是整个对称振子天线可以看成多个首尾相联的单元偶极子的叠加。按单元偶极子辐射场，小段电流元Idl产生的电场,近似有,与自由空间的相位常数相等。,14,用r代替R，有,对称振子的辐射场,对称振子的辐射场也是球面波，方向函数为,它是的函数，也是振子半长度l的函数，即天线长度不同方向性也不同。,（）,15,由半波振子天线的方向图可以看出，半波振子与电偶极子的方向图十分接近，在E面上都有两个波瓣，但半波振子的波瓣宽度较小，辐射能量较集中，因此它比电偶极子方向性更好。,半波振子天线方向性仍是很弱的，适宜电视发射台、全方位通信等。但在雷达、微波通信等领域中，希望天线辐射的电磁能量集中在一个很小的立体角范围内传播。,为获得更强的方向性天线，利用波的干涉原理，将若干个半波振子排成一个阵列即天线阵，讨论最基本的二元天线阵。,16,因r1、r2远大于d，可认为r1、r2平行，但,即有波程差。在相位上，即使很小的距离差异，也可能引起相当明显的相位变化，于是振子2的场强可写成,设振子1上的电流为I1，振子2上的电流为,式中m是两电流的振幅比，是两电流的相位差。,两个几何结构相同的单元半波振子，平