第九章 电磁波辐射

。第九章电磁波辐射。产生电磁波的振荡源通常是天线。随着振荡源频率的增加，当电磁波的波长与天线尺寸相当时，会产生大量辐射。至于天线，我们关心它的辐射场强度、方向性、辐射功率和效率。天线类型可分为线天线和面天线。本章从磁滞电势的概念出发，求解元件电流的辐射场。然后利用叠加原理解决线天线和阵列天线的辐射问题。嘿。9.1滞后位，第6章介绍的动态矢量位和动态标量位，在洛伦兹条件下，其方程为，相应的场量计算公式，对于正弦时变场，其中，从和的表达式来看，场点r的和变化的相位低于其来源和滞后。距离波源r在时间t，并由较早时间(t-t)的电流和电荷密度值决定。因此，总和称为迟滞位。电偶极子的辐射，它是一种基本的辐射元素。线性电流元件的长度比波长小得多，并且在线电流是均匀的并且具有相同的相位。如图9.2.1所示，电流元素是已知的，因此获得了电偶极子的矢势和相应的电磁场。以上是电偶极子的电磁场，整个表达式非常复杂。接下来，在电偶极子附近的区域分别讨论了近场和远场，即第一场和近场。此时，电偶极子的电磁场可以近似为，这表明在恒定磁场中，近区的磁场分布与毕奥-萨伐尔公式完全相同。结果与由正电荷和负电荷之间的距离D1形成的偶极子的静电场分量完全相同。这表明电流元件在近场中等效于电偶极子。在远离电偶极子的区域。这时，电偶极子的电磁场可以近似为：电场和磁场成正比；电场和磁场的相位是相同的。电场和磁场在空间上相互垂直，它们的比值等于介质的固有阻抗。坡印亭矢量的模式为。上述公式表明能量向外辐射，表明在时间谐波中振荡的电流元件可以辐射电磁波。能够辐射电磁波的装置称为天线，上述电流元件也称为元天线。当r不变时，电磁场的强度会变化。场随角度变化的函数称为天线方向图因子。单元天线的模式因子是，它将在极坐标中绘制。如果单元天线被一个大的球面包围，并且单元天线位于球面的中心，那么天线辐射的能量必须全部通过球面。天线的总辐射功率设置为，如果，垂直于天线轴的辐射功率相对集中。沿着天线轴的辐射非常小。理想的点源天线是一种没有方向性的天线，它的辐射方向图是一个球体，即所有方向的辐射强度相等。相等的辐射功率，方向性系数也可以定义为，相等的电场强度，例9.2.1求出单元天线的方向性系数，并根据公式(9.2.11)求解单元天线的电场强度，其最大辐射方向为，然后，为了产生如此大的电场强度，点源天线辐射的总功率是，而元件天线的辐射功率是，因此，在产生垂直于天线轴的相等电场强度的条件下，元件天线的总辐射功率比点源天线的总辐射功率小1.5倍。如果两个天线的效率都是100%，元天线所需的输入功率比点源天线所需的输入功率小1.5倍。换句话说，在相同的辐射功率下，单元天线在垂直于天线轴的方向上产生的电场强度是点源天线在该方向上产生的电场强度的两倍点p的矢量磁势为。9.3电和磁的二重性。在引入磁荷和磁流的概念后，磁场的每个物理量都一一对应于电场的每个物理量。麦克斯韦方程和许多场量方程以对称形式出现，下标m表示磁量，e表示电量。磁电流密度，磁荷密度，假设，有，对应于矢量磁势的矢量势；而标量磁势对应于标量磁势。当电源量和磁源量同时存在时，总的场量应为它们分别产生的场量、界面上的电流表面密度和界面上的磁电流表面密度之和。根据上述供电量和磁源量之间的对偶关系，可以得到它们之间的交换规律：即如何从一组供电量公式中得到其磁源量的对偶公式，反之亦然。根据交换原理，磁偶极子的远场辐射场由电偶极子和开槽天线的辐射场获得。因此，可以看出磁偶极子的方向图与电偶极子的方向图相同，区别仅在于电场和磁场的交换。开槽天线，电场线处处垂直于a-a平面。可以在不改变电场线分布的情况下将理想的金属板放置在表面上。现在假设磁偶极子被拉出，磁偶极子表面上的纵向磁流被由此产生的凹槽上施加的横向电场代替。当磁偶极子两端的电场为零且理想金属板短路时，空间中的电场线分布不会改变，从而形成缝隙天线。在无限大的理想金属板上，缝隙天线的方向图与无限空间中面积与缝隙(缝隙天线的互补天线)相同的金属板天线的方向图相同。区别在于(1)电场和磁场的交换；(2)开槽天线在金属板的两侧具有不连续的场。它们大小相等，方向相反。相应的模式如下。此时，互补天线的激励方向不同于开槽天线的激励方向。结论：开槽天线的磁场可以通过将互补天线的电场除以其所在介质的固有阻抗来获得。开槽天线的电场可以通过将互补天线的磁场乘以其所在介质的固有阻抗来获得。通过将光学Babinet原理推广到电磁学，可以证明缝隙天线可以用它们的互补天线来解决。平面B(吸收屏后面的任何一点)的场量，从巴比涅原理出发，平面B上同一点的场量：光学巴比涅原理扩展到电磁学。理想的导电平板屏幕，其互补屏幕是理想的磁导电平板，是从巴比涅原理导出的，并且在数值上，它将被认为是电子屏幕的入射场和散射场的叠加结果，即，通过电磁对偶性的交换原理，天线阵列由(9.4.7)形成，右侧，右侧=左侧，并且同样地，9.5天线阵列和多个天线被放在一起。这个天线阵的方向图可以通过叠加每个天线的方向图来获得。天线阵的方向图与每个天线的类型和方向以及天线上电流的大小和相位有关。调整天线之间的相对位置和电流关系，以获得各种形状的方向图。对于二元天线阵列，当观测点远离天线时，两个天线与p点之间的距离计算公式为：两个天线与p点之间的相位差计算公式为：如果两个天线电流之间的关系被设置为，当到达p点时，天线1的辐射波在相位上领先于天线0的辐射波。如果天线0在p点产生的场强设置为，则天线1在p点产生的场强设置为。如在N元均匀线性天线阵列中所示，两个相邻天线之间的距离为D，电流相位差为，天线1辐射的电磁波在天线0辐射的电磁波之前，天线2辐射的电磁波在天线0辐射的电磁波之前，天线3辐射的电磁波在天线0辐射的电磁波之前，天线N-1辐射的电磁波在天线0辐射的电磁波之前，数组因子的最大值可以从。观测点p的合成场强是，这里，然后，这里，n元均匀线性天线阵列的阵列因子，为了讨论天线阵列的最大辐射方向，必须找到阵列因子的最大值，当均匀线性天线阵列的电流同相时，最大辐射条件，即和的方向，即天线阵列在垂直于天线轴的方向上具有最大辐射。因为在天线轴的两侧都有最大的辐射，所以它也被称为侧面发射天线阵列。天线之间