6 电磁波的辐射1.ppt

1、第六章电磁波辐射作为信息的载体，应用于通信、广播、电视、电磁波，作为探索未知物质世界的手段，应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控，研究和设计能满足各种应用要求的电磁波，一种能量存在形式，时变电流或加速电荷将电磁波辐射到空间，主要内容：电磁波辐射及其计算公式；电磁波辐射基本单位的辐射特性：天线的一般概念和主要参数：广义麦克斯韦方程及其应用：雷达概念及其工作原理：6.1辐射场及其计算公式；电荷和电流；电磁场分布；电磁场；整体的源和边界条件；1电磁场计算公式；全球定位系统卫星天线系统；为了突出电磁场辐射的本质，假设无界自由空间区域V中存在随时间谐振变化的电流和电荷，空间中激发的随时间谐振变化的电磁场可

2、以用势函数法得到。对于辐射问题，场点远离源区，由源激发的电场可以用它与磁场的关系来计算。利用球坐标系，源激励电磁场的计算公式为：源在空间激励的电磁场由两部分组成：一部分是电荷和电流源直接激励的电磁场，与电荷和电流的分布有关。另一种是变化的电场和磁场相互激发产生的电磁场，它与电场和磁场的时间变化率有关。总电磁场、源激励的电磁场、相互激励的电磁场，静态电磁场特征场量与r 2成反比，而不能有静态电磁场特征场量只能与R成反比，2三个区域的电磁场及其特征三个标度概念：源区域的标度：电磁波的波长：从场点到原点的距离，由磁矢势计算的磁场必须有静态场的特征。因此，在震源区附近，由震源激发的电磁场可以用静态电磁

3、场方法计算。这也意味着在源区域附近，由源直接产生的静态电磁场比由电磁场的相互激励产生的电磁场大得多。场量与r2成反比，场点和源区之间的距离约为一个波长的量级。在这个范围内，由源直接产生的场和由变化的电磁场的相互激励产生的电磁场同时共存，这在量值上是相等的。在这个区域，由两个变化的电磁场的相互激发形成的电磁波以电磁波的形式辐射源的能量。与此同时，有一个静态场，它不会向外辐射，并且由源提供的一部分能量存储在空间中。这个区域被称为感应区。场点远离震源区。因为由源直接激发的电磁场与r2成反比，所以由源直接激发的静态场比由该区域中电磁场的相互激发形成的电磁场小得多。电磁场主要以波的形式辐射源的能量。这个

4、区域被称为远场区，或辐射区。场量只能与R成反比.磁矢势的多极矩展开法首先分析了磁矢势被积函数中各因子对势函数的贡献。误差的大小是由振幅项和相位项的微小变化引起的。结论：远场区(R大)振幅的微小变化对最终结果影响不大，而相位项的微小变化对结果影响较大。因此，在磁矢势中，振幅因子用零阶近似，相位因子用一阶近似，我们得到天线通过其上的时变电流激发空间中不断变化的电磁场，从而辐射电磁波。发射器(时变电信号)、导体上电流的幅度和相位分布是不均匀和时变的，并且接地连接到偶极天线结构。作为近似处理，假设导体元件上的电流只有Z分量，其分布函数为：根据电流连续性原理，在电偶极子天线的两端，根据电荷和电流的关系，

5、假设2个电偶极子天线的电磁场位于自由空间的坐标原点，其磁矢势为：近场电磁场区域、电磁场的相位差为一个虚数。从近场电磁场的表达式可以看出，电场和磁场之间的相位差始终保持不变。因此，在源区域附近，电磁场的特征是静态电磁场。这是电偶极子的静电场和恒流元件的磁场。因此，尽管电偶极子上的电流是时变的，但它在近区激发的电磁场仍然具有静态电磁场的特性。这表明在电偶极子附近，时变电磁场之间的相互激励产生了具有波动特性的电磁场，这比没有由电荷和电流直接激励的波动特性的静态场小得多。远区辐射场及其特征位于远区。它的电磁场的结果是，它是一个与近区性质完全不同的电磁场。远区辐射场具有以下特征：电磁场的瞬时表达式是其等

6、相平面方程是球面的，其方程是：在等相平面上，电场和磁场具有相同的振幅，相位是相同的常数，它们是径向向外传播的球面波。波在空间中的传播速度是：电磁波在空间传播方向上既没有电场分量，也没有磁场分量。电场、磁场和传播方向相互垂直，这意味着瞬变电磁法是在垂直于传播方向的平面上。电场或磁场矢量端的轨迹是一条直线，是线性极化(极化)的地面电磁波。电偶极子远区的辐射场是定向的。在半径相同的球面上，不同方向的辐射场强度随方向的不同而不同，因此电偶极子的远场是一种不均匀的球面波。场强随方向变化的曲线(归一化):天线辐射场的归一化方向图，为什么电偶极子的轴方向没有电磁波辐射？根据坡印亭矢量的定义，一个周期内的平均

7、能流密度矢量为：能流密度矢量沿球面径向向外传递，具有方向性，在不同方向上能流密度不同，这意味着在某些方向上能流密度大，而在其他方向上能流密度小，在某些方向上甚至为零。4.天线的辐射功率和单位时间内通过半径为R的球面向外传播的电磁能量如下：P是与球面半径无关的常数，即单位时间内通过任意半径的球面向外传输的能量(功率比)是相同的。根据能量守恒定律，这部分能量实际上是由天线以电磁波的形式辐射的。由于能量的不断辐射，有必要提供发射器等能量来保证辐射。让天线成为理想的天线(无损耗)，发射器与天线匹配，发射器提供的所有能量都由天线辐射。天线可以看作是一个双端网络，其辐射能力可以用双端网络的等效电阻来表征，

8、称为天线的辐射电阻，是衡量天线辐射电磁场能力的一个重要参数。实际上，输入阻抗并不完全等于辐射电阻唯一理想的天线：6.3小电流环形磁偶极子天线，小电流环形天线结构，近场电磁场和远场电磁场的磁场只是第三章小电流环(即磁偶极子)产生的磁场的表达式。与电偶极子远场相比，除了电场和磁场的极化方向相互位移外，其特性相似。电磁振荡频率为1MHz、电偶极子天线、小环形天线、计算结果表明，由相同频率和长度的导线组成的小电流环形天线的辐射阻抗远小于电偶极子天线。这表明小电流环形天线辐射电磁波的能力远远小于电偶极子天线。原因是什么？小电流回路相当于磁偶极子。在静态电磁场中，恒定的小电流回路可以产生与磁偶极子相同的效

9、果。在时变电磁场中，放置在坐标原点的磁偶极子的磁矢势可以称为(6-1-12)，其远场电磁场为：6.4天线的一般概念，是一种发射和接收电磁波的特殊装置。为了满足电磁波发射和接收的各种要求，有必要进行天线理论设计和电磁波发射和接收特性设计。天线发射和接收电磁波的方向特性天线发射和接收电磁波的阻抗特性天线发射和接收电磁波的极化特性天线1的电磁兼容性半波长偶极天线是一种理想的天线模型，因为在实际工程应用中没有恒定振幅的电流元件。半波偶极天线是一种实际的天线模型。所谓的半波偶极天线是长度为半波长的线天线。当给馈电点施加时变信号时，实验表明天线上的电流近似为驻波分布，两端是电流的节点，中心的电流幅值最大。

10、天线上电流的幅度函数近似为：因为电流是空间位置的函数，所以不能简单地将其视为电偶极子天线。然而，天线中任何一个小元件上的电流都可以看作一个常数，这个元件可以看作一个电偶极子。因此，整个半波偶极子天线可以分为首尾相连的多个电偶极子天线的叠加。场强的归一化函数(模式)是、由于干涉效应，叠加在某些方向得到加强。在其他方向，结果的叠加减弱。使得半波振荡器辐射场的能量更加集中。单位时间辐射的能量(功率)为：2天线的基本特性参数电偶极子、小电流环和半波偶极子天线的辐射场具有共同的基本特性。对于一般天线，无论其结构有多复杂，都有类似电偶极子的辐射场结构，即电偶极子、任意天线，极化幅度电流结构远离定向相位，其

11、中极化因子：表示天线辐射场的极化方向幅度因子：表示辐射场的常数因子电流：是馈电点的电流幅度，与发射功率有关的结构因子：天线体空间几何结构的距离因子：指天线相位中心点到场点的距离，代表球面波能量的扩散方向因子；表征天线辐射场空间分布的特征相位因子：表征天线与场点之间的相位差；(1)天线方向性函数D天线在空间辐射电磁波，具有方向性，某些方向辐射功率强，其他方向辐射功率弱。天线的这一特性被用来实现电磁波信号的定向传输。天线的方向性函数d定义为单位立体角的辐射功率与单位立体角的平均辐射功率之比。方向系数是天线在单位立体角辐射的电磁波能量与天线在空间辐射的电磁波能量最强的方向上在单位立体角辐射的平均电磁

12、波能量之比，它表征了天线在空间不同方向辐射的电磁能量的强度。然而，在实际工程应用中，输入能量不是完全由天线辐射的，真正用于电磁波辐射的能量是输入功率效率的一部分。如果天线的效率为0，则天线的辐射功率为0，天线的增益函数g定义为0，0，0。天线输入功率没有完全辐射的主要原因如下：天线阻抗与发射机不匹配，导致电磁波反射回发射机；电磁能量部分转化为天线的近场；一部分热量由天线体的非理想导体散发；(3)波束宽度天线的方向性图呈现许多花瓣形状，并且通常由一个主波束和几个子波束组成。将主波束两侧的方向性函数为最大值的一半(称为半功率点)的两点之间的夹角定义为波束宽度，半波偶极天线：(4)天线的输入阻抗定义

13、为天线的输入阻抗一般是复数，实部称为输入电阻，与天线的辐射电阻和散热有关；虚部是输入电抗，它与存储在天线附近区域的电磁场功率有关。互易天线原理有效截面积天线既可以用作电磁波的辐射器，也可以用作电磁波的接收器。理论上，可以证明同一个天线的发射和接收具有相同的方向图。也就是说，天线的辐射和接收具有互易性。当天线用于接收时，让天线从波中截取电磁波能量的功率为P，入射波的能量流密度为0，该比值相当于天线从波中截取电磁波能量的面积，这是衡量天线接收的一个重要参数。麦克斯韦方程组1的对偶性质无源区域中的麦克斯韦方程组组合如下。在数学上，这两组形式相同的方程，通过变量的相互替换，可以从一组方程中得到另一组方

14、程，称为对偶方程，相应的量称为对偶量。很容易证明两组方程是对偶的，它们的解也是对偶的。因此，利用对偶原理可以简化对偶问题的求解。2广义麦克斯韦方程在有源区，麦克斯韦方程是非对称的，原因是在自然边界没有发现类似电荷的磁荷和类似电流的磁流。如果引入虚的“磁荷”和“磁流”，它们激发的电磁场与电荷和电流激发的电磁场是对偶的，那么推广后得到的麦克斯韦方程具有对偶。虚磁荷密度、虚磁流密度、磁荷守恒定律、广义麦克斯韦方程、虚“磁荷”和“磁流”不能是随机的，必须基于合理的理论。广义麦克斯韦方程的对偶性，在简谐电磁场中，坐标原点的Z向电偶极子辐射场被对偶变量代替，而坐标原点的Z向磁偶极子辐射场为：因此，比较小电流环与磁偶极子的等价性，我们可以得出：4时变电磁场的镜像原理是求解静态电磁场的一种非常有效的方法。当电磁场是时变