楊進(jìn)第七章 電磁波的輻射.ppt

第十次第七章作業(yè)P 240 7 17 27 3 第十次第八章作業(yè) P 2858 18 6第二問不要8 8 1 8 15TE波是H波 又稱為H模式8 16TE波是H波 又稱為H模式 第七章電磁波的輻射 7 1 滯后位 7 2 電基本振子的輻射場(chǎng) 7 5 對(duì)稱線天線和天線陣的概念 天線的演變 輸入 導(dǎo)行電磁波 發(fā)射天線 接收天線 電磁波的傳播 入射 反射 透射 繞射 傳輸 導(dǎo)行電磁波 由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量 經(jīng)過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?并向預(yù)定方向輻射 通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收天線附近 接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l振蕩能量送入接收機(jī) 完成無線電波傳輸?shù)娜^程 發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線 通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去 到了接收端 電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流 再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路 這就完成了信息的傳遞 在這個(gè)過程中 經(jīng)歷了電磁波的傳輸 發(fā)射 傳播 接收等過程 饋線 左圖為無線電定位系統(tǒng)的基本方框圖 發(fā)射天線和接收天線常合用一副天線 利用天線開關(guān)的轉(zhuǎn)換作用 分別接入發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 當(dāng)天線與發(fā)射機(jī)接通時(shí) 此天線作發(fā)射天線用 當(dāng)天線與接收機(jī)接通時(shí) 此天線作接收天線用 拉桿天線 引向天線 喇叭天線 對(duì)數(shù)周期天線 微波接力天線 3m微波接力通信天線 卡塞格侖天線 MMDS A型微波天線 MMDS C型微波天線 衛(wèi)星接收天線 寬帶全向天線 艦載對(duì)空搜索雷達(dá)天線 相控陣?yán)走_(dá)天線 中國(guó)遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá) 俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線 俄軍巨型雷達(dá)天線陣列 螺旋天線 微帶天線 7 1滯后位 2 時(shí)變電磁場(chǎng)的滯后位積分形式 矢量位和標(biāo)量位滿足的達(dá)朗貝爾方程 1 靜態(tài)場(chǎng)的矢量位和標(biāo)量位方程為 其解為 時(shí)變點(diǎn)電荷元產(chǎn)生標(biāo)量位滿足 現(xiàn)求解 在球坐標(biāo)中 上式變?yōu)?設(shè) 代入上式有 上式為一維波動(dòng)方程 其解為 因?yàn)殪o點(diǎn)電荷元的電位 由式 a 和 b 得時(shí)變點(diǎn)電荷元產(chǎn)生的標(biāo)量位為 a b c 同理 得時(shí)變體分布電荷源產(chǎn)生的矢量位 是滯后位 式 1 表示 空間距源點(diǎn)處 1 時(shí)變電荷源以分布在體積V內(nèi) 由式 c 得時(shí)變體分布電荷源在場(chǎng)點(diǎn)P產(chǎn)生的標(biāo)量位為 的場(chǎng)點(diǎn) 在某一時(shí)刻的是由較早時(shí)刻的場(chǎng)源所決定的 場(chǎng)源分布在有限范圍內(nèi) 要求時(shí)有 上式稱為輻射條件 對(duì)于矢量位亦有類似條件 3 諧變電磁場(chǎng)的滯后位積分形式 電荷源作正弦變化 電流源作正弦變化 將上式代入式 1 式得正弦變化矢量位和標(biāo)量位的瞬時(shí)形式為 2 式 2 表示 空間場(chǎng)點(diǎn)R處的變化的相位較其源落后 是波源的變化傳遞到觀察點(diǎn)所用的時(shí)間 3 由 2 式得正弦變化矢量位和標(biāo)量位的復(fù)數(shù)形式 7 2電基本振子的輻射場(chǎng) 赫茲電偶極子 高頻電流的直導(dǎo)線 當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí) 稱為電偶極子 近似認(rèn)為導(dǎo)線上每一點(diǎn)的電流都是等幅同相的 7 2 1 電基本振子的電磁場(chǎng)計(jì)算 取載流為I t 的短導(dǎo)線 長(zhǎng)度為dl 橫截面積為S 因?yàn)槎虒?dǎo)線的體積dV Sdl 故有 矢量位在球坐標(biāo)系中的分量 電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的矢量位 滯后位 為 將上面求得的矢量位代入下式的磁場(chǎng)強(qiáng)度 1 將式 1 代入得電場(chǎng)強(qiáng)度 2 7 2 2 電基本振子的電磁場(chǎng)分析 1 近區(qū)場(chǎng) 當(dāng)kr 1時(shí) 即r 2 場(chǎng)點(diǎn)P與源點(diǎn)的距離r遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) 的區(qū)域稱為近區(qū) 在近區(qū)中 由7 2 1的式 1 和 2 作上面近似得近區(qū)電磁場(chǎng) 1 式中p是電偶極矩的復(fù)振幅 載流短導(dǎo)線是振蕩電偶極子 其兩端的電荷與電流的關(guān)系是 近區(qū)中的電磁場(chǎng)為 在近區(qū)中 時(shí)變電基本振子的電場(chǎng)與靜電場(chǎng)中電偶極子的電場(chǎng)分布相似 其磁場(chǎng)的分布與穩(wěn)恒磁場(chǎng)中電流元的磁場(chǎng)分布相似 因此將近區(qū)稱為 似穩(wěn)場(chǎng) 且電場(chǎng)與磁場(chǎng)有的相位差 當(dāng)kr 1時(shí) r 2 場(chǎng)點(diǎn)P與源點(diǎn)距離r遠(yuǎn)大于波長(zhǎng) 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū) 在遠(yuǎn)區(qū)中 由7 2 1的式 1 和 2 的作上面遠(yuǎn)區(qū)近似得電磁場(chǎng) 2 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 2 遠(yuǎn)區(qū)電磁場(chǎng)的特性 1 電場(chǎng) 磁場(chǎng)和傳播方向相互垂直 橫電磁波 TEM波 電磁能量沿波傳播方向傳播 稱為輻射場(chǎng) 遠(yuǎn)區(qū)電磁場(chǎng)與近區(qū)電磁場(chǎng)的分布不相同 2 電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相位相同 等相位面是r為常數(shù)的球面 等相位面上E H振幅與有關(guān) 所以輻射場(chǎng)是非均勻球面波 平均坡印廷矢量 3 場(chǎng)的振幅與r成反比 與I dl 成正比 特別是場(chǎng)的振幅與電長(zhǎng)度dl 有關(guān) 為媒質(zhì)的波阻抗 4 場(chǎng)的方向性 場(chǎng)的振幅正比于sin 在垂直于天線軸 Z軸 的方向 90 輻射場(chǎng)最大 平行天線軸 Z軸 的方向 0 輻射場(chǎng)為零 電基本振子的輻射有方向性 方向性是天線的一個(gè)主要特性 電基本振子的方向性函數(shù)為 立體方向圖 面方向圖 面方向圖 3 輻射功率和輻射電阻以電基本振子天線為球心 用一個(gè)半徑為r的球面把它包圍起來 平均坡印廷矢量在球面上的積分值是天線輻射出的功率 平均坡印廷矢量為 空氣中的波阻抗 時(shí)間平均的輻射功率為 3 2 空氣中的輻射功率為 天線的平均輻射功率等效為電流I在等效電阻上平均的損耗功率 該等效電阻稱為輻射電阻 令 輻射電阻 輻射電阻是天線的重要參數(shù) 衡量天線的輻射能力 輻射電阻越大 天線的輻射功率越強(qiáng) 它僅取決于天線的結(jié)構(gòu)與工作波長(zhǎng) 4 振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線 例1 計(jì)算長(zhǎng)度dl 0 0 1的電基本振子 當(dāng)電流振幅值為2mA時(shí)的輻射電阻和輻射功率 輻射功率為 解 輻射電阻 線天線 天線的橫截面的半徑7 5 1對(duì)稱振子天線1 對(duì)稱振子的電流分布和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)兩段長(zhǎng)度為的直導(dǎo)線 從中間對(duì)稱饋電 構(gòu)成對(duì)稱振子 對(duì)稱振子上的電流對(duì)稱分布為 2L Idz Idz r 7 5對(duì)稱線天線和天線陣的概念 不同長(zhǎng)度對(duì)稱振子上的電流分布圖 利用電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)公式 上 下對(duì)稱的電流元的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分別為 在分母上可取 但注意到 涉及到 故相位因子中取 可見 對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)是TEM波 非均勻球面波 其方向性由角來決定 1 半波振子 由 1 式得其輻射場(chǎng)為2 對(duì)稱振子的電參數(shù) 1 對(duì)稱振子的方向圖 對(duì)稱振子的未歸一化方向性函數(shù) 2 僅與有關(guān) 與無關(guān) 即H面的方向圖 與天線垂直的平面 是圓 與對(duì)稱振子的電長(zhǎng)度無關(guān) E面的方向圖關(guān)于的平面對(duì)稱 且方向圖形狀隨電長(zhǎng)度變化 對(duì)稱振子的歸一化方向性函數(shù) 半波振子的歸一化方向性函數(shù)為 3 E面方程圖 在時(shí) 輻射最大 在時(shí) 沒有輻射 不同長(zhǎng)度對(duì)稱振子的方向圖 2 對(duì)稱振子的輻射功率和輻射電阻 平均坡印廷矢量 半波振子的輻射功率和輻射電阻 輻射電阻 4 輻射功率 1 什么是天線陣 若干個(gè)輻射單元以各種形式 如直線 圓環(huán) 三角和平面等 在空間排列組成的天線系統(tǒng)稱為天線陣 2 控制天線陣輻射的因素有哪些 陣元數(shù)目 陣元排列方式 陣元間距 每個(gè)陣元的饋電電流的大小和相位 7 5 2 天線陣的概念 例如 二元陣是由相隔一定距離的兩個(gè)輻射元組成 縱向二元陣 3 均勻直線陣 直線陣 N個(gè)相同的單元天線等間距