《電磁波與天線仿真與實踐》課件-電波與天線知識點8 電磁波的入射和傳播

《電磁波與天線仿真及實踐》課件

本次課內容電磁波的入射導體的趨膚效應電磁波的無線傳播電磁波的正入射

當電磁波在傳播路徑中遇到不同媒質時，在其分界面上，受邊界條件約束，總有部分能量被反射，其余的能量透射到另一媒質中去。下面我們討論TEM波垂直入射(正入射)到分界平面的問題。電磁波不能穿入完純導體，因此當它到達分界面時將被反射回來。在分界面左方的合成電場是

電磁波對理想導體的正入射

補充時諧電磁場時諧電磁場：以一定的角頻率隨時間作正弦或余弦變化的電磁場或者正弦電磁場。若場源以一定的角頻率隨時間呈正弦或余弦變化，則場源所產(chǎn)生的電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。研究時諧場具有重要的意義，因為在一定條件下以任意方式隨時間變化的電磁場都可以通過傅里葉級數(shù)展開為不同頻率的時諧場的疊加。

時諧電磁場的復數(shù)表示對時諧電磁場采用復數(shù)表示可使問題的分析得以簡化。電磁場隨時間作正弦變化時，電場強度的三個分量可用余弦函數(shù)表示用復數(shù)的實部表示根據(jù)式中稱為時諧電場各分量的復振幅故式中稱為時諧電場的復矢量時諧因子瞬時矢量和復矢量的關系為：

復數(shù)式只是數(shù)學表示方式，不代表真實的場真實場是復數(shù)式的實部，即瞬時表達式由于時間因子是默認的，有時它不用寫出來，只用與坐標有關的部分就可表示復矢量

有關復數(shù)表示的進一步說明例：將下列場矢量的瞬時形式寫為復數(shù)形式瞬時形式復數(shù)形式有入射波和反射波相加后得到的合成電場和合成磁場在空間仍互相垂直，振幅仍差η倍，但形成了駐波，駐波相位差90°在分界面上電場為零，但磁場有最大值（參看圖）。為了滿足邊界條件，在導體表面應有x方向的表面電流密度

Jsx=n×Hy

圖理想導體面的正入射電磁波的正入射入射波到達分界面后一部分被反射，一部分傳輸入2區(qū)。反射系數(shù)為傳輸系數(shù)為

電磁波對理想介質的正入射電磁波的正入射電磁波對理想介質的正入射1+R=T

當2區(qū)為完純導體時，沒有傳輸波，與前述結果一致。當2區(qū)與1區(qū)具有相同媒質參量時，沒有反射波，2區(qū)的傳輸波就是1區(qū)入射波的繼續(xù)。這也是合乎邏輯的，因為2區(qū)與1區(qū)具有相同媒質參量時，實際上不存在分界面。

電磁波的斜入射在實際問題中，還會遇到電磁波的斜入射，可以證明電磁波在分界面處將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。如圖，反射波的傳播方向遵從反射定律；折射波的傳播方向遵從折射定律

圖電磁波在不同介質中的斜射導體的趨膚效應均勻平面波在損耗媒質中沿z方向傳播時，場強的振幅不斷地按指數(shù)規(guī)律衰減。而方向上依舊是電場、磁場和傳播方向間相互垂直。對低損耗介質，σ很小，波幅的衰減是緩慢的。而在導體媒質中，σ很大。所以電磁波在導電媒質中衰減是很快的。而且電場強度在時間上超前于磁場強度Л/4，正如圖所示。

圖在導體中電場的衰減導體的趨膚效應為了定量估價在導電媒質中傳播的衰減現(xiàn)象，通常用趨膚深度δ來表示電磁波對導體的穿透能力，它定義為場強幅度衰減到原值的0.368倍時所深入導體的距離。因此比較上式指數(shù)的宗量，其趨膚深度應等于常用導電材料的導磁率與真空導磁率相等

導體的趨膚效應例如工作頻率為1MHz，50MHz，1000MHz時，計算銅的趨膚深度，鑒于銅的電導率為5.9×107S/m，用上式可分別得δ=9.43mm、65.6μm、0.655μm。由此可見，在高頻工作下，電磁波在導體內受到極大的衰減，電流只能集中在導體的表層流動，這種現(xiàn)象謂之趨膚效應。導體的趨膚效應頻率不一樣時導體的趨膚效應

改善導電性能，關鍵是解決導體表面的傳導特性?？紤]到導體中心區(qū)的電流密度為零，在較高頻率下工作，可采用空心銅管，甚至金屬薄層。這類措施既減輕了重量，又節(jié)省了有色金屬材料。電磁波的傳播電磁波（ElectromagneticWave）電與電磁波是相互關聯(lián)的物理現(xiàn)象。一個電磁場包含了電場與磁場。在高頻電磁振蕩的情況下部分能量以“電磁波”輻射方式從空間傳播出去。電磁場的場源隨時間變化時，其電場與磁場互相激勵導致電磁場的運動而形成電磁波。電磁波的傳播還伴隨著能量的傳播。宇宙射線

射線X射線紫外線可見光紅外線微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波無線電波電磁波譜無線電波波段的劃分波段名稱波段范圍頻率范圍頻段名稱甚長波長波中波短波超短波(米波)10000～l00000m1000～10000ml00～1000m10～100m1～10m3～30kHz30~300kHz0.3～3MHz3～30MHz30～300MHz甚低頻VLF低頻LF中頻MF高頻HF甚高頻VHF

微波

分米波厘米波毫米波亞毫米波10～100cm1～10cm1～10mm0.1～1mm0.3～3GHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz特高頻UHF超高頻SHF極高頻EHF超極高頻提問：各頻段無線電波傳播特點一樣嗎？無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。電磁波的傳播模式發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的電磁波，在自由空間通過自然條件下的各種不同媒質（如地表、地球大氣層或宇宙空間等）到達接收天線的傳播過程，稱為無線電波傳播。在傳播過程中，無線電波有可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，電磁波強度將發(fā)生衰減，傳播方向、傳播速度或極化形式將發(fā)生變化，傳輸波形將產(chǎn)生畸變。無線電波的傳播特性主要取決于無線電波的頻率。地面波傳播地面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ臒o線電波，也稱為地表面波。空間波傳播（視距傳播）空間波有兩種形式，一種是直射波，另一種是地面反射波。直射波只能進行視距傳播。所謂視距傳播，又稱直接波傳播，是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。因此天線高度與地球曲率是限制直射波傳播距離的主要因素。在地面上直射波的傳播距離可以按如下公式估算：天波傳播（電離層傳播）天波傳播（電離層傳播）是遠距離通信的常用方式。距地面60km以上的空間有一個由電子、離子等組成的電離層。地面上空大氣層概況天波傳播（電離層傳播）

60千米以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關，如無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等。電離層作為一種傳播介質使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質中。3～30兆赫為短波段，它是實現(xiàn)電離層遠距離通訊和廣播的最適當波段。因此短波最適宜以天波的形式進行傳播，其所傳播的距離可以達到幾千公里的地方，但是電離層是不穩(wěn)定的，白天電離程度高，夜晚電離程度低，電離層對中波和中短波的吸收能力減弱，這時中波和中短波就可以更好的利用天波進行傳播，因而收音機在夜晚的臺比白天多。電離層反射電波的能力與電波頻率有關。在入射角θ0一定時，電波頻率大于短波頻段，越易穿透電離層。電離層傳播主要用于短波頻段。圖天波傳播外層空間傳播

電磁波由地面發(fā)出（或返回），經(jīng)低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播方式稱為外層空間傳播，如衛(wèi)星傳播，宇宙探測等均屬于這種遠距離傳播。由于電磁波傳播的距離很遠，且主要是在大氣以外的宇宙空間內進行的，而宇宙空間近似于真空狀態(tài)，因而電波在其中傳播時，它的傳輸特性比較穩(wěn)定。我們可以把電波穿過電離層而到達外層空間的傳播，基本上當作自由空間中的傳播來研究。地殼傳播

將發(fā)射天線埋在地下，讓波長極長的電磁波在地殼層中傳播，顯然，由于地殼本身的屏蔽作用，這種傳播的穩(wěn)定性好。地下無線電波的研究和應用始于20年代，由于能源開發(fā)的需要和遙感技術的發(fā)展，地下電波傳播的研究及其在通信和探測方面的應用取得了較大的進展，已在礦井巷道、鐵路隧道和軍事坑道中的無線電通信以及礦藏資源和地殼結構（包括斷層、冰川、溶洞、管道、水源和海洋中物體）的電磁波探測等方面得到應用。無線電波傳播方式無線通信的電磁波傳播無線通信中的電磁波按照其波長的不同具有不同的傳播特點，下面按波長分述如下：

超長波（超低頻SLF）傳播超長波是指波長1千公里至1萬公里（頻率為30~300Hz）的電磁波。這一波段的電磁波傳播十分穩(wěn)定，在海水中衰耗很?。l率為75Hz時衰耗系數(shù)為0.3dB/m）對海水穿透能力很強，可深達100m以上。甚長波（甚低頻VLF）傳播甚長波是指波長10公里~100公里（頻率為3~30kHz）的電磁波。無線通信中使用的甚長波的頻率為10~30kHz，該波段的電磁波可在大地與低層的電離層間形成的波導中進行傳播，距離可達數(shù)千公里乃至覆蓋全球。低頻電磁波的應用無線通信的電磁波傳播長波（低頻LF）傳播長波是指波長1公里~10公里（頻率為30~300kHz）的電磁波。其可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）。中波（中頻MF）傳播中波是指波長100米~1000米（頻率為300~3000kHz）的電磁波。中波可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）。中波沿地表面?zhèn)鞑r，受地表面的吸收較長波嚴重。中波的天波傳播與晝夜變化有關。無線通信的電磁波傳播短波（高頻HF）傳播短波是指波長為10米~100米（頻率為3~30MHz）的電磁波。短波可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ?，沿空間以直接或繞射方式傳播（空間波）和靠電離層反射傳播（天波）。超短波（甚高頻VHF）傳播超短波是指波長為1米~10米（頻率為30~300MHz）的電磁波。超短波難以靠地波和天波傳播，而主要以直射方式（即所謂的“視距”方式）傳播。無線通信的電磁波傳播微波傳播微波是指波長小于1米（頻率高于300MHz）的電磁波。目前又按其波長的不同，分為分米波（特高頻UHF）、厘米波（超高頻SHF）、毫米波（極高頻EHF）和亞毫米波