电磁波的辐射要点PPT课件

1、第十次第十次第八章第八章作业：作业：P.285P.2858-18-18-6 8-6 第二问不要第二问不要8-8 (1)8-8 (1)8-15 8-15 TETE波是波是H H波，又称为波，又称为H H模式模式8-16 8-16 TETE波是波是H H波，又称为波，又称为H H模式模式5)3()7(2)()(22222nmbnamc 第7章 电磁波的辐射 第1页/共60页第七章 电磁波的辐射 7.1、滞后位7.2、电基本振子的辐射场7.5、对称线天线和天线阵的概念 第7章 电磁波的辐射 第2页/共60页天线的演变天线的演变 第7章 电磁波的辐射 第3页/共60页输入输入导导行行电电磁磁波波发射天

2、线发射天线接收天线接收天线电磁波的传播电磁波的传播入射、反射、透射、绕射入射、反射、透射、绕射传输传输导导行行电电磁磁波波 第7章 电磁波的辐射 第4页/共60页 由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接收天线附近。接收天线将接收到质传播到达接收天线附近。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机，的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。完成无线电波传输的全过程。 第7章 电磁波的辐射 第5页/共60页发射机末级回路产生的高频

3、振荡电流经过馈线送到发射发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发电磁波的传输、发射、传播、接收等过程射、传播、接收等过程。 接收机接收机接收天线接收天线馈线馈线下行波下行波 发射机发射机发射天线发射天线馈线馈线导行波导行波

4、第7章 电磁波的辐射 第6页/共60页左图为无线电定位左图为无线电定位系统的基本方框图。系统的基本方框图。发射天线和接收天发射天线和接收天线常合用一副天线，线常合用一副天线，利用天线开关的转利用天线开关的转换作用，分别接入换作用，分别接入发射机和接收机。发射机和接收机。当天线与发射机接当天线与发射机接通时，此天线作发通时，此天线作发射天线用；当天线射天线用；当天线与接收机接通时，与接收机接通时，此天线作接收天线此天线作接收天线用。用。 第7章 电磁波的辐射 第7页/共60页拉杆天线 第7章 电磁波的辐射 第8页/共60页引向天线引向天线 第7章 电磁波的辐射 第9页/共60页 第7章 电磁波的

5、辐射 第10页/共60页对数周期天线对数周期天线 第7章 电磁波的辐射 第11页/共60页微波接力天线微波接力天线3m3m微波接力通信天线微波接力通信天线 第7章 电磁波的辐射 第12页/共60页卡卡塞塞格格仑仑天天线线 第7章 电磁波的辐射 第13页/共60页MMDSA型微波天线型微波天线MMDSC型微波天线型微波天线 第7章 电磁波的辐射 第14页/共60页卫星接收天线卫星接收天线宽带全向天线宽带全向天线 第7章 电磁波的辐射 第15页/共60页舰载对空搜索雷达天线舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线相控阵雷达天线 第7章 电磁波的辐射 第16页/共60页中国远中国远程相控程相控阵雷达阵雷达

6、 第7章 电磁波的辐射 第17页/共60页俄罗斯新型有源俄罗斯新型有源相控阵雷达天线相控阵雷达天线俄军巨型雷达天线阵列俄军巨型雷达天线阵列 第7章 电磁波的辐射 第18页/共60页螺旋天线螺旋天线 第7章 电磁波的辐射 第19页/共60页微带天线微带天线 第7章 电磁波的辐射 第20页/共60页7.1 7.1 滞滞 后后 位位 2、时变电磁场的滞后位积分形式 矢量位和标量位满足的达朗贝尔方程： (1/)v1、静态场的矢量位和标量位方程为VRVdr )(412其解为：VVdRrJAJA)(422222222211tvJtAvA 第7章 电磁波的辐射 第21页/共60页时变点电荷元 产生标量位 满

7、足222210vt 点电点电荷元荷元 观察点观察点 P PR现求解A,),(tR),(tR在球坐标中在球坐标中，上式变为，上式变为01122222tvRRRRRtRutR/ ),(),(设 ，代入上式有0122222tuvRuVdtrdq),(Vdtrdq),( rrORRRRzyx2222222221),(),(tRtzyx2/ 1222)()()(zzyyxxRrrR 第7章 电磁波的辐射 第22页/共60页上式为一维波动方程，其解为 波源波源观察点观察点P PR)(),(vRtftRuRvRtftR/ )(),(因为静点电荷元 的电位：Vdtrdq),(由式(a)和(b)得时变点电荷元

8、产生的产生的标量位为RVdvRtrtRd4),(),(),(tRrrRVVdtrdq),(RVdrRd4)()(Vdrdq)(（a)(b)(c) 第7章 电磁波的辐射 第23页/共60页同理，得时变体分布电荷源产生的矢量位：是滞后位!式(1)表示：空间距源点 处Rt()Rt（1）时变电荷源以 分布在体积 V内，由式(c)得时变体分布电荷源在场点P产生的标量位为),(trVVdRvRtrJtrA)/,(4),(VVdRvRtrtr)/,(41),(A,的场点，在某一时刻 的 是由较早时刻 的场源所决定的!A, 第7章 电磁波的辐射 第24页/共60页场源分布在有限范围内， 要求 时有 R 有限值

9、RRlimlim()0RRjkR上式称为辐射条件，对于矢量位亦有类似条件。 3、谐变电磁场的滞后位积分形式 电荷源作正弦变化：)(Re)cos()(),(tjertrtr)(Re)cos()(),(tjerJtrJtrJ电流源作正弦变化： 第7章 电磁波的辐射 （a）第25页/共60页将式(a)代入式式(1)式得正弦变化矢量位和标量位的瞬时形式为（2）)(4Re)(Re4),()()(VvRtjVvRtjVdRerJVdRerJtrA)(41Re)(Re41),()()(VvRtjVvRtjVdRerVdRertr式(2)表示：空间场点R处的 变化的相位较其源 落后 ! 是波源 的变化传递到观

10、察点所用的时间!A,J,kRvR/J, 第7章 电磁波的辐射 第26页/共60页波源波源观察点观察点P PR（3）VjkRVdeRrJrA)(4)(VjkRVdeRrr)(41)(由(2)式得正弦变化矢量位和标量位的复数形式：2/ 1222)()()(zzyyxxRrrR)(),(rArV 第7章 电磁波的辐射 rrO第27页/共60页7.2 电基本振子的辐射场 发射机时变电信号导线接地接地电基本振子天线结构dladlid l赫兹电偶极子( )q t( )q t高频电流的直导线，当导线长度远小于波长时，称为电偶极子。近似认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。tQtqsin)(0tItIcos)

11、(0lId 第7章 电磁波的辐射 第28页/共60页、电基本振子的电磁场计算电基本振子的电磁场计算 取载流为I(t)的短导线，长度为dl，横截面积为S，因为短导线的体积dV=Sdl，故有 )cos(0000IItIIedlIeSdlSIVdJzz 第7章 电磁波的辐射 O电流元第29页/共60页在球坐标系中,矢量位的分量：jkrzrerdlIAA4coscos004sinsin0AerdlIAAjkrzzzjkrzljkrzeAerdlIeerdlIerA0044)(0sinsin11)(2ArArerreerArHrr电流元在P点产生的矢量位（滞后位）为将上面求得的矢量位代入下式的磁场强度：

12、 第7章 电磁波的辐射 第30页/共60页(1) 20200sin14rjkrHHk I dljHekrkr（ ）3j02303j02302cos1j4cosj1j40krrkrI dlkEekrkrI dlkEekrkrkrEEjH将式(1)代入 得电场强度： (2) 第7章 电磁波的辐射 00HHrHrEEE第31页/共60页、电基本振子的电磁场分析 1. 近区场 当kr 1 1时，即r 1时，r /2，场点P与源点距离r 远大于波长的区域称为远区！在远区中 32)(1)(11krkrkr由节式(1)和(2)的作上面远区近似得电磁场： 20000sinsin42sinsin42jkrjkr

13、jkrjkrI dlkI dlEjejerrI dlkI dlHjejerr2、远区场（2） 第7章 电磁波的辐射 EH第35页/共60页00sin2sin2jkrjkrI dlEjerI dlHjer 远区电磁场的特性：（1）电场、磁场和传播方向相互垂直，横电磁波(TEM波)！电磁能量沿波传播方向传播，称为辐射场。远区电磁场与近区电磁场的分布不相同！ 第7章 电磁波的辐射 HE第36页/共60页00sin2sin2jkrjkrI dlEjerI dlHjer（2）电场与磁场的相位相同，等相位面是r为常数的球面！等相位面上E、H 振幅与 有关，所以辐射场是非均匀球面波！平均坡印廷矢量：2212

14、1Re21ReEeHEeHESrrav 第7章 电磁波的辐射 EH第37页/共60页00sin2sin2jkrjkrI dlEjerI dlHjer（3）场的振幅与r成反比，与I、dl /成正比，特别是场的振幅与电长度dl /有关！为媒质的波阻抗。HE 第7章 电磁波的辐射 HE第38页/共60页（4）场的方向性：场的振幅正比于sin！在垂直于天线轴(Z轴)的方向(=90)，辐射场最大；平行天线轴(Z轴)的方向(=0)，辐射场为零。电基本振子的辐射有方向性，方向性是天线的一个主要特性。 00sin2sin2jkrjkrI dlEjerI dlHjer 第7章 电磁波的辐射 EH第39页/共60

15、页( , )sinF 电基本振子的方向性函数为 立体方向图面方向图 E0(0 )面方向图 H0(90 ) 第7章 电磁波的辐射 第40页/共60页 3. 辐射功率和辐射电阻以电基本振子天线为球心，用一个半径为r的球面把它包围起来，平均坡印廷矢量在球面上的积分值是天线辐射出的功率。平均坡印廷矢量为 202)sin2(2121rdlIeEeSrravavSavSavSS球面 第7章 电磁波的辐射 第41页/共60页空气中的波阻抗 120000220402rI dlP2( / )rPdl20220200)2(31sin)sin2(21dlIddrrdlISdSPSavr 时间平均的辐射功率为（3）（

16、2）空气中的空气中的辐射功率为 第7章 电磁波的辐射 第42页/共60页天线的天线的平均平均辐射功率等效辐射功率等效为电流为电流I I在在等效电阻上等效电阻上平均的平均的损耗功率损耗功率，该等效电阻称为，该等效电阻称为辐射电阻辐射电阻。令令 2012rrPIR辐射电阻： 2220280rrPdlRI辐射电阻是天线的重要参数，衡量天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射功率越强。它仅取决于天线的结构与工作波长。（4）rTTrrrrRIdtRtIdttPtPPRtIRtItP2000220220221)(cos)()()(cos)()( 第7章 电磁波的辐射 第43页/共60页EBEcccc+-B

17、振荡电偶极子附近的电磁场线 第7章 电磁波的辐射 第44页/共60页例1、计算长度dl /0 =0.1的电基本振子，当电流振幅值为2 mA时的辐射电阻和辐射功率。222208080(0.1)7.8957rdlR辐射功率为 解： 辐射电阻 23 2011(2 10 )7.895715.79122rrPIRW 第7章 电磁波的辐射 第45页/共60页 线天线：天线的横截面的半径 对称振子天线1.对称振子的电流分布和远 区场两段长度为 的直导 线，从中间对称馈电，构 成对称振子。对称振子上 的电流对称分布为：2LIdzIdzr7.5 对称线天线和天线阵的概念dL)(sin)(zLkIzImz1r2r

18、oyzz 第7章 电磁波的辐射 第46页/共60页2/2l23 /4l2l23 /2l不同长度对称振子上的电流分布图2 /2L4 /32LL22 /32L)(zI)(zI)(zI)(zIzzzzoooo 第7章 电磁波的辐射 第47页/共60页利用电基本振子的远区辐射电场公式：上、下对称的电流元的远区电场分别为：在分母上可取 ，但注意到 ，涉及到 ，故相位因子中取2krr12cos ,cosrrzrrz rrr21jkrerIdzjEsin21sin)(60101jkrerdzzIjEd2sin)(60202jkrerdzzIjEd 第7章 电磁波的辐射 上、下对称的电流元的远区合电场为：第4

19、8页/共60页可见：对称振子的辐射场是TEM波，非均匀球面波，其方向性由 角来决定！0060cos(cos )cos()sinLjkrmIkLkLEdEjerEH0120sinsin coscosmjkrIk lz dzjk zer coscos12060sinjk r zjk r zI z dzdEdEdEjeer（1）0EH 第7章 电磁波的辐射 11EdEdEdEHE对上式积分得对称电流的远区合电场为：第49页/共60页半波振子： ，由(1)式得其辐射场为2. 对称振子的电参数 (1) 对称振子的方向图,242LL060cos(cos )2sinmjkrIEjerEH对称振子的对称振子的

20、未归一化未归一化方向性函数方向性函数：（2）0EHsin)cos()coscos(/60),(),(kLkLrIEfm 第7章 电磁波的辐射 E第50页/共60页 仅与 有关，与 无关，即H H面的方向图( (与天线垂直的平面) )是圆，与对称振子的电长度无关；E E面的方向图关于 的平面对称，且方向图形状随电长度 变化。 对称振子的归一化方向性函数： 半波振子的归一化方向性函数为： 22L（3）),(fsin)cos2cos(),(Fmax),(),(ffF 第7章 电磁波的辐射 第51页/共60页E E面方程图。在 时，辐射最大，在 时，没有辐射。20不同长度不同长度对称对称振子的振子的方方向图向图 2/2LL2 第7章 电磁波的辐射 第52页/共60页(2) (2) 对称振子的辐射功率和辐射电阻2/32L22L平均坡印廷矢量：平均坡印廷矢量：2021EeSrav 第7章 电磁波的辐射 第53页/共60页半波振子的辐射功率和辐射电阻： 128.7322mrrIPRddrESdSPSavrsin2220002 dkLkLIPRmrr022sin)cos()coscos(602dkLkLI