电磁兼容基础05-高频场耦合课件1

P15.1自由空间的电磁辐射5.2电偶极子天线5.3磁偶极子天线5.4线天线5.5地平面的影响-镜像法5.6输入阻抗第五讲高频场耦合(1)P15.1自由空间的电磁辐射第五讲高频场耦合(1)P25.1自由空间的电磁辐射电磁能量以波动的形式由源向空间传播的过程称为电磁辐射。描述电磁辐射的基本方程是maxwell方程组。直接求解maxwell方程组比较麻烦。引入动态位，可以简化求解过程。1、动态位的引入矢量动态位标量动态位P25.1自由空间的电磁辐射电磁能量以波动的形式由源向空间P35.1自由空间的电磁辐射1、动态位的引入P35.1自由空间的电磁辐射1、动态位的引入P45.1自由空间的电磁辐射2、洛伦兹规范不难验证，如果关于动态位的方程的解不具有唯一性，因为下式中的新的动态位也能满足上述方程。为了使得动态的求解具有唯一性，我们强加一个条件，即该式被称为洛伦兹规范。P45.1自由空间的电磁辐射2、洛伦兹规范不难验证，如果关P55.1自由空间的电磁辐射3、达朗贝尔方程(达朗贝尔方程)达朗贝尔方程的特点：属于非齐次波动方程；电流与电荷量解耦；矢量动态位与标量动态位解耦；矢量动态位方程与标量动态位方程对称。P55.1自由空间的电磁辐射3、达朗贝尔方程(达朗贝尔方程P65.1自由空间的电磁辐射4、达朗贝尔方程的求解方法-时变点电荷激励下的标量动态位点电荷情况下的标量动态位方程通解特解为电磁波速度P65.1自由空间的电磁辐射4、达朗贝尔方程的求解方法-时P75.1自由空间的电磁辐射5、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式因达朗贝尔方程为线性方程,根据叠加定理，分布电荷产生的标量动态位为类比可知，分布电流产生的矢量动态位为P75.1自由空间的电磁辐射5、分布源激励下的动态位解-动P85.1自由空间的电磁辐射6、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式-时谐场情况的相量解时域解:同理:其中:为波数或相位常数相量解P85.1自由空间的电磁辐射6、分布源激励下的动态位解-动P95.2电偶极子天线又称电基本振子,指一段载有高频电流的线电流元,其长度远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。现实当中复杂天线可以被认为是由许多这样的电流元构成,因而单元辐射子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。1、场表达式P95.2电偶极子天线又称电基本振子,指一段载有高频电流P105.2电偶极子天线定义电场强度与磁场强度的横向分量之比为电偶极子的波阻抗，即2、波阻抗其中称为介质的特性阻抗。对于自由空间而言，特性阻抗为P105.2电偶极子天线定义电场强度与磁场强度的横向分量之P115.2电偶极子天线一般将满足下述条件的区域称为近场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为近场3、近场区近场区场表达式特点:b)

越靠近源,电场分量相对磁场分量越强。c)在某一时刻电场与静电场中电偶极子产生的电场相似，磁场与恒定磁场中元电流产生的磁场相似，称之为似稳场。a)

电场分量与磁场分量相互垂直，相位差90度。P115.2电偶极子天线一般将满足下述条件的区域称为近场区P125.2电偶极子天线4、远场区远场表达式特点:一般将满足下述条件的区域称为远场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为远场b)

电场分量与磁场分量均与成反比,二者振幅比值恒定为:a)

电场分量与磁场分量相互垂直，同相位。c)

电场分量、磁场分量及传播方向三者互相垂直并成右手螺旋关系P125.2电偶极子天线4、远场区远场表达式特点:一般将满P135.2电偶极子天线5、方向图远场区，在以天线为球心的球面上，电场强度的振幅随角度和变化的函数，被称为天线的方向图函数f(,)电偶极子天线的方向图函数P135.2电偶极子天线5、方向图远场区，在以天线为球心的P145.2电偶极子天线6、辐射功率和辐射电阻天线的辐射功率Prad定义为，以包围了天线的闭合曲面上，计算从该曲面穿出去的电磁功率的平均值（即计算坡印廷矢量的平均值（或复坡印廷矢量的实部）在该闭合曲面的通量）。具体计算时，可以在远场区选取一个以天线为球心的球面，计算穿过该球面的电磁功率。此时，坡印廷矢量的方向与球面垂直。在电偶极天线的远场区，复坡印廷矢量辐射电阻Rrad定义为：天线馈入点的电流的平方与辐射电阻的乘积等于天线的辐射功率。P145.2电偶极子天线6、辐射功率和辐射电阻天线的辐射功P155.2电偶极子天线Example1Aelectricdipolehasalengthof1cmandcarriesa1A,100MHzcurrent.Determinethemagnitudeandphaseoftheelectricandmagneticfieldsatadistanceof1000mawayandbroadsidetotheantenna(θ=90o)P155.2电偶极子天线Example1AelecP165.2电偶极子天线Example2Themagnitudeofthefar-fieldelectricfieldofaelectricdipoleismeasuredatadistanceof100mas1mV/m.Determinethemagnitudeoftheelectricfieldat1000mP165.2电偶极子天线Example2ThemaP175.2电偶极子天线Example3

估算输电线路每公里长度的辐射功率P175.2电偶极子天线Example3估算输电线路P185.3

磁偶极子天线1、场表达式和波阻抗又称磁基本振子,指一段载有高频电流的圆环形线导线，其直径远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。其实际模型是电小环形天线。P185.3磁偶极子天线1、场表达式和波阻抗又称磁基本振子P195.3

磁偶极子天线2、近场、远场及方向图近场表达式远场表达式方向图与电偶极子天线P195.3磁偶极子天线2、近场、远场及方向图近场表达式远P205.3

磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子磁偶极子近场远场波阻抗方向图场分布具有对偶性波阻抗互为倒数方向图相同辐射电阻P205.3磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子磁P215.3

磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子近场区电场分量占主，磁偶极子近场区磁场分量占主，远场区电场与磁场均平衡P215.3磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子近P225.4

线天线1、对称振子电流分布远场方向图辐射电阻P225.4线天线1、对称振子电流分布远场方向图辐射电阻P235.4

线天线2、天线阵将若干天线按照一定的规则进行排列，就组成了天线阵。若天线阵中各个单元天线为线天线且类型和取向均相同，并以相等的间隔d排列在一条直线上，各线天线的电流振幅均为I，但相位依次滞后同一数值，那么这种天线阵称为均匀直线式天线阵四元侧射式天线阵的方向图（d=λ/4）八元端射式天线阵的方向图（d=λ/4）P235.4线天线2、天线阵将若干天线按照一定的规则进行排P245.5

地平面的影响-镜像法Thefigurebelowillustratessomesimplecurrentconfigurationsandtheirimagesinaperfectlyconductingplane.Theimagecurrentsflowingperpendiculartotheplanewillbeinthesamedirectionasthesourcecurrents.Theimagecurrentsflowingparalleltotheplaneareintheoppositedirectionofthesourcecurrents.Thissuggeststhatthefieldsfromcurrentsourcesparalleltoandneartheplanearedecreasedbytheplane,whilefieldsfromcurrentsourcesperpendiculartotheplaneareenhancedbytheplane.P245.5地平面的影响-镜像法ThefiguP255.5

地平面的影响-镜像法

Half-wavedipolesmakegoodantennasformanyapplications,buttheyarelargeatlowfrequenciesandmaynotoperateasintendedclosetoalargemetalsurface.Aquarter-wavemonopoleissimplyhalfofahalf-wavedipoledrivenrelativetoalargemetalplaneasillustratedisFigure11.Thelowerhalfofthemonopolecanbemodeledastheimageoftheupperhalf.Thereforetheradiatingpropertiesofthequarter-wavemonopolearesimilartothoseofthehalf-wavedipole.Theinputimpedanceofaresonantquarter-wavemonopoleisexactlyhalfthatofaresonanthalf-wavedipoleorabout36ohms.Quarter-WaveMonopoles（1/4波长单极天线）

Cablesdrivenrelativetolargemetallicenclosurescanoftenbemodeledasmonopoleantennas.Sinceresonantmonopoleantennasareveryefficientradiationsources,itisimportanttoensurethatvoltagesbetweencablesandenclosuresbeheldtoverysmallvaluesatfrequenciesthatmightbenearcableresonances.P255.5地平面的影响-镜像法Half-wavP265.5

地平面的影响-镜像法

Atapproximatelywhatfrequencydoesa25-cmwireattachedtoalargemetalstructurelooklikeaquarter-wavemonopoleantenna?Example4

Theexactanswerdependsontheorientationofthewire,thecrosssectionofthewire,thestructure'ssizeandshape,andotherfactors.However,25cmisaquarterwavelengthat300MHz.Thecableislikelytoresonateandbecomeanefficientantennanearthisfrequency.P265.5地平面的影响-镜像法AtapproP275.6

输入阻抗(从天线的输入端口看进去，端口上的电压与电流的比值)(电源提供给天线的复功率)电源提供的功率分别转化为：辐射到空间的功率Prad，天线的有限导电性导致的欧姆损耗功率Pdiss，以及存储在天线近场区的无功功率Q（磁场能量与电场能量之差）。详细推导可借助于复坡印廷定理。P275.6输入阻抗(从天线的输入端口看进去，端口上的电压P285.6

输入阻抗辐射电阻Rrad可以用天线的辐射功率（需要知道远场区场分布）计算；损耗电阻Rdiss可用天线上的电流分布及天线的电导率来计算；电抗Xin可以用天线近场区的场分布—近场区磁场能量与电场能量差来表示（远场区二者之差为零）。对于电小尺寸的天线，其近场区的分布与其静态场分布是一致的。因此，可以用静态电路参数来估计其电抗Xin。例如，电偶极子天线在静态情况下显然是一个电容，而磁偶极天线在静态情况下则是一个电感。更一般的情况，需要获得天线上的精确电流分布，进而获得精确的场分布，有了电流分布和场分布，计算输入阻抗就没有了原则困难。当然，测试也是获得输入阻抗的有效方法。P285.6输入阻抗辐射电阻Rrad可以用天线的辐射功率（P295.6

输入阻抗对称振子的输入阻抗随振子长度（总长度）的变化P295.6输入阻抗对称振子的输入阻抗随振子长度（总长度）P305.6

输入阻抗

Calculatethepowerradiatedbyalosslesshalf-waveelectricdipoledrivenbya1.0-voltsource,andTofindthemaximumradiatedfieldstrengthat3metersfromthisantennaExample5辐射电阻提示：半波长振子的辐射电阻约为73欧姆P305.6输入阻抗CalculatetheP315.1自由空间的电磁辐射5.2电偶极子天线5.3磁偶极子天线5.4线天线5.5地平面的影响-镜像法5.6输入阻抗第五讲高频场耦合(1)P15.1自由空间的电磁辐射第五讲高频场耦合(1)P325.1自由空间的电磁辐射电磁能量以波动的形式由源向空间传播的过程称为电磁辐射。描述电磁辐射的基本方程是maxwell方程组。直接求解maxwell方程组比较麻烦。引入动态位，可以简化求解过程。1、动态位的引入矢量动态位标量动态位P25.1自由空间的电磁辐射电磁能量以波动的形式由源向空间P335.1自由空间的电磁辐射1、动态位的引入P35.1自由空间的电磁辐射1、动态位的引入P345.1自由空间的电磁辐射2、洛伦兹规范不难验证，如果关于动态位的方程的解不具有唯一性，因为下式中的新的动态位也能满足上述方程。为了使得动态的求解具有唯一性，我们强加一个条件，即该式被称为洛伦兹规范。P45.1自由空间的电磁辐射2、洛伦兹规范不难验证，如果关P355.1自由空间的电磁辐射3、达朗贝尔方程(达朗贝尔方程)达朗贝尔方程的特点：属于非齐次波动方程；电流与电荷量解耦；矢量动态位与标量动态位解耦；矢量动态位方程与标量动态位方程对称。P55.1自由空间的电磁辐射3、达朗贝尔方程(达朗贝尔方程P365.1自由空间的电磁辐射4、达朗贝尔方程的求解方法-时变点电荷激励下的标量动态位点电荷情况下的标量动态位方程通解特解为电磁波速度P65.1自由空间的电磁辐射4、达朗贝尔方程的求解方法-时P375.1自由空间的电磁辐射5、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式因达朗贝尔方程为线性方程,根据叠加定理，分布电荷产生的标量动态位为类比可知，分布电流产生的矢量动态位为P75.1自由空间的电磁辐射5、分布源激励下的动态位解-动P385.1自由空间的电磁辐射6、分布源激励下的动态位解-动态位的积分公式-时谐场情况的相量解时域解:同理:其中:为波数或相位常数相量解P85.1自由空间的电磁辐射6、分布源激励下的动态位解-动P395.2电偶极子天线又称电基本振子,指一段载有高频电流的线电流元,其长度远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。现实当中复杂天线可以被认为是由许多这样的电流元构成,因而单元辐射子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。1、场表达式P95.2电偶极子天线又称电基本振子,指一段载有高频电流P405.2电偶极子天线定义电场强度与磁场强度的横向分量之比为电偶极子的波阻抗，即2、波阻抗其中称为介质的特性阻抗。对于自由空间而言，特性阻抗为P105.2电偶极子天线定义电场强度与磁场强度的横向分量之P415.2电偶极子天线一般将满足下述条件的区域称为近场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为近场3、近场区近场区场表达式特点:b)

越靠近源,电场分量相对磁场分量越强。c)在某一时刻电场与静电场中电偶极子产生的电场相似，磁场与恒定磁场中元电流产生的磁场相似，称之为似稳场。a)

电场分量与磁场分量相互垂直，相位差90度。P115.2电偶极子天线一般将满足下述条件的区域称为近场区P425.2电偶极子天线4、远场区远场表达式特点:一般将满足下述条件的区域称为远场区，将电磁辐射元件在近区产生的电磁场称为远场b)

电场分量与磁场分量均与成反比,二者振幅比值恒定为:a)

电场分量与磁场分量相互垂直，同相位。c)

电场分量、磁场分量及传播方向三者互相垂直并成右手螺旋关系P125.2电偶极子天线4、远场区远场表达式特点:一般将满P435.2电偶极子天线5、方向图远场区，在以天线为球心的球面上，电场强度的振幅随角度和变化的函数，被称为天线的方向图函数f(,)电偶极子天线的方向图函数P135.2电偶极子天线5、方向图远场区，在以天线为球心的P445.2电偶极子天线6、辐射功率和辐射电阻天线的辐射功率Prad定义为，以包围了天线的闭合曲面上，计算从该曲面穿出去的电磁功率的平均值（即计算坡印廷矢量的平均值（或复坡印廷矢量的实部）在该闭合曲面的通量）。具体计算时，可以在远场区选取一个以天线为球心的球面，计算穿过该球面的电磁功率。此时，坡印廷矢量的方向与球面垂直。在电偶极天线的远场区，复坡印廷矢量辐射电阻Rrad定义为：天线馈入点的电流的平方与辐射电阻的乘积等于天线的辐射功率。P145.2电偶极子天线6、辐射功率和辐射电阻天线的辐射功P455.2电偶极子天线Example1Aelectricdipolehasalengthof1cmandcarriesa1A,100MHzcurrent.Determinethemagnitudeandphaseoftheelectricandmagneticfieldsatadistanceof1000mawayandbroadsidetotheantenna(θ=90o)P155.2电偶极子天线Example1AelecP465.2电偶极子天线Example2Themagnitudeofthefar-fieldelectricfieldofaelectricdipoleismeasuredatadistanceof100mas1mV/m.Determinethemagnitudeoftheelectricfieldat1000mP165.2电偶极子天线Example2ThemaP475.2电偶极子天线Example3

估算输电线路每公里长度的辐射功率P175.2电偶极子天线Example3估算输电线路P485.3

磁偶极子天线1、场表达式和波阻抗又称磁基本振子,指一段载有高频电流的圆环形线导线，其直径远小于电磁波长，沿线的电流处处等幅并且同相。其实际模型是电小环形天线。P185.3磁偶极子天线1、场表达式和波阻抗又称磁基本振子P495.3

磁偶极子天线2、近场、远场及方向图近场表达式远场表达式方向图与电偶极子天线P195.3磁偶极子天线2、近场、远场及方向图近场表达式远P505.3

磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子磁偶极子近场远场波阻抗方向图场分布具有对偶性波阻抗互为倒数方向图相同辐射电阻P205.3磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子磁P515.3

磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子近场区电场分量占主，磁偶极子近场区磁场分量占主，远场区电场与磁场均平衡P215.3磁偶极子天线3、与电偶极子天线的比较电偶极子近P525.4

线天线1、对称振子电流分布远场方向图辐射电阻P225.4线天线1、对称振子电流分布远场方向图辐射电阻P535.4

线天线2、天线阵将若干天线按照一定的规则进行排列，就组成了天线阵。若天线阵中各个单元天线为线天线且类型和取向均相同，并以相等的间隔d排列在一条直线上，各线天线的电流振幅均为I，但相位依次滞后同一数值，那么这种天线阵称为均匀直线式天线阵四元侧射式天线阵的方向图（d=λ/4）八元端射式天线阵的方向图（d=λ/4）P235.4线天线2、天线阵将若干天线按照一定的规则进行排P545.5

地平面的影响-镜像法Thefigurebelowillustratessomesimplecurrentconfigurationsandtheirimagesinaperfectlyconductingplane.Theimagecurrentsflowingperpendiculartotheplanewillbeinthesamedirectionasthesourcecurrents.Theimagecurrentsflowingparalleltotheplaneareintheoppositedirectionofthesourcecurrents.Thissuggeststhatthefieldsfromcurrentsourcesparalleltoandneartheplanearedecreasedbytheplane,whilefieldsfromcurrentsourcesperpendiculartotheplaneareenhancedbytheplane.P245.5地平面的影响-镜像法ThefiguP555.5

地平面的影响-镜像法

Half-wavedipolesmakegoodantennasformanyapplications,buttheyarelargeatlowfrequenciesandmaynotoperateasintendedclosetoalargemetalsurface.Aquarter-wavemonopoleissimplyhalfofahalf-wavedipoledrivenrelativetoalargemetalplaneasillustratedisFigure11.Thelowerhalfofthemonopolecanbemodeledastheimageoftheupperhalf.Thereforetheradiatingpropertiesofthequarter-wavemonopolearesimilartothoseofthehalf-wavedipole.Theinputimpedanceofaresonantquarter-wavemonopoleisexactlyhalfthatofaresonanthalf-wavedipoleorabout36ohms.Quarter-WaveMonopoles（1/4波长单极天线）

Cablesdrivenrelativetolargemetallicenclosurescanoftenbemodeledasmonopoleantennas.Sinceresonantmonopoleantennasareveryefficientradiationsources,itisimportanttoensurethatvoltagesbetweencablesandenclosuresbeheldtoverysmallvaluesatfrequenciesthatmightbenearcableresonances.P255.5地平面的影响-镜像法Half-wavP565.5

地平面的影响-镜像法

Atapproximatelywhatfrequencydoesa25-cmwireattachedtoalarg