第8章-遥感物理

第8章电磁辐射

电磁波的辐射及其计算公式电磁波辐射基本单元的辐射特性天线的一般概念及其主要参数作为信息的载体应用于通信、广播、电视

电磁波作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控

能量存在的一种形式研究设计产生能满足各种应用要求的电磁波时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波电磁波辐射问题电磁波的辐射：根源：运动电荷或

时变电流变化的磁场产生电场，变化的电场又激发磁场……

天线：

能向自由空间辐射电磁波或从自由空间接收电磁波的装置8.1滞后位+-发射机导体电流振子天线：电荷电流电磁场的分布电磁场、源和边界条件作为整体求解yzxPO在洛仑兹条件下，波动方程为动态矢量位：动态标量位：解为：观察点比源点滞后滞后位

对于正弦电磁波，电流和电荷以正弦规律变化，则可得标量滞后位、矢量滞后位的复数形式为：滞后位的复数形式8.2电偶极子的辐射发射机（时变电信号）导体导体（天线）上电流的大小和相位分布是不均匀的和时变的，通过随时间变化的电流在空间激发变化的电磁场，从而辐射电磁波。GPS卫星天线系统rzyx

,

P(x,y,z)O天线位于坐标原点电流元的大小为：6.2.2电流振子激发的电磁场（假设）在球坐标系中：对于辐射问题，场点远离源区，源激发的电场可利用其与磁场的关系计算。采用球坐标系，源激发电磁场的计算公式为：天线外部的电磁场（转换成球坐标系）可见，在球坐标系中，z

向电流元的电场场强具有与传播方向r平行的纵向分量，而磁场场强只具有与传播方向垂直的横向分量。rIdlzyx

,

EErH场量均随(kr)的变化而变化8.2.1电偶极子的近区场电磁场分量：电场和磁场始终保持的相位差没有能量向外部输运。8.2.2电偶极子的远区场电磁场分量：远区场特点：1、电磁场的传播方向为r，而电场及磁场均与r垂直，远区场为TEM波。2、电场和磁场在空间相互垂直，其比值即媒质的特性阻抗为：电磁能量向外辐射，因此远区场为辐射场。3、平均坡印廷矢量为：4、电磁场的瞬时值为：其等相位面方程为，则r=常数。等相位面为球面。在等相位面上，电场和磁场的振幅相同，且振幅随r的增加而衰减。8.2.2电偶极子的远区场5、辐射场具有方向性。在同一半径的球面上，不同方向辐射场的强度随方位的不同而变化，所以电偶极子远区场是非均匀的球面波。

场强度随方向变化的曲线（归一化）：天线辐射场规一化了的方向图为什么在电偶极子轴线方向没有电磁波的辐射？8.2.2电偶极子的远区场

在单位时间内通过半径为r的球面向外传播的电磁能为：在单位时间通过任意半径球面向外传输的能量（功率）是相同的

由于能量不断向外辐射，要保证辐射进行下去，必须提供能源，如发射机。如何设计信号源，以保证天线辐射功率能达到预期要求？8.2.2电偶极子的远区场设天线是理想的天线(没有损耗)，发射机与天线匹配，发射机供给的能量全部被天线辐射出去，天线可以看作一个两端网络。天线的辐射能力可应用二端网络的等效电阻表征，称为天线的辐射电阻，是衡量天线辐射电磁场能力的重要参量。发射机发射机8.2.2电偶极子的远区场天线的辐射电阻为：在实际中，输入阻抗并不完全等于辐射电阻，这是因为输入到天线上的能量并不完全被辐射，还包括天线导体的热损耗、天线近场储存的能量，使得输入阻抗并非是纯电阻。8.2.2电偶极子的远区场8.3电与磁的对偶性无源区中的Maxwell方程组对称关系：对偶性方程对偶量有源区，Maxwell方程为不对称（磁荷）（磁流密度）引入假想的“磁荷”和“磁流”，并满足守恒定律电荷、电流、磁荷、磁流各自独立激发电磁场！8.4磁偶极子的辐射小电流环天线，是指载有时谐电流的导线圆环，其圆环半径a<<，且a<<r。分子电流观点：电流环用磁矩表示磁荷观点：电流环用磁偶极子表示dl+qm-qmids结合点：磁流：

若已求出电荷及电流产生的电磁场，只要将其式中各个对应参量用对偶原理的关系置换以后，获得的表示式即是具有相同分布特性的磁荷与磁流产生的电磁场。电偶极子辐射场：问题：进行置换时，必须求出磁偶极子假想的磁流，将磁流和电流进行置换磁偶极子（电流环）：磁偶极矩zyxs磁荷磁流电场分量：电偶极子：Im磁场分量：电偶极子：Im近场区电磁场远场区的辐射场无能量外输送有能量向外辐射与电偶极子的辐射场相比，除了电场和磁场的极化方向互为置换外，其它特性类似【例1】设导线的长度为1米，求制作成圆环和电偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为1MHz解：圆环天线辐射场为

天线通过半径为r的球面向外辐射的功率为利用辐射电阻的定义，得到小电流圆环（磁偶极子）的辐射电阻是

电偶极子的辐射电阻是

同样频率、同样长度的导线制作成小电流环天线的辐射阻抗远小于制作电偶极子天线的辐射阻抗。这说明小电流环天线辐射电磁波的能力远小于电偶极子天线。8.5天线的基本参数天线是专门用于发射和接收电磁波的装置。电偶极子、小电流圆环和半波振子天线辐射场具有共同的基本特性。对于一般的天线，无论其结构如何复杂，它们都有与电偶极子相类似的辐射场结构，即：电偶极子任意天线

＝极化·幅度·

电流·结构·距离·方向性·

相位偏振方向常数因子与发射功率相关球面波能量的扩散空间分布的特性天线与场点之间的相位差1、方向性函数、方向图与波瓣宽度

天线在空间辐射电磁波具有方向特性，在某些方向上辐射能力强，而在另外一些方向上，辐射能力弱。利用天线的这一特点实现电磁波信号的定向传输。天线场强方向性函数：天线功率方向性函数：zE面方向图θ根据方向性函数绘制出的三维图形称为方向性图。主要分为：E面：与电场矢量平行，并通过场强最大处的平面；H面：与磁场矢量平行，并通过场强最大处的平面。电偶极子方向性函数为xyzrEEHH电流元yxH面方向图Φ实际天线的方向性图呈现许多花瓣形状，一般由主波束和若干个副波束组成。xzy主射方向主叶（主波束）后叶副叶（副波束）零射方向零射方向1半功率角（或波束宽度）：波束宽度越小，天线辐射能量在主波束方向上越集中！2、方向性系数在相同的辐射功率下，某天线产生的最大辐射方向上某距离处的功率密度与一理想的无方向性天线在同一距离处产生的功率密度之比。在距离r处，天线的输出功率：

无方向性天线：是指没有方向性的天线，它的辐射方向图为一球形，即在各方向的辐射强度相等，是一个理想的点源天线。方向性系数对于天线来说，方向性应愈强愈好，要求D

值愈高。

对理想天线，输入功率也等于天线的辐射功率。但在实际工程应用上，输入能量并不完全被天线辐射出去，真正用于电磁波辐射的能量是输入功率的一部分。3、天线效率：对于天线来说，应尽可能增