电磁辐射及原理课件.ppt

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1、第十章电磁辐射及原理主要内容电流元辐射、天线方向性、线天线、面天线、天线阵、对偶原理、镜像原理、互易原理、惠更斯原理1.电流元辐射2.天线方向性3.对称天线辐射4.天线阵辐射5.电流环辐射6.对偶原理7.镜像原理8.互易原理9.惠更斯原理10.面天线辐射1.电流元辐射一段载有均匀同相的时变电流的导线称为电流元，而且d<

2、P(x,y,z)O式中式中分析天线的电辐射特性，使用球坐标系较为方便。rIlzyx,又因电流仅具有z分量，即。矢量位A在球坐标系中的各分量为AzAr-A因此由求得磁场强度各个分量为由，或者，根据磁场强度算出电场强度为可见，在球坐标系中，z向电流元场强具有，及三个分量，而分量。电流元产生的电磁场为TM波。rIlzyx,EErH近区中的电磁场称为近区场，远区中的电磁场称为远区场。在电磁场中，物体的几何尺寸无关紧要，重要的是物体的波长尺寸，即以波长度量的尺寸。的区域称为近区；的区域称为远区。对

3、于近区场。因，，则低次项可以忽略，且令，那么近区场与静态场完全相同，无滞后现象，所以近区场称为似稳场。电场与磁场的时间相位差为，复能流密度的实部为零。能量没有单向流动，完全被束缚在源的周围，因此近区场又称为束缚场。恒定电流元Il电偶极子ql对于远区场。因，，则高次项可以忽略，只剩下两个分量和，得式中为周围介质的波阻抗。电流元远区场的特点：①传播方向为r，电场及磁场均与r垂直，远区场为TEM波，电场与磁场的关系为。②电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场又称为辐射场。③远区场强振幅与距离

4、r一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。④远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。与方位角及有关的函数称为方向性因子，以f(,)表示。z方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角无关，即。z向电流元在=0的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的=90方向上辐射最强。⑤电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。当然，在不同的方向上极化方向不同。除了上述线极化特性外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，

5、是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。天线的极化特性和天线的类型有关。接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2成反比，而辐射部分的场强振幅与距离r成反比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略。近区场远区场ErO为了计算辐射功率Pr，可将远区中的复能流密度矢量的实部沿半径为r的球面进行积分,式中,Sc为远区中的复能流密度矢量。即即得式中电流I为有效值。若周围为真空，波阻抗

6、，则辐射功率为为了衡量辐射功率的大小，使用辐射电阻Rr，其定义为电流元的辐射电阻为可见，电流元的波长尺寸越大，则辐射能力越强。例计算位于原点的x方向电流元的远区场。则各球面坐标分量为因，，解对于远区场仅需考虑与距离r一次方成反比的分量。远区场是向正r方向传播的TEM波。因此，电场强度E为rIlzyx,P(x,y,z)O求得远区磁场强度为可见，x方向电流元的不同场分量的方向性因子不同，此结果与z方向电流元完全不同。但是，并不意味着天线的辐射特性发生变化。电流元在其轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的方向上辐射最

7、强。改变天线相对于坐标系的方位，其方向性因子的表示式随之改变。2.天线方向性使用归一化方向性因子描述方向性比较方便。式中，fm为方向性因子的最大值。归一化方向性因子的最大值Fm=1。式中，为最强辐射方向上的场强振幅。其定义为任何天线的辐射场振幅可用归一化方向性因子表示为利用归一化方向性因子绘制天线的方向图。通常使用直角坐标系或极坐标系。z方向电流元的方向性因子，，。若用极坐标系，在任何等于常数的平面内，函数的变化轨迹为两个圆。yzyx在的平面内，以为变量的函数的轨迹为一个圆。将等于常数的平面内的方向图围绕

8、z轴旋转一周，即构成三维空间方向图。计算机绘制的三维空间的立体方向图更能形象地描述天线辐射场强的空间分布。xzyxyzrEEHH电流元辐射最强的方向称为主射方向，辐射为零的方向称为零射方向。具有主射方向的方向叶称为主叶，其余称为副叶。场强为主射方向上场强振幅的倍的两个方向之间的夹角称为半功率角，以表示；两个零射方向之间的夹角称为零功率角，以表示。20主射方向主叶后叶副叶零射方向零