第10章电磁辐射及原理ppt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,天线阵,镜像原理1.电流元辐射2.天线的方向性3.对称天线辐射5.电流环辐射10.面天线辐射7/28/202111.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,电流元的直径d远小于长度l,而其长度又远小于波长以及观察距离。这里所谓的均匀同相电流是指导线上各点电流的振幅相等,且相位相同。Ild7/28/20212研究电流元的辐射特性具有重要的理论价值与实际意义。任何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的,电流元是线天线的基本单元。很多面天线也可直接根据面上的电流

2、分布求解其辐射特性。电流元的电磁辐射很富有代表性,它具备的很多特性是任何其它天线所共有的。设电流元位于无限大的空间,周围媒质是均匀线性且各向同性的理想介质。先建立直角坐标系,令电流元位于坐标原点,且沿z轴放置,如左图示。利用矢量磁位A计算其辐射场。那么该线电流I产生的矢量磁位A为式中r为场点,r'为源点。rIlzyx,P(x,y,z)o7/28/20213由于,可以认为上式中,又因电流仅具有z分量,即,因此式中为了讨论天线的电磁辐射特性,使用球坐标系较为方便。那么,求得上述矢量位A在球坐标系中的各分量为rIlzyx,A

3、AzAr-A再利用关系式,求得磁场强度各个分量为7/28/20214利用关系式,或者直接利用麦克斯韦方程根据已知的磁场强度即可计算电场强度,其结果为上述结果表明,在球坐标中,z向电流元场强具有,及三个分量,而。由此可见,可以认为电流元产生的电磁场为TM波。距离远小于波长(r<<)的区域称为近区;反之,(r>>)的区域称为远区。我们将会逐渐体会到物体对于电磁场的影响,其绝对的几何尺寸是无关紧要的。具有重要意义的是物体的尺寸相对于波长的大小,以波长度量的几何尺寸称为物体的波长尺寸。7/28/20215位于近区中的电磁场称为近区场

4、,位于远区中的电磁场称为远区场。近区场。因,,则上式中的低次项可以忽略,且令,那么将上式与静态场比较可见,它们分别是恒定电流元Il产生的磁场及电偶极子ql产生的静电场。场与源的相位完全相同,两者之间没有时差。这些特点表明,虽然电流元的电流随时间变化,但它产生的近区场与静态场的特性完全相同,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,能流密度的实部为零,只存在虚部。可见近区场中没有能量的单向流动,能量仅在场与源之间不断交换,近区场的能量完全被束缚在源的周围,因此近区场又称为束缚场。7/28/20216远区场。因,,则上

5、式中的高次项可以忽略,结果只剩下及两个分量和,经整理后得式中为电流元周围媒质的波阻抗。上式表明,电流元的远区场具有以下特点:(1)远区场为向r方向传播的电磁波。电场及磁场均与传播方向r垂直,可见远区场为TEM波,电场与磁场的关系为。(2)电场与磁场同相,复能流密度仅具有实部。又因单位矢量与的矢积为,可见能流密度矢量的方向为传播方向r。这就表明,远区中只有不断向外辐射的能量,所以远区场又称为辐射场。7/28/20217(3)远区场强振幅与距离r一次方成反比,场强随距离增加不断衰减。这种衰减不是媒质的损耗引起的,而是球面波固有的扩散特性

6、导致的。因为通过包围电流元球面的功率是一定的,但球面的面积与半径成正比,因此能流密度与距离平方成反比,场强振幅与距离一次方成反比。(4)远区场强振幅不仅与距离有关,而且与观察点所处的方位也有关,即在相等距离上处于不同方向的辐射场不等,这种特性称为天线的方向性。场强公式中与方位角及有关的函数称为方向性因子,以f(,)表示。由于电流元沿Z轴放置,具有轴对称特点,场强与方位角无关,方向性因子仅为方位角的函数,即。可见,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。

7、可见,电流元的辐射场具有线极化特性。当然在不同的方向上,场强的极化方向是不同的。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,它是一种辐射场,其场强振幅不仅与距离r成反比,同时也与方向有关。当然,严格说来,远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于形成能量交换部分的场强振幅至少与距离r2成反比,而构成能量辐射部分的场强振幅与距离r成反比,因此,远区中能量的交换部分所占的比重很小。相反,近区中能量的辐射部分可以忽略。7/28/20218天线的极化特性和天线的类型有关。天线可

8、以产生线极化、圆极化或椭圆极化。当天线接收电磁波时,天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致。否则只能收到部分能量,甚至完全不能接收。例如,只有当线天线的导线与被接收的电磁波电场方向一致时,才能在导线上产生最大的感应电流。当两

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