电磁场与电磁波(第4版)第8章电磁辐射.ppt

2005-1-25 第一章 电磁场的数学物理基础 第一课 第一课 第一课 8.1 滞后位 8.3 电与磁的对偶性 8.4 磁偶极子的辐射 8.6 对称天线 8.6.3 半波对称天线 8.7 天线阵 8.7.1 方向图相乘原理 8.7.2 均匀直线阵 8.8.2 平面口径的辐射 本章内容基本要求 半波天线是应用最广的对称天线。 半波天线的辐射场 半波天线的归一化方向性函数 半波天线的主瓣宽度 半波天线的辐射电阻 半波天线的辐射功率 半波天线的方向性系数 或 天线阵是将若干个天线按一定规律排列组成的天线系统。 利用天线阵可以获得所期望的辐射特性，诸如更高的增益、需要的方向性图等。 组成天线阵的独立单元称为阵元，排列的方式有直线阵、平面阵等。 天线阵的辐射特性取决于阵元的型式、数目、排列方式、间距以及各阵元上的电流振幅和相位等。 如图所示两个沿 z 轴取向、沿 x 轴排列的对称天线构成的二元阵，间距为d 。设阵元1的激励电流为I1 , 阵元2的激励电流为 天线 2 天线1 x y Z d 二元阵 二元阵的辐射场等于两个阵元的辐射场的矢量和。 两阵元激励电流的振幅比 两阵元激励电流的相位差 两个阵元在观察点产生的电场 其中 (对振幅项) 对于远离天线阵的观察点，可作如下近似： (对相位项) 因此 式中 是观察点P 处的电场E1和E2的相位差。 观察点P 的合成电场为 方向图相乘原理原理对N元相似阵也适用。 阵因子，仅与各阵元的排列、激励电流的振幅和相位有关，而与阵元无关 元因子，只与阵元本身的结构和取向有关 二元阵的方向性函数等于阵因子和元因子的乘积，这就是方向图相乘原理。 均匀直线阵是指天线阵的各阵元结构相同，并以相同的取向和相等的间距排列成直线，各个阵元的激励电流振幅相等、相位则沿阵的轴线以相同的比例递增或递减的天线阵。 N个阵元沿 x 轴排列，两相邻阵元的间距为d ，激励电流相位差为 ，则相邻两阵元辐射场的相位差为 d d d 1 2 3 N x z // 至观察点P 均匀直线阵 4 O 则 故 N 元均匀直线阵的归一化阵因子 以阵元1为参考，则阵元 2 的辐射场的相位差为 ，阵元3的辐射场的相位差为2 ，依此类推。天线阵的辐射场为 因 N 元均匀直线阵的阵因子 8.8 口径场辐射 本节内容 8.8.1 惠更斯元的辐射 8.8.2 平面口径的辐射 惠更斯元是分析口径场辐射的基本元。将口径面S 分割成许多面元，这些面元就是惠更斯元。 如图所示，面元 位于xOy平面上，设面元上有均匀分布的切向电场 和切向磁场 。 8.8.1 惠更斯元的辐射 根据电磁场的等效原理，面元的磁场 可等效为一电流密度 ，电场 可等效为一磁流密度 ，且 惠更斯元及其坐标 P(x,y.z) x y z 沿 y 轴放置的电偶极子 的远区场 沿 x 轴的磁偶极子 的远区场 叠加即得惠更斯元的远区辐射场 (利用 ） 根据上式画出归一化方向性图如图所示。可见，惠更斯元的最大辐射方向与面元相垂直。 在E面（即 yOz 平面）上， ，则惠更斯元的辐射场 在H面（即 xOz 平面）上， ，则惠更斯元的辐射场 可见，惠更斯元的两个主平面上的归一化方向性函数均为 z 惠更斯元的归一化 方向性图 在E面和H面，将辐射场沿整个口径面积分，即得到平面口径面的远区辐射场 实际应用中的面天线，其口径面多为平面，例如喇叭天线、抛物面天线等。 y x z S o 平面口径面 如图所示，平面口径面位于xOy平面上，口径面积为S 。远区观察点为 ，面元dS至观察点的距离为 。 对于远区的观察点P（即当r 远远大于口径尺寸），可以认为 在E面（即yOz平面）上， ，则 在H面（即xOz平面）上， ，则 根据给定的口径面形状及口径面上的场分布计算出远区辐射场。 故得 如图所示，矩形口径面的尺寸为 ，口径面上的电场沿 y 轴方向且均匀分布，即 , 则 1