西安交通大学电磁场与电磁波第十章电磁辐射及原理.pptx

第十章 电磁辐射及原理;; 电流元周围介质是无限大的均匀线性且各向同性的理想介质。;分析天线的电辐射特性，使用球坐标系较为方便。;由 求得磁场强度各个分量为;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 。; 近区中的电磁场称为近区场，远区中的电磁场称为远区场。; 对于近区场。因 ， ，则低次项 可以忽略，且令 ，那么 ; 对于远区场。因 ， ，则高次项可以忽略，只剩下两个分量 和 ，得; ③ 远区场强振幅与距离 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。; 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。 ; 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。; 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,; 为了衡量辐射功率的大小，使用辐射电阻 Rr，其定义为 ; 对于远区场仅需考虑与距离r 一次方成反比的分量。; 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。;2. 天线方向性 ; 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。; 将? 等于常数的平面内的方向图围绕 z 轴旋转一周，即构成三维空间方向图。; 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。; 当有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时，无向天线所需的辐射功率 与有向天线的辐射功率 之比值称为方向性系数D ，;已知有向天线的辐射功率为; 实际天线具有损耗，输入功率PA大于辐射功率Pr。Pr与PA 之比称为天线的效率? ,;3. 对称天线; 对称天线的半长为L，沿 z 轴放置，中点为原点，电流分布函数可以表示为;已知电流元 产生的远区电场强度为; 考虑到 ，可以近似认为 。但是相位因子中的 r 不能以r? 代替 。;2L = ?/2; 例 根据辐射电阻及方向性系数的定义，计算半波天线的辐射电阻及方向性系数。; 对称天线的电流分布是不均匀的，因此选取不同的电流作为参考电流，辐射电阻的数值将不同。常取波腹电流或输入端电流作为辐射电阻的参考电流，分别称为以波腹电流或输入端电流为参考的辐射电阻。;4. 天线阵辐射 ; 对于远区，若观察距离远大于天线阵的尺寸，可以认为各个单元天线对于观察点的取向是相同的。;求得 n 元天线阵的合成场强的振幅为 ;则 n 元天线阵场强的振幅可以表示为;可见，阵因子与单元天线的数目n、间距 d 及相位差? 有关。;阵因子达到最大值的条件为;单元天线电流相位相同的天线阵称为同相阵。;三种二元阵的方向图 ; 例 由四个相互平行的半波天线构成直线式四元天线阵。单元天线的间距为半波长，单元天线的电流同相，但电流振幅分别为 ， ，试求与单元天线垂直的平面内的方向性因子。 ; 根据方向图乘法规则，上述四元天线阵在yz平面内的方向性因子等于均匀直线式三元同相阵的阵因子与二元同相阵的阵因子的乘积。;5. 电流环辐射 ; 因结构对称于z轴，电流环的场强与角度?无关。为简单起见，令观察点P位于xz平面。 ;可见，电流环产生的电磁场为TE波。 ;方向性因子;电流环的辐射功率 和辐射电阻 分别为; 例 复合天线由电流元及电流环流构成。电流元的轴线垂直于电流环的平面。试求该复合天线的方向性因子及辐射场的极化特性。 ;合成远区电场为;6. 对偶原理 ; 现将电场及磁场分为两部分：一部分是由电荷及电流产生的电场 及磁场 ；另一部分是由磁荷及磁流产生的电场 及磁场 ，;比较上述两组方程，获得以下对应关系： ;那么， z 方向磁流元Ilm产生的远区场应为; 引入磁荷?m 及磁流 Im 后，两个积分形式的麦克斯韦方程修改为 ;