电磁辐射chapter08.ppt

第8章　电磁波的辐射 滞后位 电偶极子的辐射 电与磁的对偶性 磁偶极子的辐射 天线的基本参数 对称天线 天线阵 口径场的辐射 序：辐射的基本概念 1. 什么是辐射？ ?辐射：随时间变化的电磁场离开波源向空间传播的现象。 ?产生辐射的源称为天线。 2. 辐射产生的必要条件 （1）时变源存在。 （2）源电路是开放的。 3. 影响辐射强弱的原因 （1）源电路尺寸与辐射波的波长相比拟时 辐射较为明显。 （2）源电路越开放，辐射就越强。 电偶极子的辐射能量 平均坡印廷矢量 8.4磁偶极子的辐射 磁偶极子 小电流环，周长 波长 载有电流： 磁偶极子的辐射场 功率方向图 由于对称振子天线的辐射功率与辐射电阻的关系为 因此辐射电阻为 此式积分可以用正弦积分和余弦积分表示， 但更直接的计算是作数值积分。 半波振子的辐射电阻： 半波振子的方向性系数： 8.7 天线阵的辐射 1. 什么是天线阵？ 由若干个辐射单元以各种形式（如直线、圆环、三角、平面、共形等）在空间排列组成的天线系统称为天线阵。 2. 控制天线阵辐射的因素有哪些？ 阵元数目； 阵元排列方式； 阵元间距； 每个阵元的馈电电流的大小和相位。 阵元的形式 (a) 纵向二元阵 (b) 横向二元阵 二元阵是由相隔一定距离的两个辐射元组成。 * ~ ~ ~ 第8章　电磁波的辐射 达朗贝尔方程 8.1滞后位（推迟位） 由于点电荷在空间中产生的场具有球对称性，因此其产生的位函数 也具有球对称性。即： 。 设在时刻t，坐标原点处有点电荷 则在点电荷所在位置（无源区）外，标量位函数满足齐次波动方程 令 ，则上方程变为： 一维波动方程 解此方程，可知其通解形式为： 因此动态标量位的通解形式为： 通解第一项代表由原点沿径向向外传播的球面波 通解第二项代表由外沿径向向原点传播的球面波 解中f+和f-的具体形式由具体问题决定 对于辐射问题，标量位只需取第一项，即 电量大小随时间变化的点电荷 在空间中产生的位为： 续分布体电荷在空间产生的标量位函数为： 由此可知：在离开原点的r点处，t时刻的标量位不是由此时刻的电荷分布情况决定的，而是由t-r/c时刻的电荷分布决定的，即场点处的标量位变化滞后于源点的变化。滞后的时间等于源的变动以速度c从源点传播到场点所需要的时间。因此，定义： 同理，可知矢量滞后位表示为： 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 标量滞后位 8.2 电偶极子(元天线 )的辐射 ? 电偶极子的辐射场 电磁辐射系统最简单的形式是电偶极子和磁偶极子 电偶极子为长度远小于波长的载流线元，也称元天线 电偶极子辐射是天线工程中最基本的问题 设电偶极子电流为I ，长度为dl，电流方向为z向。可知： 代入矢量滞后位复数表达式 ? r Il z y x ? ? , ? A? Az Ar ? -A? 由麦克斯韦方程，知： 求得电偶极子在空间中产生的磁场为： 由矢量位的定义 ? 在靠近电偶极子的区域（ ） 电偶极子的近区辐射场可以近似为： 从场量表达式可知，在电偶极子近区，辐射场的电场和磁场相位相差900，电磁场的平均坡印廷矢量为0，故不存在传播的电磁波，因此电偶极子近区场也称感应场。 关于电偶极子辐射场的讨论： 电偶极子近区辐射场特性： ? 在远离电偶极子的区域（ ） 电场和磁场的相位相同、振幅相差120π 电场和磁场均垂直于传播方向，即为TEM波 平均坡印廷矢量0，说明有电磁能量向外辐射 辐射能量非均匀分布，具有方向性。?＝0和?，辐射场为零（最小值）；?＝?/2时，辐射场取最大值。 电偶极子远区辐射场特性： 辐射功率 电长度 辐射电阻 8.3电与磁的对偶性 电荷与电流是产生电磁场的源。自然界中至今尚未发现磁荷与磁流存在。但对于某些电磁场问题，引入假想的磁荷与磁流是有益的。 引入磁荷与磁流后，认为磁荷与磁流也产生电磁场。那么，前述描述正弦电磁场的麦克斯韦方程修改如下： 式中 J m(r) 磁流密度，单位V/m2 ； ? m(r) 磁荷密度，单位Wb/m3。 磁荷守恒定律: 如果将上述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 ，即 将上式代入前式，由于麦克斯韦方程是线性的，那么由电荷和电流产生的电磁场方程，以及由磁荷和磁流产生的电磁场方程分别如下： 将上述两组方程比较后，可以获得以下对应关系： 这个对应