第8章、电磁波辐射.ppt

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1、第5章、电磁波辐射8.1电流元的辐射8.2天线的电参数8.3电流环的辐射8.4缝隙的辐射8.5对称振子天线8.6天线阵8.1电流元的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。Ild电流元产生的矢量位为lI图8-1电流元的坐标球坐标系中的产生的磁场求得由麦克斯韦方程其中由于，可以认为上式中，又因电流仅具有z分量，即，因此距离远小于波长(r<<)的区域称为近区；反之，(r

2、>>)的区域称为远区。式（8-5a）与恒定电流元产生的磁场相同。考虑，式（8-5b）和式（8-5c）与电偶极子产生的静电场相同。所以可把时变电流元产生的近区场称为似稳场。另外,电场与磁场的相位差为。这表明近区场没有电磁能量向外辐射，能量被束缚在源的周围，因此近区场又称为束缚场。远区场。因，，式（8-3）和式（8-4）中的式中的高次项可以忽略，结果只剩下两个分量和，经整理后得(1)在远区，平均能流密度矢量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

3、场。（2）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。（3）远区电磁场只有横向分量，在传播方向上的分量等于零，所以远区场为TEM波。（4）远区场的振幅不仅与距离有关，而且还与观察点的方位有关，即在离开电流元一定距离处，场强随角度变化的函数称为方向图函数，用表示。下面讨论电流元在远区产生的辐射功率。用一个球面将电流元包围起来，电流元的辐射功率将全部穿过球面，则电流元产生的总辐射功率为当可得用一个电阻上的消耗功率来等效辐射电阻是用来衡量天线的辐射

4、能力的，辐射电阻越大意味着天线向外辐射的功率越大，天线的辐射能力越强。8.2天线的电参数1、方向图函数和方向图在离开天线一定距离处，辐射场在空间随角度变化的函数称为天线的方向图函数，用表示。根据方向图函数绘制的图形称为天线的方向图。通常工程上采用两个相互垂直的主平面上的方向图来表示，即E面方向图和H面方向图。E面是指电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面，H面是指磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。对于上节提到的电流元方向图为图8-2a电流元E面方向图图8-2b电流元H面方向图xyz图8-2

5、c电流元立体方向图图为某天线的方向图，它有很多波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣。其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他波瓣统称为副瓣，把位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。主瓣第一副瓣后瓣主轴图8-3天线方向图的一般形状为了定量地描述主叶的宽窄程度，通常定义：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。主瓣宽度愈小，天线辐射的电磁能量愈集中，定向性愈好。副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值，称为副瓣电平，用

6、dB表示。通常离主瓣近的副瓣电平要比远的高，所以副瓣电平通常是指第一副瓣电平。一般要求副瓣电平尽可能低。2、方向性系数也可定义：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，无向天线所需辐射功率与有向天线的辐射功率之比值，即在相等的辐射功率下，天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比，即已知有向天线的辐射功率Pr为式中S代表以天线为中心的闭合球面。根据无向天线的特性，其辐射功率应为求得由上式可以求得电流元的方向性系数为1.5。任何实际使用的天线均

7、具有一定的损耗，天线获得的输入功率，只有其中一部分功率向空间辐射，另一部分被天线自身消耗。因此，实际天线的输入功率大于辐射功率。天线的辐射功率Pr与输入功率之比称为天线的辐射效率，以表示，即3、辐射效率4、增益系数描述实际天线性能的另一个参数是增益，以G表示。定义为：在相同的的输入功率下，天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比也可以定义为：在天线最大辐射方向上产生相等电场强度的条件下，理想的无方向性天线所需的输入功率与被研究天线的输入功率之比8.3电流环

8、的辐射电流环是一个载有均匀同相时变电流的导线圆环，其圆环半径a远小于波长，也远小于观察距离r。设电流环位于无限大的空间，周围媒质是均匀线性且各向同性的。建立直角坐标系，令电流环位于坐标原点，且电流环所在平面与平面一致，如下图示。显然，在相应的球坐标系中，因结构对称于z轴，电流环的场强一定与角度无关。为了简单起见，令观察点位于平面。已知线电流产生的矢量位为zyxrareyxaeee-exr根据几何关系以及时近似计算，求得由此可见，电流