天线阵方向图相乘原理课件.ppt

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1、第八章电磁波辐射第六章讨论了电磁波在无界空间的传播问题和在分界面上的反射与透射问题，第七章讨论了电磁波在均匀导波系统内的传播问题，所有这些讨论都是假定电磁波已经建立，那么电磁波究竟是如何产生的呢？本章将着手讨论该问题。产生电磁波的振荡源一般称为天线。对于天线，所关心的是它的辐射场强、方向性、辐射功率和效率等。天线按结构可分为线天线和面天线两大类，线状天线如八木天线、拉杆天线等称为线天线，面状天线如抛物面天线等称为面天线。本章将首先从滞后位出发，根据矢量位求电流元和电流环产生的电磁场，再介绍天线的电参数和一些常用的天线。8.1电流元的辐射如图8-1所示，设一个

2、时变电流元位于坐标原点，沿Z轴放置，空间的媒质为线性均匀各向同性的理想介质。所谓电流元是指很短，沿上的电流振幅相等，相位相同。由第五章介绍的滞后位知：电流元产生的矢量位为(8-1)lI图8-1电流元的坐标利用球坐标与直角坐标单位矢量之间的互换关系式（1-20），可得矢量位在球坐标系中的三个分量为（8-2）则电流元产生的磁场强度为将式（8-2）代入上式，得（8-3）将式（8-3）代入麦克斯韦方程，得其中（8-4a）（8-4b）（8-4c)下面分别讨论电流元附近和远距离处的电磁场表达式。这里所讲的远近是相对于波长而言的，距离远小于波长的区域称为近区，反之，距离远

3、大于波长的区域称为远区。(1)当，即或时，，那么由式（8-3）和式（8-4）得(8-5a)(8-5b)(8-5c)从以上结果可以看出，式(8-5a)与恒定电流元产生的磁场相同。考虑到，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。由式(8-5)还可以看出，电场与磁场的相位差为，平均能流密度矢量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。(2)当，即或时，式（8-3）和式（8-4）中的及其高次项可以忽略，并将代入得(8-6a)(8-6b)式中为媒质的本质阻抗。由上式可见，

4、电流元产生的远区场具有如下特点：(a)在远区，平均能流密度矢量这表明有电磁能量沿径向辐射，所以远区场又称为辐射场。(b)远区电场与磁场相互垂直，且与传播方向垂直，电场与磁场的比值等于媒质的本质阻抗，即。(c)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。(d)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。由式（8-6）可见，沿Z轴放置的电流元的方向图函数为，在电流元的轴线方向上辐射为零，在垂直于电流元轴线的方向上辐射最强。电流元的辐射场强与方位角无关。下面

5、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将代入上式，可得自由空间中电流元的辐射功率为(8-7)此辐射功率是由与电流元相连的电源供给的，可用一个电阻上的消耗功率来等效，则此等效电阻称为辐射电阻。根据和式（8-7），可得电流元的辐射电阻为(8-8)辐射电阻是用来衡量天线的辐射能力的，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天线的电参数一、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

6、称为天线的方向图。由于天线的辐射场分布在整个空间，所以天线的方向图通常是一个三维的立体图形。要绘制这样的三维立体方向图是不方便的，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。对于上节介绍的电流元，其方向图函数为。采用极坐标，以为变量，在等于常数的平面内，方向图函数的变化轨迹为两个圆，如图8-2a所示。由于方向图函数与无关，所以在的平面内，方向图函数的变化轨迹为一个圆，如图8-2b所示。电流元的立体方向图如图8-2c所示。图8-

7、2a电流元E面方向图图8-2b电流元H面方向图xyz图8-2c电流元立体方向图实际天线的方向图要比图8-2复杂。图8-3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主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即场强为最大值的倍）之间的夹角，称为主瓣宽度，也称半功率波瓣宽度，用或表示。主瓣宽度愈小，天线辐射的电磁能量愈集中，定向性愈好。在主瓣最大方向两侧，两个零辐射方向之间的夹角，称为零功率波瓣宽度，用表示。由图8-2可见，

8、电流元的主瓣宽度，零功率波瓣宽度。副瓣最大辐射方向上