电磁能量辐射与天线.ppt

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1、8.1电磁辐射机理假设导线通有的电流为(C/m)为单位长度上的电荷,为电荷的运动速度。对长度为l的导线的时变电流，则随时间变化的电荷、电流，激发起电磁能量向外传播---电磁波(电磁辐射)。影响：对于无线电通信、导航和雷达而言，电磁辐射极其重要，需要充分利用。由于电子设备的辐射泄漏，影响附近其它电子设备或系统的正常工作，则是一种有害的电磁干扰，需要尽力避免和消除。辐射源：以天线作为产生电磁波的辐射源。单元偶极子、线天线及天线阵的辐射。偶极子天线：单元偶极子作为基本的辐射单元，实际的线形天线可以看成由许多这种偶极子天线构成，

2、天线所产生的电磁场可看成是这些偶极子天线所产生的电磁场的迭加。一、天线的形成以平行板电容器和长直载流螺线管为例可知即增加电容器极板间距d，缩小极板面积S，减少线圈数n，就可达到上述目的，具体方式如图所示。可见，开放的LC电路就是大家熟悉的天线！当有电荷（或电流）在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。图5.6.1电偶极子天线的形成的演示从LC电路的振荡频率                式可知，要提高振荡频率、开放电路，就必须降低电路中的电容值和电感值。8.2单元偶极子的电磁场图5.6.5动态描述单元偶极子天线辐

3、射形成的过程二.电磁辐射的过程当电偶极子p=qd以简谐方式振荡时向外辐射电磁波图5.6.2电偶极子天线信号发生器传输线或波导天线电磁波图8-1辐射系统设单元偶极子中的电流为对应的相量表示形式产生动态矢量位即分量：磁场xyzPo视为点源，它产生的场具有圆柱对称性，用球坐标描述它的位置。单元偶极子：长为l的一根载流导线，l<<。在l上面电流近似等值分布。电场表示单元偶极子到场点的距离r相当于总的相位移量。式中各项分母中所含βr的方次不同，在近距离内βr方次高的项起主要作用，而在远距离处βr方次低的项将起主要作用，

4、因此，将单元偶极子的辐射电磁场分为近区场和远区场。8.2.1单元偶极子的近区场βr相对低次项可忽略，场方程简化为式中：在靠近电偶极子的区域近区磁场与元电流段的恒定磁场相同；近区电场与电偶极子的静电场相同，单元偶极子所激发的近区场符合静态场的基本规律。因为电场与磁场在相位上相差90o，平均坡印亭矢量为零，这意味着近区忽略了辐射，电场与磁场之间只存在能量交换，没有能量输出。近区场又称为感应场。8.2.2单元偶极子的远区场βr低次项起主要作用，βr的高次项可忽略远区场有如下特点：(1)显示了行波，远区场是以球面波的形式传播的。

5、由于场量值与θ角相关，因此它是非均匀球面波。有能量沿径向朝四周辐射出去，常称远区场为辐射场。（2）与在空间互相垂直，在时间上同相位，平均坡印亭矢量（4）与之比为一常数，具有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，自由空间的波阻抗为应说明的是：在近区并不是没有辐射场，只是辐射场在起始时所占份额很小，被比它大得多的感应场淹没了。但它随距离衰减得比感应场慢得多，到了一定距离之后，它就远远超过感应场而占据了主导地位。（3）及与距离r成反比，比近区随距离的衰减慢得多。场量随r的增大而减小，即电磁波是以球面波形式向四周扩散，能量分布

6、到更大的球面面积上。推迟效应不能忽略。8.3单元偶极子的辐射功率和辐射电阻单元偶极子向自由空间辐射的总功率是以单元偶极子为球心，半径为r的球面上坡印亭矢量的积分因此zHExxySExExO可见，单元偶极子的辐射功率随I和Δl的增加而增加，I和Δl不变，频率越高，辐射功率越大。偶极子辐射的功率可看成为电阻中的损耗功率,单元偶极子的辐射电阻，表征了辐射电磁能量的能力，愈大辐射能力愈强。(辐射电阻)例8-1频率f=10MHz的信号源馈送给电流有效值为2.5A的电偶极子。设电偶极子的长度l=50cm。（1）分别计算赤道平面上离

7、原点0.5m和10km处的电场强度和磁场强度；（2）计算处的平均功率密度；（3）计算辐射电阻。解：1）在自由空间，，故r=0.5m处的点属近场区。则r=10km处的点属远场区，故2）r＝10km处的平均功率密度3）辐射电阻8.4辐射的方向性与方向图由式当r为定值时，场量正比于sin，功率密度正比于sin2，这种场量随空间方向变化的特征，称为辐射的方向性，用方向函数f(,)描述。按方向函数画的几何图形称为方向图。它直观地表示在不同方向、等距离的点处，辐射场的相对大小（a）xyzxyH面（c）yzE面（b）y为便于绘

8、制方向图，定义场强振幅的归一化方向函数为式中是的最大值。例如，单元偶极子的归一化方向函数为实际天线的方向图通常要比上面的图复杂，会出现很多波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣，如图所示，此图表示某天线的方向图（E面）。后瓣副瓣主瓣xz200.707主瓣1.0主瓣20.58.5线天线与天线阵能向空间辐射和接收电磁波的装置