第五章电磁波的辐射PPT讲稿.ppt

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1、第五章电磁波的辐射1 1第1页，共92页，编辑于2022年，星期三1.什么是辐射？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。一、辐射的基本概念一、辐射的基本概念2 2第2页，共92页，编辑于2022年，星期三赫兹实验赫兹实验 赫兹实验1889年,赫兹利用振荡电偶极子和共振电偶极子,进行了许多实验,结果证实了振荡电偶极子能够发射电磁波,并且证明了这种电磁波与光波一样,能产生反射、折射、干涉、衍射和偏

2、振等现象。所以赫兹实验证明了麦克斯韦的电磁波理论。3 3第3页，共92页，编辑于2022年，星期三电偶极子的辐射演示电偶极子的辐射演示无无线线电电广广播播、通通信信、遥遥测测、遥遥控控以以及及导导航航等等无无线线电电系系统统都都是是利利用用无无线线电电波波来来传传递递信信号号的的。而而无无线线电电波波的的发发射射和和接接收收都都通通过过天天线线来来完完成成，因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。4 4第4页，共92页，编辑于2022年，星期三发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发

3、射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输传输、发射发射、传传播播、接收接收等过程。等过程。接收机接收天线馈线下行波发射机发射天线馈线导行波5 5第5页，共92页，编辑于2022年，星期三 左左图图为为无无线线电电定定位位系系统统的的基基本本方方框框图图。发发射射天天线线和和接接收

4、收天天线线常常合合用用一一副副天天线线，利利用用天天线线开开关关的的转转换换作作用用，分分别别接接入入发发射射机机和和接接收收机机。当当天天线线与与发发射射机机接接通通时时，此此天天线线作作发发射射天天线线用用；当当天天线线与与接接收收机机接接通通时时，此此天天线线作作接接收收天线用。天线用。6 6第6页，共92页，编辑于2022年，星期三雷达探测目标演示7 7第7页，共92页，编辑于2022年，星期三8 8第8页，共92页，编辑于2022年，星期三9 9第9页，共92页，编辑于2022年，星期三1010第10页，共92页，编辑于2022年，星期三1111第11页，共92页，编辑于2022年，

5、星期三1212第12页，共92页，编辑于2022年，星期三1313第13页，共92页，编辑于2022年，星期三1414第14页，共92页，编辑于2022年，星期三1515第15页，共92页，编辑于2022年，星期三1616第16页，共92页，编辑于2022年，星期三三、滞后位三、滞后位 2.在时变场情况下，动态矢量位和动态标量位满足的方程 1.在静态场情况下，矢量位和标量位方程为其解为:麦克斯韦方程：得：已知：1717第17页，共92页，编辑于2022年，星期三利用矢量恒等式：洛仑兹规范：同理：达朗贝尔方程达朗贝尔方程求位于原点的时变点电荷为激励源的标量位求位于原点的时变点电荷为激励源的标量位

6、 的解形式的解形式1818第18页，共92页，编辑于2022年，星期三除原点所在位置处，空间中任一除原点所在位置处，空间中任一点处的点处的 满足满足在球坐标中上式为在球坐标中上式为设设 ，代入上式有，代入上式有 1919第19页，共92页，编辑于2022年，星期三上式为一维波动方程，其通解为上式为一维波动方程，其通解为 f1 代表沿半径方向向外发射的入射波，而代表沿半径方向向外发射的入射波，而f2 代表代表沿半径方向向内的沿半径方向向内的反射波，对于本问题，反射波，对于本问题，f2不存在。不存在。与点电荷的静电场比较：与点电荷的静电场比较：2020第20页，共92页，编辑于2022年，星期三位

7、于原点的时变点电荷为激励源的标量位位于原点的时变点电荷为激励源的标量位 的解为的解为是滞后位。是滞后位。若时变电荷源以若时变电荷源以 分布在体积分布在体积 内，则其在场点内，则其在场点p产生的电位为产生的电位为同理同理2121第21页，共92页，编辑于2022年，星期三对于正弦时变场，时间因子为：令：方程的解为：方程的解为：3 3、谐变电磁场的滞后位积分形式、谐变电磁场的滞后位积分形式 2222第22页，共92页，编辑于2022年，星期三4.4.由由 和和 的表示式可知的表示式可知 场点R处的 和 变化的相位较其源 和 落后 。该相位用时间表示：式中 就是波源 或 的变化传递到观察点所需要的时

8、间。距离波源R处在t 时刻 和 由前一时刻 的电流 和电荷密度 的值决定。因此将 和 称为滞后位。波源观察点2323第23页，共92页，编辑于2022年，星期三四、电偶极子的辐射四、电偶极子的辐射1.1.什么是电偶极子？什么是电偶极子？一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被称为电偶极子。当：,可近似地认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。2424第24页，共92页，编辑于2022年，星期三发射机（时发射机（时变电信号）变电信号）导导线线接接 地地电基本振子天线结构电基本振子天线结构赫兹电偶极子赫兹电偶极子2525第25页，共92页，编辑于2022年，星期三2.2.电偶极子

9、的辐射场电偶极子的辐射场（1）电偶极子的滞后位如图所示,已知电流元xyzlP2626第26页，共92页，编辑于2022年，星期三xyzlP在球坐标系在球坐标系2727第27页，共92页，编辑于2022年，星期三磁场由：得:（2）电偶极子的电磁场电偶极子的电磁场电场由：得:2828第28页，共92页，编辑于2022年，星期三（3 3）近区场）近区场 在靠近电偶极子的区域，当 。此时，则电磁场可近似为 可见：可见：电场和磁场的相位相差 ，因此能量在电场和磁场相互交换而平均坡印廷矢量为零，该区域的场称为感应场感应场。若将 代入上式得:感应场感应场2929第29页，共92页，编辑于2022年，星期三近

10、区中的电磁场分布为近区中的电磁场分布为 在近区中，时变电基本振子在近区中，时变电基本振子的电场与静电场中电偶极子的电场与静电场中电偶极子的电场分布相似；其磁场的的电场分布相似；其磁场的分布与稳恒磁场中电流元的分布与稳恒磁场中电流元的磁场分布相似。因此将近区磁场分布相似。因此将近区称为称为“似稳场似稳场”，且电场与，且电场与磁场有磁场有 的相位差。的相位差。3030第30页，共92页，编辑于2022年，星期三当当kr kr 1 1时时，r r /2/2，场场点点P P与与源源点点距距离离r r 远远大大于于波波长长 的区域称为远区。的区域称为远区。在远区中在远区中 远区电磁场表达式简化为远区电磁

11、场表达式简化为(4(4）远区场）远区场）远区场）远区场远区电磁场与近区电磁场具有不相同的分布远区电磁场与近区电磁场具有不相同的分布3131第31页，共92页，编辑于2022年，星期三（1）远区场中，电场与磁场）远区场中，电场与磁场的相位同相，的相位同相，存在，存在，说明有电磁能量沿波传播方说明有电磁能量沿波传播方向（即球的半径方向）向外向（即球的半径方向）向外传播，故远区场又称为传播，故远区场又称为“辐辐射场射场”。远区电磁场的特性：远区电磁场的特性：3232第32页，共92页，编辑于2022年，星期三（2）横电磁波横电磁波(TEM波波)。电场为线性极化电场为线性极化（3 3）平均坡印廷矢量沿

12、波）平均坡印廷矢量沿波 的传播方向的传播方向(4)(4)即为媒质的波阻抗。即为媒质的波阻抗。3333第33页，共92页，编辑于2022年，星期三（5）等等相相位位面面是是r r为为常常数数的的球球面面，远远区区辐辐射射场场是是球球面面波波。由由于于等等相相位位面面上上任任意意点点的的E E、H H振振幅幅与与 有关，所以是非均匀球面波。有关，所以是非均匀球面波。（6）场的振幅：远区场的振幅与）场的振幅：远区场的振幅与r成反成反比；与比；与I、dl/成正比。特别是场的振成正比。特别是场的振幅与幅与电长度电长度电长度电长度dl/有关，而不是仅与几何尺有关，而不是仅与几何尺寸寸dl 有关。有关。34

13、34第34页，共92页，编辑于2022年，星期三（7 7）场场的的方方向向性性：远远区区场场的的振振幅幅正正比比于于sinsin，在在垂垂直直于于天天线线轴轴的的方方向向(=90)=90)，辐辐射射场场最最大大；沿沿着着天天线线轴轴的的方方向向(=0)=0)，辐辐射射场场为为零零。这这说说明明电基本振子的辐射具有方向性，电基本振子的辐射具有方向性，这种方向性也是天线的一个主要特性。这种方向性也是天线的一个主要特性。3535第35页，共92页，编辑于2022年，星期三动态元天线辐射的过程动态元天线辐射的过程3636第36页，共92页，编辑于2022年，星期三+-振荡电偶极子附近的电磁场线振荡电偶

14、极子附近的电磁场线3737第37页，共92页，编辑于2022年，星期三电偶极子的方向图3.3.方向性函数和方向图方向性函数和方向图（1 1）方向性函数：方向性函数：场量随方向变化的函数称为天线的方向性 函数。归一化方向性函数 定义为：显然，电偶极子的方向性函数为：（2 2）方向图：）方向图：根据方向性函数画出的图形称为方向图。将 用极坐标画出来。xzxyE面方向图H 面方向图3838第38页，共92页，编辑于2022年，星期三例例1、对于理想的无方向性天线，即指向空间各个方向的、对于理想的无方向性天线，即指向空间各个方向的辐射都相同，由方向性函数的定义知：辐射都相同，由方向性函数的定义知：理想

15、的无方向性天线的方向性函数为理想的无方向性天线的方向性函数为3939第39页，共92页，编辑于2022年，星期三 如果用一个大的球面将天线包围起来，则从天线辐射出来的能量必然全部通过这个球面。4 4、辐射功率、辐射功率天线的总辐射功率为：其中：所以：设 ，则:在自由空间中，4040第40页，共92页，编辑于2022年，星期三由此假设：已知：5.5.辐射电阻辐射电阻 将天线的辐射功率视为电流 I I 在一等效电阻上的损耗功率，则该等效电阻称为辐射电阻。可见：辐射电阻表示天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射功率越强。设 ，则:在自由空间中，4141第41页，共92页，编辑于2022年，星期三

16、当点源天线的辐射场强与实际天线在最大辐射方向上的场强相同时，点源天线的辐射功率与实际天线的辐射功率之比为方向性系数。由此得：6.6.方向性系数方向性系数方向性系数表示为：对点源天线辐射而言:而：点源天线的总辐射功率实际天线的总辐射功率其中：xz点源天线点源天线实际天线实际天线4242第42页，共92页，编辑于2022年，星期三7.半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度 辐射功率等于最大辐射功率一半时的两个方向之间的夹角。方向性系数又可表示为：在相同的辐射功率下，实际天线产生的最大辐射场强 与点源天线的辐射场强 之比。对电偶极子辐射而言:故半功率波瓣宽度为：方向性系数的另一种定义为方向性系数的另一种定义为

17、：xz点源天线点源天线实际天线实际天线4343第43页，共92页，编辑于2022年，星期三例例2 2、某实际天线方向图的波瓣、某实际天线方向图的波瓣 主瓣宽度、副瓣电平、前后向抑制比主瓣宽度、副瓣电平、前后向抑制比4444第44页，共92页，编辑于2022年，星期三例例3 3、计计算算长长度度d dl/0 0=0.1=0.1的的电电基基本本振振子子，当当电电流流振振幅幅值值为为2 2 mAmA时的辐射电阻和辐射功率。时的辐射电阻和辐射功率。辐射功率为辐射功率为解解:辐射电阻辐射电阻4545第45页，共92页，编辑于2022年，星期三一、辐射的基本概念二、滞后位三、电偶极子的辐射第第7 7章章

18、电磁波的辐射电磁波的辐射回顾：1.什么是辐射？2.辐射产生的必要条件3.影响辐射强弱的原因达朗贝尔达朗贝尔方程方程2.2.辐射场：辐射场：平均坡印廷矢量：1.什么是电偶极子？4646第46页，共92页，编辑于2022年，星期三3.方向性函数为：4.辐射功率：5.辐射电阻：xzxyE面方向图H面方向图6.方向性系数：7.半功率波瓣宽度：xz点源天线点源天线电偶极子电偶极子4747第47页，共92页，编辑于2022年，星期三五、磁偶极子的辐射五、磁偶极子的辐射1.1.什么是磁偶极子？什么是磁偶极子？一个通有高频电流的小电流环的等效模型称为磁偶极子。磁偶极子是根据电磁对偶性派生出来的概念。2.2.对

19、偶原理的应用对偶原理的应用麦克斯韦尔方程：引入磁荷和磁流的概念之后，磁场各物理量就和电场各物理量一一对应起来了。下标m表示磁量，e 表示电量。磁流密度磁荷密度4848第48页，共92页，编辑于2022年，星期三只有电流源存在时对偶量：只有磁流源存在时已知：电偶极子的辐射场为由对偶原理得出：磁偶极子的辐射场磁流源 可见：利用对偶原理求解电磁学的一些问题，可大大简化推导过程。4949第49页，共92页，编辑于2022年，星期三4.4.方向性函数为：方向性函数为：5.5.辐射功率：辐射功率：6.6.辐射电阻：辐射电阻：xzxyH面方向图E 面方向图7.7.方向性系数：方向性系数：8.8.半功率波瓣宽

20、度：半功率波瓣宽度：3.3.磁偶极子的辐射场磁偶极子的辐射场5050第50页，共92页，编辑于2022年，星期三六、对称振子天线的辐射六、对称振子天线的辐射1.1.什么是对称振子？什么是对称振子？两段长度为 的直导线，从中间对称馈电，就构成对称振子。如图所示:对称振子上的电流分布为：5151第51页，共92页，编辑于2022年，星期三 在振子上取一小段dz，将其视为电偶极子，其辐射场为：2.2.对称振子的辐射场对称振子的辐射场该对称振子的辐射场就是整个振子长度上的积分:因为：辐射电场为：在分母上在指数上5252第52页，共92页，编辑于2022年，星期三对称振子的辐射磁场：对称振子的辐射磁场：

21、5353第53页，共92页，编辑于2022年，星期三3.3.对称振子的方向性函数：对称振子的方向性函数：不同长度振子的方向图：不同长度振子的方向图：5454第54页，共92页，编辑于2022年，星期三4.4.半波振子的辐射场半波振子的辐射场(2)(2)半波振子的方向性函数：半波振子的方向性函数：已知：对称振子的辐射场：将 代入上式，得：E面方向图xz(1)(1)半波振子的辐射场半波振子的辐射场5555第55页，共92页，编辑于2022年，星期三(4)半波振子的总辐射功率：(5)辐射电阻：(6)方向性系数：(7)半功率波瓣宽度：E 面方向图xz(3)半波振子的平均坡印廷矢量：5656第56页，共

22、92页，编辑于2022年，星期三七、七、天线阵的辐射天线阵的辐射1.1.什么是天线阵？什么是天线阵？由若干个辐射单元以各种形式（如直线、圆环、三角和平面等）在空间排列组成的天线系统称为天线阵。2.2.控制天线阵辐射的因素有哪些？控制天线阵辐射的因素有哪些？(1)阵元数目；(2)阵元排列方式；(3)阵元间距；(4)每个阵元的馈电电流的大小和相位。3.3.二元阵的辐射场二元阵的辐射场(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。5757第57页，共92页，编辑于2022年，星期三两单元的辐射电场分别为：（1 1）纵向等幅二元阵：）纵向等幅二元阵：单元辐射电场的幅值 单元

23、的方向性函数 该二元阵的辐射电场：其中：称为阵因子，用表示：(a)纵向二元阵远区情况：5858第58页，共92页，编辑于2022年，星期三同理，两单元的辐射电场分别为：（2 2）横向等幅二元阵：）横向等幅二元阵：远区情况：该二元阵的辐射电场：其中：(b)横向二元阵 N M所以：比较这两种二元阵，其辐射场的表达式形式相同，不同的是两阵元的相位差表示式不一样。5959第59页，共92页，编辑于2022年，星期三例：例：一个长度为 的电偶极子，其上电流为 ，将它平行地放置于一个无限大导电平板前，和板的距离为 ，如图所示，求辐射方向图。解：解：由于电偶极子置于无限大导电平板前，用其镜像法，镜像电流与源

24、电流等幅反相，因此构成了等幅反相馈电的二元阵 馈电电流分别为：两个阵元辐射场叠加为：其中：6060第60页，共92页，编辑于2022年，星期三 在分母中将 代入，得：式中：(1)在xOy平面的方向图，此时方向图由阵因子确定已知：其方向图如图所示。故方向性函数为:(2)在xOz平面的方向图，6161第61页，共92页，编辑于2022年，星期三 4.4.均匀直线阵均匀直线阵 直线阵：由N 个相同的单元天线等间距地排列在一条直线上 构成。均匀直线阵:若各单元上的馈电电流大小相同，而相位沿线均 匀递增或递减，这样的直线阵称为均匀直线阵。如图所示:N元直线阵 若第1单元的电流为 ，递增的相位值为 ，则第

25、n单元的电流可表示为N元均匀直线阵的辐射场由N个单元的辐射场叠加获得，即6262第62页，共92页，编辑于2022年，星期三对远场区而言，关系为：若令：则辐射场：均匀直线阵的归一化阵因子为：该直线阵的方向性函数为：6363第63页，共92页，编辑于2022年，星期三（1）若N=10各单元馈电电流等幅同相，单元间距为方向性函数为:在H平面内:方向图：在E平面内：6464第64页，共92页，编辑于2022年，星期三方向图：（2）当该均匀直线阵的参数为：方向性函数为：其中：在H平面内：在E平面内:6565第65页，共92页，编辑于2022年，星期三拉杆天线拉杆天线6666第66页，共92页，编辑于2

26、022年，星期三引向天线引向天线6767第67页，共92页，编辑于2022年，星期三喇叭天线喇叭天线6868第68页，共92页，编辑于2022年，星期三微带天线微带天线同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；比较容

27、易制成双频率工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。6969第69页，共92页，编辑于2022年，星期三卫星接收天线卫星接收天线宽带全向天线宽带全向天线3m3m微波接力通信天线微波接力通信天线7070第70页，共92页，编辑于2022年，星期三六十年代，美国在波多黎各阿雷西博镇建造了直径达305米的抛物面射电望远镜，它是顺着山坡固定在地表面上的，不能转动，这是世界上最大的单孔径射电望远镜它的无线电球面反射镜直径可达305米，是用将近4万个钻孔的铝质筛板

28、制成的。它能将入射的无线电波聚焦于安装在反射镜面上空的可移动天线上。这根天线可以向任何方向移动，这样可以跟踪某个天体。射电望远镜十分灵敏，它能够探测到距离达1300万光年处的天体。7171第71页，共92页，编辑于2022年，星期三中国探月工程昆明地面站中国探月工程昆明地面站40米天线建成验收米天线建成验收中新网7月18日电据中国科学院消息，7月16日，由中国科学院云南天文台承担建设的国家重大航天工程“嫦娥工程”地面应用系统昆明地面站40米天线建成验收。据了解，昆明地面站作为国家探月工程的组成部分，主要任务是完成探月卫星下传的月球观测数据的接收和记录存储；与北京密云地面站、乌鲁木齐南山站、上海

29、佘山站共同组成VLBI网，对绕月探测卫星进行精密定位。7272第72页，共92页，编辑于2022年，星期三中国远程相控阵雷达中国远程相控阵雷达7373第73页，共92页，编辑于2022年，星期三舰载对空搜索雷达天线舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线相控阵雷达天线7474第74页，共92页，编辑于2022年，星期三螺旋天线螺旋天线7575第75页，共92页，编辑于2022年，星期三俄罗斯新型有源相控阵雷俄罗斯新型有源相控阵雷达天线达天线俄军巨型雷达天线阵列俄军巨型雷达天线阵列7676第76页，共92页，编辑于2022年，星期三7777第77页，共92页，编辑于2022年，星期三（7.3）7878

30、第78页，共92页，编辑于2022年，星期三7979第79页，共92页，编辑于2022年，星期三8080第80页，共92页，编辑于2022年，星期三8181第81页，共92页，编辑于2022年，星期三8282第82页，共92页，编辑于2022年，星期三8383第83页，共92页，编辑于2022年，星期三8484第84页，共92页，编辑于2022年，星期三8585第85页，共92页，编辑于2022年，星期三8686第86页，共92页，编辑于2022年，星期三8787第87页，共92页，编辑于2022年，星期三8888第88页，共92页，编辑于2022年，星期三8989第89页，共92页，编辑于2022年，星期三9090第90页，共92页，编辑于2022年，星期三9191第91页，共92页，编辑于2022年，星期三9292第92页，共92页，编辑于2022年，星期三