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1、第七章 电磁波的辐射 第七章 电磁波的辐射 一、电基本振子的远场辐射场一、电基本振子的远场辐射场u远区辐射场是远区辐射场是TEMTEM非均匀球面波。非均匀球面波。u电电场场与与磁磁场场在在时时间间上上同同相相位位，这这表表明明有有电电磁磁能能量量向向外外辐辐射射，辐辐射射方向是半径方向，故远场区称为辐射场。方向是半径方向，故远场区称为辐射场。uE E/HH=是一常数，等于媒质的波阻抗。是一常数，等于媒质的波阻抗。u远远区区场场辐辐射射具具有有方方向向性性，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向，辐射最大；沿着天线轴的方向，方向，辐射最大；沿着天线轴的方向，辐射为
2、零。辐射为零。第七章 电磁波的辐射 l电基本振子空气中辐射功率为电基本振子空气中辐射功率为：l电基本振子的电基本振子的辐射电阻辐射电阻Rr：l辐射电阻可以衡量天线的辐射能力，它仅取决于天线辐射电阻可以衡量天线的辐射能力，它仅取决于天线的结构和工作波长，是天线的一个重要参数。的结构和工作波长，是天线的一个重要参数。第七章 电磁波的辐射 l磁基本振子的远区辐射场具有以下特点：磁基本振子的远区辐射场具有以下特点：磁基本振子的辐射场也是磁基本振子的辐射场也是TEMTEM非均匀球面波。非均匀球面波。等相位，等相位，E E/(-/(-H H)=)=。电磁场辐射具有方向性，正比电磁场辐射具有方向性，正比si
3、nsin。取取向向：E E在在与与赤赤道道面面平平行行的的平平面面内内，而而H H在在子子午午面面。这点与电基本阵子电磁场取向正好相反。这点与电基本阵子电磁场取向正好相反。二、磁基本振子远场辐射场二、磁基本振子远场辐射场第七章 电磁波的辐射 例例7-2 7-2 计计算算长长度度d dl l=0.1=0.10 0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时的辐射功率和辐射电阻。时的辐射功率和辐射电阻。辐射电阻：辐射电阻：解：辐射功率解：辐射功率:第七章 电磁波的辐射 例例7-3.7-3.将周长为将周长为0.10.10 0的细导线绕成圆的细导线绕成圆环，以构造磁基环，以构
4、造磁基本振子，求此磁基本振子的辐射电阻。本振子，求此磁基本振子的辐射电阻。解：解：此电基本振子的辐射电阻为此电基本振子的辐射电阻为 长长度度为为磁磁基基本本振振子子周周长长的的电电基基本本振振子子的的辐辐射射电电阻阻（例例7-27-2）远远比比磁磁基基本本振振子子的的辐辐射射电电阻阻大大，即即电电基基本本振振子子的的辐辐射能力大于磁基本振子的辐射能力。射能力大于磁基本振子的辐射能力。第七章 电磁波的辐射 三、天线的电参数三、天线的电参数 l1 1、方方向向性性函函数数:任任何何实实际际天天线线的的辐辐射射都都具具有有方方向向性性。离离开开天天线线一一定定距距离离处处，描描述述天天线线辐辐射射的
5、的电电磁磁场场强强度度在在空空间间的的相相对对分分布布情情况况的的数数学学表表示示式式，称称为为天天线线的的方方向向性性函函数。数。l归一化方向性函数：归一化方向性函数：式中式中|E Emaxmax|是是|E E(，)|)|的最大值。的最大值。l电（磁）基本振子的方向性函数为：电（磁）基本振子的方向性函数为：第七章 电磁波的辐射 或：或：l2 2、方向性系数：当辐射功率相同时，天线在最大辐、方向性系数：当辐射功率相同时，天线在最大辐射方向上远区某一点的功率密度与理想无方向性天线在射方向上远区某一点的功率密度与理想无方向性天线在同一位置处辐射功率密度之比，为此天线的方向性系数。同一位置处辐射功率
6、密度之比，为此天线的方向性系数。l若若F(F(，)=F()=F()，即天线方向图轴对称即天线方向图轴对称(与与无无关关)时，则：时，则：l天线方向性系数总是大于天线方向性系数总是大于1 1，方向性越强，方向性越强，D D值越大。值越大。第七章 电磁波的辐射 l天线辐射功率为天线辐射功率为P Proro，方向性系数为，方向性系数为D D，最大辐射方向某，最大辐射方向某远点远点r r处的复振幅为处的复振幅为E Emaxmax为：为：l辐射功率不变，方向性系数辐射功率不变，方向性系数D D越大，最大辐射方向某点越大，最大辐射方向某点的电场强度的复振幅的模越大。对于无方向性天线，的电场强度的复振幅的模
7、越大。对于无方向性天线，D=1D=1，振幅最小。因此，能比较出不同天线最大辐射的相对，振幅最小。因此，能比较出不同天线最大辐射的相对大小，即方向性系数能比较不同天线方向性的强弱。大小，即方向性系数能比较不同天线方向性的强弱。第七章 电磁波的辐射 u例例如如为为了了在在空空间间一一定定距距离离的的M M点点产产生生一一定定的的场场强强，若若使使用用无无方方向向性性天天线线，需需要要馈馈给给无无方方向向性性天天线线10W10W的的辐辐射射功功率率；但但是是若若使使用用方方向向性性系系数数D=10D=10的的有有方方向向性性天天线线，并并将将有有方方向向性天线对准性天线对准M M点，就只需点，就只需
8、1W1W的辐射功率。的辐射功率。例例7-77-7计算电（磁）基本振子的方向性系数。计算电（磁）基本振子的方向性系数。解解：电电基基本本振振子子的的方方向向性性函函数数F F(，)=sin)=sin，故故其其方向性方向性系数为：系数为：第七章 电磁波的辐射 l3 3、天天线线的的辐辐射射效效率率(Radiation(Radiation Efficiency)Efficiency)表表征征天天线线能能否否有有效效地地转转换换能能量量，定定义义为为天天线线的的辐辐射射功功率率与与输输入到天线上的功率入到天线上的功率(输入功率输入功率)之比：之比：lP PL L表表示示天天线线的的总总损损耗耗功功率率
9、。通通常常，发发射射天天线线的的损损耗耗功功率率包包括括：天天线线导导体体中中的的热热损损耗耗、介介质质材材料料的的损损耗耗、天天线线附附近物体的感应损耗等。近物体的感应损耗等。第七章 电磁波的辐射 l4 4、增增益益系系数数：方方向向性性系系数数表表示示天天线线辐辐射射能能量量的的集集中中程程度度，辐辐射射效效率率表表征征在在转转换换能能量量上上的的效效能能。将将两两者者结结合合起起来来天天线线在在其其最最大大辐辐射射方方向向上上远远点点某某点点的的功功率率密密度度与与输输入入功功率率相相同同的的无无方方向向性性天天线线在在同同一一点点产产生生的的功功率率密密度度之比为增益系数之比为增益系数
10、，是表现天线总效能的一个指标。，是表现天线总效能的一个指标。第七章 电磁波的辐射 l增增益益系系数数与与方方向向性性系系数数的的计计算算式式相相似似，差差别别在在于于前前者者用输入功率用输入功率PinPin计算，后者用辐射功率计算，后者用辐射功率PrPr计算。计算。l只只要要当当天天线线的的方方向向性性系系数数D D值值大大，辐辐射射效效率率r也也高高时时，天天线线的的增增益益G才才较较高高。增增益益系系数数比比较较全全面面的的表表征征了了天天线线的性能。通常用的性能。通常用dB表示。表示。第七章 电磁波的辐射 lN N元均匀直线阵元均匀直线阵：若：若N N元直线阵，相邻阵元间的间距相等，各个
11、元直线阵，相邻阵元间的间距相等，各个阵元上的电流振幅也相等，电流相位则按等差级数递增或递减，阵元上的电流振幅也相等，电流相位则按等差级数递增或递减，称此直线阵为称此直线阵为N N元均匀直线阵。元均匀直线阵。l侧侧射射式式天天线线阵阵：各各个个阵阵元元激激励励电电流流同同相相的的均均匀匀直直线线阵阵，由由于于在在天线阵轴线两侧有最大的辐射，所以将其称为侧射式天线阵天线阵轴线两侧有最大的辐射，所以将其称为侧射式天线阵。四、天线阵四、天线阵 l改改变变阵阵元元相相位位差差，就就可可以以改改变变天天线线阵阵的的最最大大辐辐射射方方向向，这这就就是是相控阵天线相控阵天线的工作原理。的工作原理。l端端射射式式天天线线阵阵：当当=-=-kdkd时时，最最大大辐辐射射方方向向m m=0=0，所所以以天天线线阵阵的的最最大大辐辐射射方方向向在在其其轴轴线线方方向向上上。这这种种均均匀匀直直线线阵阵称称为为端端射射式天线阵式天线阵。