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1、第八章电磁波的辐射与接收第1页，共33页，编辑于2022年，星期三一、引言一、引言1.什么是辐射？什么是辐射？辐射：随时间变化的电磁场离开波源向空间传辐射：随时间变化的电磁场离开波源向空间传播的现象。播的现象。电磁辐射的影响电磁辐射的影响有利方面、不利方面。有利方面、不利方面。源电路是开放的。源电路是开放的。2.辐射产生的必要条件辐射产生的必要条件时变源存在。时变源存在。第2页，共33页，编辑于2022年，星期三源电路越开放，辐射就越强。源电路越开放，辐射就越强。3.影响辐射强弱的原因影响辐射强弱的原因源电路尺寸与辐射波的波长相比拟辐射较为明显。源电路尺寸与辐射波的波长相比拟辐射较为明显。4.
2、产生辐射的源称为产生辐射的源称为天线。天线。(1)天线的基本功能天线的基本功能天线应能将导行波能量尽可能多的转变为电磁天线应能将导行波能量尽可能多的转变为电磁波能量。波能量。天线应使电磁波能量尽可能集中于确定的方向，或对天线应使电磁波能量尽可能集中于确定的方向，或对确定方向的来波最大限度地接收。确定方向的来波最大限度地接收。第3页，共33页，编辑于2022年，星期三天线应能发射和接收规定极化的电磁波。天线应能发射和接收规定极化的电磁波。天线应有足够的工作频率。天线应有足够的工作频率。(2)天线的分类天线的分类按用途：按用途：通信天线、通信天线、广播电视天线、雷达天线等；广播电视天线、雷达天线等
3、；按波长：按波长：长波天线、长波天线、短波天线、微波天线等；短波天线、微波天线等；按辐射元：按辐射元：线天线、线天线、面天线；面天线；按方向性：按方向性：全向天线、全向天线、定向天线；定向天线；按极化：按极化：线极化天线、线极化天线、圆极化天线、椭极化天线圆极化天线、椭极化天线第4页，共33页，编辑于2022年，星期三二、滞后位二、滞后位1.磁矢位和电标位磁矢位和电标位 静态场条件下：静态场条件下：时变场情况下：时变场情况下：麦克斯韦方程：麦克斯韦方程：已知：已知：第5页，共33页，编辑于2022年，星期三2.滞后位滞后位令令洛伦兹条件洛伦兹条件同理：同理：非齐次亥姆非齐次亥姆霍兹方程霍兹方程
4、第6页，共33页，编辑于2022年，星期三化为复数形式：化为复数形式：解得：解得：第7页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结 场点场点R处的处的 和和 变化的相变化的相位较其源位较其源 和和 落后落后 该相位用时间表示：该相位用时间表示：式中式中 就是波源就是波源 或或 的变化传递到观察点所需的变化传递到观察点所需要的时间。要的时间。距离波源距离波源R R处在处在t t 时刻时刻 和和 由前一时刻由前一时刻 的电的电流流 和电荷密度和电荷密度 的值决定。因此将的值决定。因此将 和和 称为称为滞后滞后位位。第8页，共33页，编辑于2022年，星期三三、电偶极子的辐射三、电偶极子的辐射1.
5、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，该导线被称为被称为电偶极子电偶极子。当：当：,可近似地认为导线上每一点的电流都是可近似地认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。等幅同相的。2.电偶极子的辐射场电偶极子的辐射场（1 1）电偶极子场的计算）电偶极子场的计算如图所示,已知电流元第9页，共33页，编辑于2022年，星期三在球坐标系在球坐标系第10页，共33页，编辑于2022年，星期三磁场由：磁场由：得得:电场由：电场由：得得:第11页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结 磁场只有一个分量
6、磁场只有一个分量 ，而电场有两个分量，而电场有两个分量 和和 ，由坐，由坐标系的结构可知：标系的结构可知：电场位于过振子的平面内，而磁场在与电场位于过振子的平面内，而磁场在与“赤道赤道”平行平行的平面内的平面内 电磁场均随电磁场均随R R的增大而减小。的增大而减小。第12页，共33页，编辑于2022年，星期三近区场近区场 即场点与源点的距离即场点与源点的距离r远小于波长的区域称为远小于波长的区域称为近区近区。在近区中：在近区中：（2 2）电偶极子场的分析）电偶极子场的分析第13页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结若将若将 代入上式代入上式得得:这和电偶极子的静态场具有相同的形式，所以
7、又这和电偶极子的静态场具有相同的形式，所以又称近区场为称近区场为准静态场准静态场近区场场强随近区场场强随R R的增大迅速减小，即离电偶极的增大迅速减小，即离电偶极子较远时，可认为近区场为零。子较远时，可认为近区场为零。可求得：可求得：所以近区场也称所以近区场也称感应场。感应场。第14页，共33页，编辑于2022年，星期三 即场点与源点的距离即场点与源点的距离r远大于波长的区域称为远大于波长的区域称为远区远区。此时有：此时有：远区场远区场第15页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结可求得：可求得：这说明电磁能量向外辐射，所以远区场也叫这说明电磁能量向外辐射，所以远区场也叫辐射场。辐射场。
8、远区场电磁波为远区场电磁波为TEMTEM波。波。远区场电磁波为球面波。远区场电磁波为球面波。电场和磁场在空间相互垂直，其比值等于媒质的电场和磁场在空间相互垂直，其比值等于媒质的本征阻抗本征阻抗所以远区场具有和平面波相同的性质。所以远区场具有和平面波相同的性质。电偶极子的辐射具有方向性。电偶极子的辐射具有方向性。第16页，共33页，编辑于2022年，星期三3.描述辐射特性的参数描述辐射特性的参数电偶极子的方向图电偶极子的方向图（1 1）方向性函数和方向图方向性函数和方向图方向性函数：方向性函数：场量随方向变化的函数称为天线的方场量随方向变化的函数称为天线的方向性函数。向性函数。电偶极子的方向性函
9、数为：电偶极子的方向性函数为：方向图：方向图：根据方向性函数画出的图形称为方向图。根据方向性函数画出的图形称为方向图。xzxyE 面方向图面方向图H 面方向图面方向图第17页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结因为天线的辐射分布于整个空间，所以方向图通常是因为天线的辐射分布于整个空间，所以方向图通常是三维的立体图，但通常用到的是主平面上方向图，一三维的立体图，但通常用到的是主平面上方向图，一般采用与场矢量平行的两个主平面。般采用与场矢量平行的两个主平面。E E面：面：电场矢量所在的平面；电场矢量所在的平面；H H面：面：磁场矢量所在的平面。磁场矢量所在的平面。方向图可以是电场方向图、磁
10、场方向图或功率方向方向图可以是电场方向图、磁场方向图或功率方向图，但一般只画电场方向图。图，但一般只画电场方向图。第18页，共33页，编辑于2022年，星期三（2 2）辐射功率和辐射电阻辐射功率和辐射电阻 如果用一个大的球面将天线包围起来，则从天线辐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。射出来的能量必然全部通过这个球面。天线的总辐射功率为：天线的总辐射功率为：其中：其中：所以：所以：在自由空间中：在自由空间中：第19页，共33页，编辑于2022年，星期三由此假设：由此假设：已知：已知：将天线的辐射功率视为电流将天线的辐射功率视为电流 I I 在一等效电阻
11、上的在一等效电阻上的损耗功率，则该等效电阻称为损耗功率，则该等效电阻称为辐射电阻。辐射电阻。在自由空间中：在自由空间中：第20页，共33页，编辑于2022年，星期三 另外，我们把天线的辐射功率与输入功率之比定义另外，我们把天线的辐射功率与输入功率之比定义为天线的为天线的辐射效率。辐射效率。和辐射电阻类似，可以认为总损耗功率被一个和辐射电阻类似，可以认为总损耗功率被一个电阻电阻 吸收，即：吸收，即：所以：所以：第21页，共33页，编辑于2022年，星期三小结小结电偶极子的辐射功率随着振子上流动的电流和振子电偶极子的辐射功率随着振子上流动的电流和振子的长度的增加而增加；当电流和长度不变时，频率的长
12、度的增加而增加；当电流和长度不变时，频率越高，辐射功率越大。越高，辐射功率越大。辐射电阻表示天线的辐射能力，辐射电阻越大，辐射电阻表示天线的辐射能力，辐射电阻越大，天线的辐射能力就越强。天线的辐射能力就越强。要提高天线的效率，就要尽可能的提高其辐射电要提高天线的效率，就要尽可能的提高其辐射电阻而降低损耗电阻。阻而降低损耗电阻。第22页，共33页，编辑于2022年，星期三（3 3）方向性系数和半功率波束宽度）方向性系数和半功率波束宽度 当点源天线的辐射场强与实际天线在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，最大辐射方向上的场强相同时，点源天线点源天线的辐射功率与实际天线的辐射
13、功率之比的辐射功率与实际天线的辐射功率之比为为方向性系数。方向性系数。由此得：由此得：方向性系数表示为：方向性系数表示为：对点源天线辐射而言对点源天线辐射而言:而：而：点源天线的总辐射功率点源天线的总辐射功率实际天线的总辐射功率实际天线的总辐射功率其中：其中：xz点源天线点源天线实际天线实际天线第23页，共33页，编辑于2022年，星期三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。的两个方向之间的夹角。方向性系数又可表示为：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在相同的辐射功率下，实际天线产生的最
14、大辐射场强 与点源天线的辐射场强与点源天线的辐射场强 之比。之比。对电偶极子辐射而言对电偶极子辐射而言:方向性系数的另一种定义为：方向性系数的另一种定义为：xz点源天线点源天线实际天线实际天线第24页，共33页，编辑于2022年，星期三拉杆天线拉杆天线第25页，共33页，编辑于2022年，星期三引向天线引向天线第26页，共33页，编辑于2022年，星期三喇叭天线喇叭天线第27页，共33页，编辑于2022年，星期三微带天线微带天线第28页，共33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第29页，共33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第30页，共33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第31页，共33页，编辑于2022年，星期三螺旋天线螺旋天线第32页，共33页，编辑于2022年，星期三俄罗斯新型有源俄罗斯新型有源相控阵雷达天线相控阵雷达天线俄军巨型雷达天线俄军巨型雷达天线阵列阵列第33页，共33页，编辑于2022年，星期三