電偶極子任意天線課件.ppt

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1、第六章電磁波的輻射作為信息的載體應(yīng)用于通信、廣播、電視電磁波作為探求未知物質(zhì)世界的手段應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙感和遙控研究設(shè)計(jì)產(chǎn)生能滿足各種應(yīng)用要求的電磁波能量存在的一種形式時(shí)變電流或加速運(yùn)動(dòng)的電荷向空間輻射電磁波電磁波輻射問(wèn)題主要內(nèi)容：電磁波的輻射及其計(jì)算公式電磁波輻射基本單元的輻射特性天線的一般概念及其主要參數(shù)廣義Maxwell方程組及其應(yīng)用雷達(dá)概念及其工作原理6.1輻射場(chǎng)及其計(jì)算公式電荷電流電磁場(chǎng)的分布電磁場(chǎng)、源和邊界條件作為整體求解1電磁場(chǎng)的計(jì)算公式GPS衛(wèi)星天線系統(tǒng)為了突出電磁場(chǎng)輻射的本質(zhì)，設(shè)無(wú)界自由空間區(qū)域V上存在隨時(shí)間簡(jiǎn)諧變化的電流和電荷，在空間激發(fā)隨時(shí)諧變的電磁場(chǎng)可

2、通過(guò)勢(shì)函數(shù)方法獲得。r對(duì)于輻射問(wèn)題，場(chǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)離源區(qū)，源激發(fā)的電場(chǎng)可利用其與磁場(chǎng)的關(guān)系計(jì)算。采用球坐標(biāo)系，源激發(fā)電磁場(chǎng)的計(jì)算公式為：源在空間激發(fā)的電磁場(chǎng)由兩部分組成：其一是電荷和電流源直接激發(fā)的電磁場(chǎng)，它們與電荷和電流分布相聯(lián)系。其二是變化的電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間相互激發(fā)而產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，與電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)間變化率相聯(lián)系?？傠姶艌?chǎng)＝源所激發(fā)的電磁場(chǎng)＋電磁場(chǎng)相互激發(fā)的電磁場(chǎng)靜態(tài)電磁場(chǎng)特點(diǎn)場(chǎng)量與r2成反比不能有靜態(tài)電磁場(chǎng)特點(diǎn)場(chǎng)量只能與r成反比2電磁場(chǎng)的三個(gè)區(qū)域及其特點(diǎn)三個(gè)尺度概念：源區(qū)的尺度：電磁波的波長(zhǎng)：場(chǎng)點(diǎn)至原點(diǎn)的距離①這說(shuō)明在源區(qū)附近，磁矢勢(shì)蛻變?yōu)殪o態(tài)電磁場(chǎng)的磁矢勢(shì)。由磁矢勢(shì)計(jì)算得到的磁場(chǎng)必然具有靜

3、態(tài)場(chǎng)的特點(diǎn)。因此在源區(qū)的附近，源激發(fā)的電磁場(chǎng)可以采取靜態(tài)電磁場(chǎng)方法進(jìn)行計(jì)算。這也意味著在源區(qū)附近，源直接產(chǎn)生的靜態(tài)電磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于電磁場(chǎng)相互激發(fā)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。場(chǎng)量與r2成反比②場(chǎng)點(diǎn)與源區(qū)的距離大約在一個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)，在這個(gè)范圍中，源直接產(chǎn)生的場(chǎng)與變化電磁場(chǎng)相互激發(fā)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)同時(shí)并存，量級(jí)上相當(dāng)。在這個(gè)區(qū)域中，既有變化的電磁場(chǎng)相互激發(fā)形成的電磁波，將源的能量以電磁波形式輻射出去。同時(shí)也存在不向外輻射的靜態(tài)場(chǎng)，將源提供能量的一部分存儲(chǔ)在空間中，這一區(qū)域稱為感應(yīng)區(qū)。③，場(chǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)離源區(qū)。由于源直接激發(fā)的電磁場(chǎng)與r2成反比，所以在這個(gè)區(qū)域中，源直接激發(fā)的靜態(tài)場(chǎng)遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)相互激發(fā)而形成的電磁場(chǎng)

4、。電磁場(chǎng)主要以波動(dòng)形式將源的能量輻射出去。這一區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，或者稱為輻射區(qū)域。場(chǎng)量只能與r成反比。3磁矢勢(shì)的多極矩展開(kāi)首先分析磁矢勢(shì)被積函數(shù)中各因子對(duì)勢(shì)函數(shù)貢獻(xiàn)的大小。振幅項(xiàng)相位項(xiàng)振幅項(xiàng)微小變化導(dǎo)致誤差的量級(jí)相位項(xiàng)微小變化導(dǎo)致誤差的量級(jí)結(jié)論：對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（r很大）振幅的微小變化對(duì)最后結(jié)果影響很小，而相位項(xiàng)的微小變化對(duì)結(jié)果影響大。所以在磁矢勢(shì)中，對(duì)于振幅因子取零級(jí)的近似，對(duì)相位因子保留一級(jí)近似得到：其中上述結(jié)果說(shuō)明：小區(qū)域時(shí)變電流體系在遠(yuǎn)的電磁場(chǎng)為源中電多極矩和磁多極矩激發(fā)電磁場(chǎng)的疊加。電四極矩與磁偶極矩激發(fā)電磁場(chǎng)的能力為同一量級(jí)。進(jìn)一步還可證明，電多極矩激發(fā)電磁場(chǎng)的能力高于同級(jí)的磁多極

5、矩。利用求得的磁矢勢(shì)可以求得體電流激發(fā)的電磁場(chǎng)，其輻射場(chǎng)在計(jì)算過(guò)程中必須把靜態(tài)電磁場(chǎng)部分分離出來(lái)。6.2電偶極子天線1電偶極子天線結(jié)構(gòu)能向空間輻射和接收電磁波的裝置稱為天線，是無(wú)線電設(shè)備的一個(gè)重要部件。天線通過(guò)其上隨時(shí)間變化的電流在空間激發(fā)的變化的電磁場(chǎng)，從而輻射電磁波。發(fā)射機(jī)（時(shí)變電信號(hào)）導(dǎo)體導(dǎo)體上電流的大小和相位分布是不均勻的和時(shí)變的接地偶極子天線結(jié)構(gòu)作為一種近似的處理，設(shè)導(dǎo)線元上的電流只有z分量，其分布函數(shù)為：根據(jù)電流連續(xù)性原理，在電偶極子天線的兩個(gè)端點(diǎn)，將同時(shí)積累大小相等符號(hào)相反的時(shí)變電荷，利用電荷與電流之間的關(guān)系得到：2電偶極子天線的電磁場(chǎng)設(shè)天線位于自由空間的坐標(biāo)原點(diǎn)，其磁

6、矢勢(shì)為：近場(chǎng)電磁場(chǎng)區(qū)記電磁場(chǎng)相位差為虛數(shù)從近區(qū)電磁場(chǎng)的表達(dá)式看到，電場(chǎng)與磁場(chǎng)始終保持的相位差，其Poynting矢量的平均值恒為零，沒(méi)有能量向外部輸運(yùn)。因此在源區(qū)附近，電磁場(chǎng)為靜態(tài)電磁場(chǎng)的特點(diǎn)。這正是電偶極子的靜電場(chǎng)和恒定電流元的磁場(chǎng)。因此盡管電偶極子上的電流是時(shí)變的，它在近區(qū)激發(fā)的電磁場(chǎng)仍具有靜態(tài)電磁場(chǎng)特點(diǎn)。這說(shuō)明，在電偶極子附近，時(shí)變電磁場(chǎng)之間相互激發(fā)是產(chǎn)生具有波動(dòng)特點(diǎn)的電磁場(chǎng)，比電荷和電流直接激發(fā)不具有波動(dòng)特點(diǎn)的靜態(tài)場(chǎng)要小得多。3遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)及其特點(diǎn)當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，其電磁場(chǎng)的結(jié)果為：這是一個(gè)與近區(qū)具有完全不同性質(zhì)的電磁場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)有如下特點(diǎn)：①電磁場(chǎng)的瞬時(shí)表達(dá)式為：其等相位面

7、方程為球面，其方程是：在等相位面上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的幅度相同，相位為同一常數(shù)，且為沿徑向向外傳播的球面波。波在空間傳播的速度為：②電磁波在空間傳播方向上既沒(méi)有電場(chǎng)分量、也沒(méi)有磁場(chǎng)分量，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向相互垂直，為橫電磁波（TEM）在與傳播方向相垂直的平面內(nèi)，電場(chǎng)或磁場(chǎng)矢量末端的軌跡為直線，是線極化（偏振）地面電磁波。③電偶極子遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)具有方向性。在同一半徑的球面上，不同方向輻射場(chǎng)的強(qiáng)度隨方位的不同而變化，所以電偶極子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是非均勻的球面波。場(chǎng)強(qiáng)度隨方向變