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第八章 電磁能量輻射與天線,8.1 電磁輻射機(jī)理,8.2 單元偶極子的電磁場,8.3 單元偶極子的輻射功率和輻射電阻,8.5 線天線與天線陣,8.4 輻射的方向性與方向圖,1,什么是輻射？,? 電磁波從波源出發(fā)，以有限速度? 在媒質(zhì)中向四面八方傳播，一部分電 磁波能量脫離波源而單獨(dú)在空間波動(dòng)，不再返回波源，這種現(xiàn)象稱為輻射。,研究內(nèi)容：,? 輻射是有方向性的，希望在給定的方向產(chǎn)生指定的場。,? 輻射的波源是天線、天線陣。發(fā)射天線和接收天線是互易的。天線的幾何形狀、尺寸 是多樣的，單元偶極子天線（電偶極子天線和磁偶極子天線）是天線的基本單元，也是最簡單的天線。,工程上的實(shí)際天線,? 輻射過程是能量的傳播過程，要考慮天線發(fā)射和接收信號(hào)的能力。,? 研究輻射的方向性和能量傳播的前提是掌握輻射電磁場的特性。,2,8.1 電磁輻射機(jī)理,由線電流定義式,,當(dāng)電流隨時(shí)間變化時(shí)，可得,,設(shè)導(dǎo)線的長度為l,電磁輻射的基本公式,3,1、沒有電荷運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)有輻射。,結(jié)論,3、假如電荷具有加速度，即便是無限長直導(dǎo)線也將產(chǎn)生輻射。,2、假如電荷在導(dǎo)線中做勻速運(yùn)動(dòng)，也即導(dǎo)線內(nèi)流過的是恒定電流，那么：,① 如果是無限長直導(dǎo)線，輻射不會(huì)發(fā)生； ② 如果導(dǎo)線被彎曲或制成V形，使其具有終端或表面制成非連續(xù)的， 都將產(chǎn)生輻射。,4,8.2 單元偶極子的電磁場,8.2.1 電偶極子的輻射,一、天線的形成,以平行板電容器和長直載流螺線管為例可知,即增加電容器極板間距d，縮小極板面積S，減少線圈數(shù)N，就可達(dá)到上述目的，具體方式如圖所示。,可見，開放的LC電路就是大家熟悉的天線！當(dāng)有電荷（或電流）在天線中振蕩時(shí)，就激發(fā)出變化的電磁場在空中傳播。,圖 8.2.1 電偶極子天線的形成的演示,,從LC 電路的振蕩頻率 式可知，要提高振蕩頻率、開放電路，就必須降低電路中的電容值和電感值。,5,二. 電磁輻射的過程,當(dāng)電偶極子p=qd 以簡諧方式振蕩時(shí)向外輻射電磁波,圖 8.2.2 電偶極子天線,圖 8.2.3E 線分別在 的場圖,6,某一瞬間 E 線與 H 線在空間的分布,7,在球坐標(biāo)系中，,圖8.2.5 單元偶極子天線的磁矢量,,,遠(yuǎn)離天線P點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位為：,8.2.2 電偶極子的電磁場,8,,9,圖8.2.6 電偶極子的近區(qū) E 與 H 線的分布,1.近區(qū),10,特點(diǎn)： ? 無推遲效應(yīng)；,? 電場與靜電場中電偶極子的場相同，磁場與恒定磁場中元電流的場相同，因此有結(jié)論：任一時(shí)刻，電、磁場的分布規(guī)律分別與靜態(tài)場中電、磁場相同，稱之為似穩(wěn)場。,近區(qū)內(nèi)只有電磁能量交換，沒有波的傳播（輻射）。,?,近區(qū)外的能量來自何方？,近區(qū)場量,11,,特點(diǎn)：,2. 遠(yuǎn)區(qū) （亦稱輻射區(qū)）,因?yàn)? ，含有 的高次項(xiàng)可以忽略,遠(yuǎn)區(qū)場量,,,? 輻射區(qū)電磁場有推遲效應(yīng)，為TEM波， 與 在空間互相垂直，且垂直于傳播方向，在時(shí)間上 與 同相位，平均坡印亭矢量不為零，且指向沿r 方向，說明遠(yuǎn)區(qū)場是沿徑向朝外傳播的，有能量沿徑向朝四周輻射出去。,? 相位相同的點(diǎn)連成的面稱為等相位面，輻射區(qū)的電磁波為球面波。 在等相面上，由于場量的振幅與? 有關(guān)，因此它是非均勻球面波。,12,遠(yuǎn)區(qū)場量,? 及 與距離r成反比，因此比近區(qū)場衰減慢得多。因?yàn)殡姶挪ㄊ且郧蛎娌ㄐ问较蛩闹軘U(kuò)散，隨著r的增大，能量分布到更大的球面上。當(dāng) 時(shí)，電磁波便消失了。,? 與 之比為一常數(shù)，有阻抗量綱，定義為媒質(zhì)的本征阻抗或波阻抗，自由空間的波阻抗為：,1、電偶極子的輻射場，2、近區(qū)場，3、遠(yuǎn)區(qū)場，,13,8.3 單元偶極子的輻射功率和輻射電阻,單元偶極子向自由空間輻射的總功率是以單元偶極子為球心，半徑為r（ r ? ）的球面上坡印亭矢量的積分，即,,8.3.1 輻射功率,結(jié)論 單元偶極子的輻射功率隨偶極子上的電流和偶極子長度的增加而增加，當(dāng)電流和長度不變時(shí)，頻率越高，輻射功率越大。,14,8.3.2 輻射電阻,,由,可得輻射電阻,表征了輻射電磁能量的能力， 愈大輻射能力愈強(qiáng),15,例 8.1 頻率 f =10MHz的信號(hào)源饋送給電流有效值為25A的電偶極子。設(shè)電偶極子的長度 ?l =50cm 。,(1)分別計(jì)算赤道平面上離原點(diǎn)0.5m和10 km 處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度； (2)計(jì)算 r =10km 處的平均功率密度； (3)計(jì)算輻射電阻 。,解：1）在自由空間， ，r =0.5m的點(diǎn)屬近區(qū)場。,在赤道平面上 ，得,近區(qū)場量,,16,r =10km 的點(diǎn)屬于遠(yuǎn)場區(qū),遠(yuǎn)區(qū)場量,將 代入上式，得,17,(2) r =10km 處的平均功率密度,,(3)輻射電阻,,結(jié)束,18,,,,,凹透鏡天線,19,廣播電臺(tái)中波天線,20,微波發(fā)射天線,微波接收天線,21,陜西省電視塔,上海市電視塔,,,,,22,23,24,25,,,,,26,習(xí)題: 垂直放置的單元偶極子作為輻射天線，已知 分別求與地面成 角度、離偶極子中心30m和5km處的表達(dá)式。 答案： 30m處：,5km處：,27,設(shè)直線振子沿 z 軸放置，振子中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則振子上的電流分布表達(dá)式為,在 z 處取一元電流段 則,（1）,由于 ，可近似取 的差別只在相位因子 中考慮，對于振幅，可取,將（1）代入,28,