电磁场与电磁波(西电)第7章电磁波的辐射.ppt

第七章 电磁波的辐射,7.1 滞后位7.2 电基本振子的辐射场7.3 对偶原理与磁基本振子的辐射场7.4 天线的电参数7.5 对称线天线和天线阵的概念7.6 面天线的辐射场7.7 互易原理,7.1 滞 后 位,时谐场中，电荷源和电流源J之间以电流连续性方程,将与J联系起来，而标量位和矢量位A之间也存在一定的关系。这一关系就是洛仑兹条件，即式(5-77)：,电磁场与标量位和矢量位A之间的关系式为,7.1.1 亥姆霍兹积分及辐射条件,求式(5-79)中的标量位，并且导出辐射条件。格林定理中的u和w是任意标量函数，且要求u和w以及它们的一阶和二阶导数在V内连续。容易验证标量函数,满足齐次亥姆霍兹方程,令格林定理中的u代表标量位，即u=，满足式(5-79)，即,再令w=，且R=|r-r|，如图7-1所示。r是场点；r是源点，亦即格林定理中的积分变点。,(7-6),图 7-1 求解式(7-6)用图,于是积分在体积V1=V-V2及其表面S1=S+S2上进行：,在S2上积分时，外法线方向指向小球球心P点于是；面元dS=a2d，d是dS对P点所张的立体角元。这样，,令a0，小球面S2收缩成点P。考虑到 有限，上式中的积分只剩下被积函数是(r)e-jkR/R2的一项不等于零。此时小球面S2上的（r)可以用小球球心处的(r)代替：,矢量位A的每个直角坐标分量均可用形如上式的积分表示，于是,考虑无限空间的电磁问题时，取以R为半径的球面作为S，dS=R2d，式(7-8)中的面积分可以写成,(7-8),(7-10),而要排除在无限远处的场源(设无限远处的场源为零)，就必须使上式为零。为此，要求R时，,在这个限制条件下，式(7-10)的第二项积分等于零，即要求在远离场源处标量位至少按R-1减少；第一项积分在满足,时也等于零。式(7-11b)称为辐射条件。对于矢量位亦有类似条件。,(7-11b),7.7.2 滞后位 标量位满足辐射条件式(7-11b)时，排除无限远处的场源，式(7-8)中的面积分一项为零，标量位(r)仅表示向外传播的电磁波，即,如果我们把k=/v代入上式，并重新引入时间因子ejt，则得,引入时间因子ejt后则有,7.2 电基本振子的辐射场,图 7-2 电流元与短对称振子,7.2.1 电基本振子的电磁场计算,图 7-3 电基本振子,取短导线的长度为dl，横截面积为S，因为短导线仅占有一个很小的体积dV=dlS，故有,又由于短导线放置在坐标原点，dl很小，因此可取r=0，从而有R=|r-r|r。,由此可解得,7.2.2 电基本振子的电磁场分析,1.近区场,当kr1时，r/2，即场点P与源点的距离r远小于波长的区域称为近区。在近区中，,式中p=Qdl是电偶极矩的复振幅。因为已经把载流短导线看成一个振荡电偶极子，其上下两端的电荷与电流的关系是I=jQ。,2.远区场 当kr1时，r/2，即场点P与源点距离r远大于波长的区域称为远区。在远区中，,远区电磁场表达式简化为,场的方向：电场只有E分量；磁场只有H分量。其复坡印廷矢量为,可见，E、H互相垂直，并都与传播方向er相垂直。因此电基本振子的远区场是横电磁波(TEM波)。场的相位：无论E或H，其空间相位因子都是-kr，即其空间相位随离源点的距离r增大而滞后，等相位面是r为常数的球面，所以远区辐射场是球面波。由于等相位面上任意点的E、H振幅不同，所以又是非均匀平面波。E/H=是一常数，等于媒质的波阻抗。,场的振幅：远区场的振幅与r成反比；与I、dl/成正比。值得注意，场的振幅与电长度dl/有关，而不是仅与几何尺寸dl有关。场的方向性：远区场的振幅还正比于sin，在垂直于天线轴的方向(=90)，辐射场最大；沿着天线轴的方向(=0)，辐射场为零。这说明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。,如果以电基本振子天线为球心，用一个半径为r的球面把它包围起来，那么从电基本振子天线辐射出来的电磁能量必然全部通过这个球面，故平均坡印廷矢量在此球面上的积分值就是电基本振子天线辐射出来的功率Pr。因为电基本振子天线在远区任一点的平均坡印廷矢量为,所以辐射功率为,以空气中的波阻抗,代入，可得,式中I的单位为A(安培)且是复振幅值，辐射功率Pr的单位为W(瓦)，空气中的波长0的单位为m(米)。,电基本振子幅射出去的电磁能量既然不能返回波源，因此对波源而言也是一种损耗。利用电路理论的概念，引入一个等效电阻。设此电阻消耗的功率等于辐射功率，则有,式中Rr称为辐射电阻。,例7-1 已知电基本振子的辐射功率Pr，求远区中任意点P(r,)的电场强度的振幅值。解：利用,远区辐射场的电场强度振幅为,例7-2 计算长度dl=0.10的电基本振子当电流振幅值为2 mA时的辐射电阻和辐射功率。解：,辐射功率为,辐射电阻,7.3 对偶原理与磁基本振子的辐射场,7.3.1 磁基本振子的辐射场,图 7-4 磁基本振子,上式的积分严格计算比较困难，但因r=a，所以其中的指数因子可以近似为,该式中的m=eza2I=azSI是复矢量。于是有,代入H=-1A可得磁基本振子的磁场为,再由E=(j)-1H，可得磁基本振子的电场为,磁基本振子的远区辐射场：,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TEM非均匀球面波。E/(-H)=。电磁场与1/r成正比。与电基本振子的远区场比较，只是E、H的取向互换，远区场的性质相同。,辐射功率为,以空气的波阻抗代入上式，有,辐射电阻为,例 7-3 将周长为0.10的细导线绕成圆环，以构造电基本振子，求此电基本振子的辐射电阻。,解：此电基本振子的辐射电阻为,长度为此磁基本振子周长的电基本振子的辐射电阻远比磁基本振子的辐射电阻大，即电基本振子的辐射能力大于磁基本振子的辐射能力。,例 7-4 沿z轴放置大小为为I1l1的电基本振子，在xoy平面上放置大小为I2S2的磁基本振子，它们的取向和所载电流的频率相同，中心位于坐标原点，求它们的辐射电场强度。解：电基本振子和磁基本振子在空间任意点产生的合成辐射场为,这是一椭圆极化波。当 时是右旋圆极化波。,7.3.2 对偶原理,引入假想的磁荷和磁流概念之后，磁荷与磁流也产生电磁场，因此麦克斯韦方程组可修改为,上式称为广义麦克斯韦方程组。式中下标m表示磁量；Jm是磁流密度，其量纲为V/m2；m是磁荷密度，其量纲为Wb/m3(韦伯每立方米)。式(7-32a)的等号右边用正号，表示电流与磁场之间有右手螺旋关系。,在无界的简单媒质中，如果存在“电源”J、，它们产生的电磁场用Ee、He表示，则其满足的麦克斯韦方程组为,如果存在“磁源”Jm、m，它们产生的电磁场用Em、Hm表示，则其满足的麦克斯韦方程组为,例 7-5 应用对偶原理，求磁基本振子的远区辐射场。解：引入假想的磁荷与磁流概念之后，载流细导线小圆环可等效为相距dl，两端磁荷分别为+qm和-qm的磁偶极子，其磁偶极距,由此可得磁基本振子的磁流,其对应的磁流复量为,如果定义磁偶极子对应的磁流元为Imdl，那么它与电流环的关系为,或,7.4 天线的电参数,7.4.1 辐射方向图,1.方向性函数和方向图,式中|Emax|是|E(，)|的最大值。,例7 6 绘制电基本振子的方向图。,解：,电基本振子的方向性函数为,图 7-5 电基本振子的方向图,图 7-6 天线方向图的波瓣,前后向抑制比：后瓣最大辐射方向上的功率密度Sa与主瓣最大辐射方向上的功率密度S0之比的对数值，称为前后向抑制比，即,或,对于理想的无方向性天线，因其在空间各个方向上具有相同的辐射，故其辐射功率为,再考虑条件辐射功率相同，即Pr=Pro，则,若F(，)=F()，即天线方向图轴对称(与无关)时，则,不同天线都取理想无方向性天线作为标准进行比较，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。公式(7-39a)中，,故,因此,对于理想的无方向性天线，因其方向性系数D=1，故有,某天线的方向性系数，表征该天线在其最大辐射方向上比起无方向性天线来说把辐射功率增大了D倍。例如为了在空间一定距离的M点产生一定的场强，若使用无方向性天线，需要馈给无方向性天线10W的辐射功率；但是若使用方向性系数D=10的有方向性天线，并将有方向性天线对准M点，就只需1W的辐射功率。,例 7-7 计算电基本振子的方向性系数。解：电基本振子的方向性函数F(，)=sin，故其方向性系数为,7.4.2 辐射效率 天线的辐射效率(Radiation Efficiency)表征天线能否有效地转换能量，定义为天线的辐射功率与输入到天线上的功率(输入功率)之比：,式中的PL表示天线的总损耗功率。通常，发射天线的损耗功率包括：天线导体中的热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等。,如果把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻Rr所吸收，该电阻称为辐射电阻。与此相似，也把总损耗功率看作是被某个损耗电阻RL所吸收，则有,故天线的辐射效率可表示为,7.4.3 增益系数,考虑到辐射效率的定义关系Pr=rPin，以及理想无方向性天线的效率ro一般被认为是1，故,由此可见，只有当天线的D值大，辐射效率r也高时，天线的增益才较高。增益系数比较全面地表征了天线的性能。通常用分贝来表示增益系数，即令,7.4.4 输入阻抗 天线与馈线相连接，欲使天线能从馈线获得最大功率，就必须使天线和馈线良好匹配，即要使天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗相等。所谓天线的输入阻抗，是指天线输入端的高频电压与输入端的高频电流之比，可表示为,7.4.5 极化形式 天线的极化特性是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电场强度矢量的空间取向来定义的，分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分左旋圆极化和右旋圆极化。,7.5 对称线天线和天线阵的概念,7.5.1 对称振子天线对称振子的电流 分布和远区场,图 7-7 臂长为l的对称振子,如图7-7所示，设对称振子沿z轴放置，振子中心位于坐标原点，则振子上的电流分布表示式为,将dE从0到l对z积分，便得对称振子的辐射场,其远区磁场与电场的关系仍为,对称振子最常见的长度是l=/4，即振子全长2l=/2，称为半波振子。其远区辐射场为,2.对称振子的电参数1)对称振子的方向图,式中fmax是f(，)的最大值。对于半波振子，有,图 7-8 对称振子的E面方向图,2)对称振子的辐射功率和辐射电阻,半波振子的辐射功率为,由于对称振子天线的辐射功率与辐射电阻的关系为,因此辐射电阻为,此式积分可以用正弦积分和余弦积分表示，但更直接的计算是作数值积分。,半波振子的辐射电阻：,7.5.2 天线阵的概念,图 7-9 N元均匀直线阵,设相邻阵元的间距为d，各阵元上电流的振幅为1，但相位自第一个阵元起依次超前一个相角，即,式中E1、E2、EN分别为阵元1、2、N在场点所产生的远区辐射场。,如果天线阵有每个阵元都相同的半波振子，,式中：,此式仅当=0时成立，所以阵函数出现最大值的条件为,图7-10 N元均匀直线阵,当各个阵元的激励电流同相时，=0,=kdcos，最大辐射条件=0对应于,图7-11 四阵元侧射天线阵的方向图,图7-12 八阵元端射式天线阵的方向图,此式表明天线阵的最大辐射方向m取决于相邻阵元之间的电流相位差。改变，就可以改变天线阵的最大辐射方向，这就是相控阵天线的工作原理。当=-kd时，最大辐射方向m=0，所以天线阵的最大辐射方向在其轴线方向上。这种均匀直线阵称为端射式天线阵。,7.6 面天线的辐射场,1.感应电流法 这种方法是先求出天线的金属导体面在初级辐射器照射下产生的感应面电流分布，然后计算此电流在外部空间产生的辐射场。2.口面场法 这种方法包括两部分：先作一个包围天线的封闭面，求出此封闭面上的场(称为解内场问题)；然后根据惠更斯原理，利用该封闭面上的场求出空间的辐射场(称为解外场问题)。由于金属封闭面上无电磁场，故实际上只需考虑封闭面的开口部分的辐射作用，即口面场的辐射。,7.6.1 基尔霍夫公式 惠更斯原理指出，包围波源的闭合面(波阵面)上任一点的场均可认为是二次波源，它们产生球面子波，闭合面外任一点的场可由闭合面上的场(二次波源)的叠加决定。基尔霍夫公式是上述思想的数学表述。设闭合面S中的源在闭合面S上产生的场为ES及HS，在闭合面外任一点P产生的场为EP及HP，如图7-13所示。,图7-13 惠更斯原理,式中k2=2。为方便起见，取P点为坐标原点(r=0)。现引入另一标量函数G(r)，它满足方程,标量函数G(r)称为标量格林函数，其物理意义为在r=0处的点源在距源点r处产生的标量场。,S0面上的面积分为,当P点在r点处时，格林函数,闭合面S外任一点r处，,图7-14 惠更斯元,7.6.2 口径面的辐射场,设惠更斯元上场的传播方向为z方向，那么惠更斯元上的场可以表示为,对于远区场，,例 7-8 设一无限大金属平面位于z=0坐标平面，其上开有口径为2a2b的矩形孔。现在让我们来求一均匀平面波从-z向+z方向垂直投射到这块金属板上通过矩形口径时，均匀同相矩形口径面的远区辐射场。,解：设口径面位于z=0平面，如图7-15所示。口径场的某一直角坐标分量为,式中ES0是常数。,图 7-15 均匀同相矩形口径面的远区辐射场,式中r为口径面上(x,y,0)点到场点P(x,y,z)的距离：,对于远区，r0 x,r0y，上式可以近似为,当r0a、r0b时，可以近似取,1/r1/r0。如果场点采用球坐标表示，即取x=r0sincos，y=r0sinsin，那么,由上式可知，均匀同相矩形口径场的方向性函数为,最大辐射方向在=0处，此时，,7.7 互 易 定 理,假设空间区域V1中的电流源J1产生的电磁场为E1和H1，空间区域V2中的电流源J2产生的电磁场为E2和H2，两电流源振荡在同一频率上，且空间区域V1和V2及它们之外的空间区域V3中的媒质是线性的，根据矢量恒等式,1.洛仑兹互易定理,设两个电流源J1和J2均在空间区域V外，则空间区域V内为无源空间，因而式(7-86)右端的体积分等于零，故其左边的封闭面积也等于零，即,上式是洛仑兹互易定理的简化形式。,2.卡森互易定理,图 7-16 卡森互易定理用图,即当两个电流源均在V时，仍然有下式成立：,注意到空间区域V3为无源区，因此,综上可见，,由卡森互易定理知，两种情况下的源与场的关系为,当天线为细导线时，对于线电流，JdV=Idl，从而上式变为,即,如果天线为理想导体，其上电场切向分量为零，则上式左边第二项积分和右边第一项积分为零；在l1上除输入端mn 处 外，电场切向分量仍为零，在mn段有由天线2上电压U2产生的短路电流I2=I12。因此上式左边应等于I12U1。同理，该式右边等于I21U2。于是,令天线1对天线2的互导纳为Y12=I12/U2，天线2对天线1的互导纳为Y21=I21/U1，则上式可写为,如果天线1用作发射天线，天线2用作接收天线，则当天线2在以天线1为中心的球面上移动时，天线2上测得的短路电流I21的大小应正比于天线1的发射方向性函数，于是,同理，天线2用作发射天线，天线1用作接收天线时，天线1上测得的短路电流I12的大小应正比于天线1的接收方向性函数，于是,取U1=U2，则由上式可见,