《电磁场与电磁波》ppt课件第八章.ppt

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1、电磁场与波（Electromagnetic Field and Wave),矢量场分析（Vector Analysis）源与场的关系 （HH已知源计算场）标量源、矢量源； 散度、旋度；通量、环量静电场（Steady Electric Field Equation）Coulomb Law 稳恒磁场（Steady Magnetic Field Equation)Biot-Savart LawMaxwells EquationFaradays LawDisplacement Current描述宏观电磁现象的最完美的形式,上页 下页 返回,Maxwells Equation,上页 下页 返回,平面电磁

2、波（无限大空间）导行电磁波（无限长传输线）,达朗贝尔方程,上页 下页 返回,达朗贝尔方程,上页 下页 返回,第8章 电磁辐射与天线,小电流元的辐射场小电流环的辐射场 天线的基本特性 对称线天线的辐射场 面天线,上页 下页 返回,电磁场的基本的辐射单元,电流环称磁偶极子,电流元：,小电流环：,电流元也称为电偶极子,上页 下页 返回,8.1 电流元的辐射场,电流元产生的矢量磁位电流元产生的电磁场电流元产生的近区场电流元产生的远区场远区场的性质,上页 下页 返回,1. 电流元产生的矢量磁位,上页 下页 返回,近场区,远场区,2. 电流元产生的电磁场,上页 下页 返回,1个波长内叫电抗近场区；辐射近场

3、区：菲聂尔区辐射远场区：夫朗赫夫区,是纯虚数无平均功率流动非辐射场,3. 电流元产生的近区场,上页 下页 返回,4. 电流元产生的远区场,5. 远区场的性质,(2) 球面波：等相位面是球面的波,且同相；,(1) TEM波 E/H=Z；,(3) 非均匀球面波：球面上的场与角度或方向有关；,有一和方向有关的因子-方向因子,上页 下页 返回,(4)功率流密度,(5) 辐射功率,辐射功率密度与距离平方成反比,（6）辐射阻抗：辐射功率可以等效为一个电阻吸收功率,上页 下页 返回,8.2 小电流环的辐射场,小电流环产生的矢量磁位 小电流环产生的电磁场 小电流环产生的近区场 小电流环产生的远区场 远区场的性

4、质,上页 下页 返回,1 小电流环产生的矢量磁位,恒定电流环产生的磁场,时变场时：,上页 下页 返回,恒定电流环产生的磁场,时变场时：,上页 下页 返回,上页 下页 返回,近场区,远场区,2 小电流环产生的电磁场,4 小电流环的远区场,3 小电流环的近区场,上页 下页 返回,球面波 非均匀球面波,(1) TEM波 E/H=Z,且同相,有一和方向有关的因子-方向因子,(3)功率流密度,辐射场,(4) 辐射功率,(5) 辐射电阻,5 近区场性质,上页 下页 返回,总结,辐射场的特点：（1）非均匀球面TEM波；（2）场强与距离成反比；（3）辐射功率流密度与距离平方成反比，辐射功率为常数；,电流源和电

5、流环是电磁辐射的两个基本单元；电流源和电流环辐射远区场表达式为：,上页 下页 返回,第8章 电磁辐射与天线Electromagnetic radiation and antennas,小电流元的辐射场 (Electric short Dipole) 小电流环的辐射场 (Magnetic short Dipole) 天线的基本特性（Basic Antenna Parameters） 对称线天线的辐射场(Symmetrical Center-Fed Dipole) 面天线的辐射场 (Aperture Antennas),上页 下页 返回,（1）波；TEM波；球面波；（2）非均匀球面波方向性；（3）

6、辐射场强 1/r ；辐射功率1/r2；,小电流元（电偶极子）和小电流环（磁偶极子） Electric short Dipole Magnetic short Dipole,上页 下页 返回,天线的分类与结构天线的电参数天线的方向性 Antenna Patterns, Directivity天线的效率和增益 Efficiency and Gain天线的阻抗特性 Resistance天线的工作频率和带宽 Frequency and Bandwidth天线的电参数测量,8.3 天线的基本特性Basic Antenna Parameters,上页 下页 返回,天线定义：向空间发射或从空间接收电磁波的装

7、置；导行波或高频电流和自由空间波间的能量转换装置；,1、天线的分类与结构,天线的工作性质分：发射天线和接收天线互易原理：同一副天线用作发射天线时特性和用作接收时的特性相同；按用途分: 通信天线，雷达天线，电视天线，广播天线；按工作频段分：长波天线，中波天线，短波天线，微波天线，多波段天线，宽带天线，超宽带天线；按结构分：线天线（双极子、单极子、菱形、螺旋），面天线（抛物面、波导、喇叭、微带、），阵列天线等。,上页 下页 返回,线天线,上页 下页 返回,线天线,上页 下页 返回,上页 下页 返回,上页 下页 返回,TEM喇叭天线,电磁耦合阵子天线,伦伯天线剖面图,北斗卫星通信天线,等角螺旋天线,

8、天线的特性如何描述？ 如何评价天线的好坏？ 描述天线工作特性的参数叫天线电参数（Basic Antenna Parameters）； 电参数主要有：方向性、阻抗特性、辐射效率、工作频带等,上页 下页 返回,2. 天线的电参数方向性,天线的方向性可以用方向性因子,方向图,方向性系数表示.,(1) 方向性因子,归一化方向性因子:,辐射场中与方向有关的函数 叫方向性因子,上页 下页 返回,(2)辐射强度,辐射强度：表示穿过单位立体角的功率,上页 下页 返回,（3）方向图（Filed Pattern） 表示天线方向性的图形,立体图：,上页 下页 返回,E面方向图：传播方向和电场矢量构成的、包含最大辐射

9、方向的平面；H面方向图：传播方向和磁场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；,上页 下页 返回,主射方向,主瓣(主叶),副瓣(副叶),后瓣,零射方向,半功率角主瓣宽度:Half Power Beam Width, HPBW零功率角主瓣宽度:Beam Width between first Nulls, BWFN,副瓣电平(Side Lobe Lever,SLL)，副瓣最大与主瓣最大值之比,后瓣电平：主瓣最大值与后瓣最大值之比(前后抑制比),上页 下页 返回,方向图参数,方向图的极坐标表示：,全向天线的方向图：两种卫星天线的方向图比较,有向天线方向图：伦伯方向图、等角螺旋天线方向图,（4）方向性系

10、数 （Directivity）,方向性系数：表示天线辐射能量在空间的集中能力；定义：在相同辐射功率下给定天线的辐射强度与理想全向辐射天线之比。,上页 下页 返回,主射方向性系数叫天线的方向性系数,辐射天线：给定辐射功率下，有向天线在主射方向的辐射功率密度与全向天线的辐射功率密度之比。,接收天线：相同来波场强的情况下，有向天线主射方向接收到的功率与全向天线在同一点接收到的功率之比。,点源：D1；电流和磁流源：D1.5；方向性较强的天线达几十dB,上页 下页 返回,例1 计算电流元和电流环的方向性系数,上页 下页 返回,输入阻抗：天线的输入电压与输入电流之比.,2、天线的电参数天线的阻抗 Inpu

11、t Resistance，Radiation Resistance,辐射电阻：,上页 下页 返回,电磁阵子的阻抗特性：S11、 VSWR、Zin,Real (Zin),Imag (Zin),2、天线的电参数天线效率（Efficiency）,天线效率:天线的辐射功率与输入功率之比.,上页 下页 返回,输入功率入射功率反射功率,输入功率辐射功率损耗功率,2、天线的电参数增益(Gain),天线增益：在相同输入功率下，给定天线的辐射强度与无耗全向天线辐射强度之比；,天线增益一般用分贝(dB)表示。,例2 已知天线在主射方向的增益为G，当输入功率为Pin时，求在主射方向、距离天线r处辐射的平均功率流密度

12、。,上页 下页 返回,根据天线的系统要求,规定天线电参数容许的变化范围，天线电参数不超过允许值的频率范围，称为天线的频带宽度（带宽 Bandwidth）,2、天线的电参数天线带宽,绝对带宽:,相对带宽:,中心、最高、最低工作频率：,窄带天线：相对带宽百分之几；宽带天线：相对带宽百分之几十；超宽带天线：相对带宽可达几个倍频；,上页 下页 返回,天线的带宽可以根据系统对任意电参数的要求定义；,最常用的带宽是根据阻抗特性定义的；,3、天线电参数的测量,阻抗特性测量驻波比、S11参数、反射系数、输入阻抗方向性测量方向图、方向性系数效率、增益测量 入射功率、反射功率、辐射功率（方向图，最大场强）,天线电

13、参数测量一般在自由空间测试场进行（微波暗室、高架天线测试场、斜天线测试场）,上页 下页 返回,微波暗室,天线,矢量网络分析仪,馈线,微波暗室,3、天线电参数的测量阻抗特性,上页 下页 返回,驻波比、S11参数、反射系数、输入阻抗,3、天线电参数的测量方向性测量,上页 下页 返回,效率和增益需要用标准增益天线比对获得,被测天线转动，而辅助天线不动；被测天线不动，辅助天线动；,小结,天线的分类与结构天线的方向性方向性因子、辐射强度、方向图、方向性系数天线的效率和增益；天线的阻抗特性：输入阻抗和辐射阻抗天线的工作频率和带宽天线电参数的测量,上页 下页 返回,本科及硕士期间建议学习的课件,C语言程序设计（A 浙大 颜辉）VC+程序设计（A孙鑫 VC+）天线理论与技术（A 交大 蒋延生）仿真软件 （A：CST、ANSOFT、ADS）数字信号处理1 （B 同济大学）数字信号处理2（西交大 殷勤业）微波工程（B：1-20讲 西电梁昌宏）微波工程（BCD：21-64讲 西电梁昌宏）,MAXWELL方程积分式媒质的电结构方程电荷守恒定理微分式标量电位及矢量磁位的定义式矢量磁位满足的达朗贝尔方程达朗贝尔方程解的复数表达式电场和磁场的能量密度、电流场的功率损耗密度电容、电感、电阻的定义式,