電磁輻射機(jī)理偶極子的場(chǎng)輻射功率及電阻

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(chǎng)

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精選課件什么是輻射？?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，一局部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?jī)?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(chǎng)。

?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〕是天線的根本單元，也是最簡(jiǎn)單的天線。工程上的實(shí)際天線

?

輻射過(guò)程是能量的傳播過(guò)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(chǎng)的特性。2精選課件8.1電磁輻射機(jī)理信號(hào)發(fā)生器傳輸線或波導(dǎo)天線電磁波圖8.1.1輻射系統(tǒng)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(zhǎng)度為l

電磁輻射的根本公式3精選課件1、沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)有輻射。結(jié)論3、假設(shè)電荷具有加速度，即便是無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線也將產(chǎn)生輻射。2、假設(shè)電荷在導(dǎo)線中做勻速運(yùn)動(dòng)，也即導(dǎo)線內(nèi)流過(guò)的是恒定電流，那么：①如果是無(wú)限長(zhǎng)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，使其具有終端或外表制成非連續(xù)的，都將產(chǎn)生輻射。4精選課件8.2單元偶極子的電磁場(chǎng)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(zhǎng)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，就可到達(dá)上述目的，具體方式如下圖。可見(jiàn)，開(kāi)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(chǎng)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(kāi)放電路，就必須降低電路中的電容值和電感值。5精選課件二.電磁輻射的過(guò)程

當(dāng)電偶極子p=qd

以簡(jiǎn)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(chǎng)圖6精選課件

某一瞬間E

線與H

線在空間的分布圖8.2.4

時(shí)單元偶極子天線E線與H線分布7精選課件在球坐標(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(chǎng)8精選課件9精選課件

圖8.2.6

電偶極子的近區(qū)

E與

H線的分布1.近區(qū)10精選課件特點(diǎn)：?

無(wú)推遲效應(yīng)；

?

電場(chǎng)與靜電場(chǎng)中電偶極子的場(chǎng)相同，磁場(chǎng)與恒定磁場(chǎng)中元電流的場(chǎng)相同，因此有結(jié)論：任一時(shí)刻，電、磁場(chǎng)的分布規(guī)律分別與靜態(tài)場(chǎng)中電、磁場(chǎng)相同，稱之為似穩(wěn)場(chǎng)。近區(qū)內(nèi)只有電磁能量交換，沒(méi)有波的傳播〔輻射〕。?

近區(qū)外的能量來(lái)自何方？近區(qū)場(chǎng)量11精選課件特點(diǎn)：2.遠(yuǎn)區(qū)〔亦稱輻射區(qū)〕因?yàn)?/p>

，含有的高次項(xiàng)可以忽略

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)量?

輻射區(qū)電磁場(chǎng)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(shuō)明遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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(chǎng)量的振幅與

有關(guān)，因此它是非均勻球面波。12精選課件

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)量?

及與距離r成反比，因此比近區(qū)場(chǎng)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(chǎng)，2、近區(qū)場(chǎng)，3、遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，13精選課件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(zhǎng)度的增加而增加，當(dāng)電流和長(zhǎng)度不變時(shí)，頻率越高，輻射功率越大。14精選課件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精選課件例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(zhǎng)度

l=50cm

。(1)分別計(jì)算赤道平面上離原點(diǎn)0.5m和10km

處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)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(chǎng)。在赤道平面上，得近區(qū)場(chǎng)量16精選課件r=10km

的點(diǎn)屬于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)量將代入上式，得17精選課件(2)r=10km處的平均功率密度(3)輻射電阻結(jié)束18精選課件凹透鏡天線19精選課件播送電臺(tái)中波天線20精選課件微波發(fā)射天線微波接收天線21精選課件陜西省電視塔上海市電視塔22精選課件23精選課件24精選課件25精選課件26精選課件習(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精選課件設(shè)直線振子沿z軸放置，振子中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，那么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