静d电磁辐射课件
94页1、第8章 电磁辐射,1.电流元辐射,一段载有均匀同相的时变电流的导线称为电流元,电流元的 d l,且l , l r,均匀同相电流是指导线上各点电流的振幅相等,且相位相同。,任何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的,电流元是线天线的基本单元。很多面天线也可直接根据面上的电流分布求解其辐射特性。,电流元具备的很多电磁辐射特性是任何其它天线所共有的。,设电流元周围媒质是无限大的均匀线性且各向同性的理想介质。建立的坐标如左图示。,利用矢量磁位 A 计算其辐射场。该线电流 I 产生的矢量磁位 A 为,式中r 为场点, r 为源点。,由于 ,可以认为上式中 ,又因电流仅具有z 分量,即 ,因此,为了讨论天线的电磁辐射特性,使用球坐标系较为方便。那么,上述矢量位 A 在球坐标系中的各分量为,再利用关系式 ,求得磁场强度各个分量为,由 ,或者直接利用 ,根据已知的磁场强度即可计算电场强度,其结果为,上述结果表明,在球坐标中,z 向电流元场强具有 , 及 三个分量,而 。由此可见,可以认为电流元产生的电磁场为TM 波。,通常,r 的区域称为远区。,在电磁场中,物体的绝对几何尺寸是无关紧要的。具有重要
2、意义的是物体的尺寸相对于波长的大小,以波长度量的几何尺寸称为物体的波长尺寸(电长度)。,位于坐标原点的 z 方向电流元的电磁场,r 的区域称为远区。,近区中的电磁场称为近区场,远区中的电磁场称为远区场。,近区场。因 , ,则上式中的低次项 可以忽略,且令 ,那么,将上式与静态场比较可见,它们分别是恒定电流元 Il 产生的磁场及电偶极子 ql 产生的静电场。场与源的相位完全相同,两者之间没有时差。,可见,近区场与静态场的特性完全相同,无滞后现象,所以近区场称为似稳场。,电场与磁场的时间相位差为 ,能流密度的实部为零,只存在虚部。可见近区场中没有能量的单向流动,近区场的能量完全被束缚在源的周围,因此近区场又称为束缚场。,远区场。因 , ,则上式中的高次项可以忽略,结果只剩下两个分量 和 ,得,式中 为周围媒质的波阻抗。,上式表明,电流元的远区场具有以下特点:,(1)远区场为向 r 方向传播的电磁波。电场及磁场均与传播方向 r 垂直,可见远区场为TEM波,电场与磁场的关系为 。,(2)电场与磁场同相,复能流密度仅具有实部。能流密度矢量的方向为传播方向 r 。这就表明,远区中只有不断向外辐射的
3、能量,所以远区场又称为辐射场。,(4)远区场强振幅不仅与距离有关,而且与观察点所处的方位也有关,这种特性称为天线的方向性。场强公式中与方位角 及 有关的函数称为方向性因子,以 f (, ) 表示。,(3)远区场强振幅与距离 r 一次方成反比,场强随距离增加不断衰减。这种衰减不是媒质的损耗引起的,而是球面波固有的扩散特性导致的。,(5)电场及磁场的方向与时间无关。可见,电流元的辐射场具有线极化特性。当然在不同的方向上,场强的极化方向是不同的。,由于电流元沿Z 轴放置,具有轴对称特点,场强与方位角 无关,方向性因子仅为方位角 的函数,即 。可见,电流元在 = 0 的轴线方向上辐射为零,在与轴线垂直的 = 90方向上辐射最强。,除了上述线极化特性外,其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性,即一切有限尺寸的天线,其远区场为TEM波,是一种辐射场,其场强振幅不仅与距离r 成反比,同时也与方向有关。,当然,严格说来, 远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于形成能量交换部分的场强振幅至少与距离 r2 成反比,而构成能量辐射部分的场强振幅与距离r 成反比,因此,远区中能量的交换部分所占的比重很
4、小。相反,近区中能量的辐射部分可以忽略。,天线的极化特性和天线的类型有关。天线可以产生线极化、圆极化或椭圆极化。当天线接收电磁波时,天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致。否则只能收到部分能量,甚至完全不能接收。,为了计算电流元向外的辐射功率Pr,可将远区中的复能流密度矢量的实部沿半径为r 的球面进行积分,即,式中Sc 为远区中的复能流密度矢量,即,代入前式,得,那么,若周围为真空,波阻抗 Z = Z0 = 120,则辐射功率 为,式中I 为电流强度的有效值。,为了衡量天线辐射功率的大小,以辐射电阻Rr表述天线的辐射功率的能力,其定义为,那么,电流元的辐射电阻 为,由此可见,电流元长度越长,则电磁辐射能力越强。,例 若位于坐标原点的电流元沿 x 轴放置,试求其远区场公式。,因 , ,,相应的各球面坐标分量为,对于远区场仅需考虑与距离r 一次方成反比的分量,因此,求得远区磁场强度为,又知远区场是向正 r 方向传播的TEM波,因此,电场强度 E 为,解,由此可见,对于 x 方向电流元,不同场分量具有不同的方向性因子。此结果与 z 方向电流元的方向性因子完全不同。由此可见,改变天线
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