《电磁场与电磁波》课件第八章

电磁场与波（ElectromagneticFieldandWave)矢量场分析（VectorAnalysis）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（SteadyElectricFieldEquation）CoulombLaw稳恒磁场（SteadyMagneticFieldEquation)Biot-SavartLawMaxwell’sEquationFaraday’sLawDisplacementCurrent描述宏观电磁现象的最完美的形式上页下页返回Maxwell’sEquation0BD0EJH0SSdBqSdDS0ldElIldHltDSdtBSSdtDStBEABAtE上页下页返回0222EtE0222HtHJtEtE1222JHtH222JAtA222222t平面电磁波（无限大空间）导行电磁波（无限长传输线）0222AtA0222t达朗贝尔方程上页下页返回VdRRtrJtrAV),(4),(JAtA222达朗贝尔方程lIddSJdVJS,,EHAjkReRlIdrA4)(VdRerJrAVjkR)(4)(k1v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：lIdtqIqjI小电流环：raa,_qqEHmqmqdlIm磁环电流元也称为电偶极子dVJlqdjlId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lId1.电流元产生的矢量磁位jkReRlIdrA4)(0xyzr)(rAjkrerIdlz4ˆ0)sinˆcosˆ(40rerIdlAjkrrˆˆzyxrAAAAAA0cossinsinsincoscoscoscossinsincossinˆjHEAH01zA00上页下页返回jkrekrkrjIdlkH))(1(4sin220HHrjkrrerkrkjIdlkjE)1(2cos332203jkrerkjrkkrjIdlkE)1(4sin3322030E32)(1,)(1,1,krkrkrHE1r1rrkr2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；辐射近场区：菲聂尔区辐射远场区：夫朗赫夫区24sinrIdlH32cosrIdljEr34sinrIdljEpjqdljdltqIdl32cosrp34sinrp*HESc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30304sinˆ2cosˆrprprE24sinrpj上页下页返回1rjkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE024sin0kZZHE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sin),(f上页下页返回Hk0EHrˆˆˆ(4)功率流密度2*)2sin(ˆrIdlZrHESc(5)辐射功率SdSPScrrrRIP22/1r辐射功率密度与距离平方成反比22)(80dlRr222)(80dlIPr20022sinˆˆ)2sin(ddrrrrIdlZ（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质上页下页返回1小电流环产生的矢量磁位raa,RlIdAl40ˆ4sin220rIaAIyzrR恒定电流环产生的磁场RlIdeAljkR40时变场时：)(rRjkjkrjkReee)(1)(rRjkerRjkljkrRlIdjkRjkre)1(40xex1上页下页返回RlIdAl40ˆ4sin220rIa恒定电流环产生的磁场时变场时：ljkrRlIdjkRjkreA)1(40上页下页返回ljkrljkrldkIeRlIdejkrA44)1(00ˆ4sin)1(220rIaejkrAjkrjkreISrjkrA4sin)1(ˆ02AH010jHEjkrrerrjkISHcos)1(232jkrerrjkrkISHsin)1(43220HjkrerrjkISjEsin)1(4200EEr上页下页返回1r1r近场区远场区2小电流环产生的电磁场cos23rISHrsin43rISHsin420rISjE4小电流环的远区场jkrerISkHsin42jkrerkISEsin40ZH3小电流环的近区场上页下页返回kZ0(2)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sin),(f(3)功率流密度22*)4sin(ˆrISkZrHESc辐射场SdSPScr246)(320Ia46)(320aRr(4)辐射功率(5)辐射电阻jkrerISkHsin42jkrerkISEsin405近区场性质上页下页返回总结jkrerISkHsin42jkrerkISEsin40jkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE4sin2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Electromagneticradiationandantennas小电流元的辐射场(ElectricshortDipole)小电流环的辐射场(MagneticshortDipole)天线的基本特性（BasicAntennaParameters）对称线天线的辐射场(SymmetricalCenter-FedDipole)面天线的辐射场(ApertureAntennas)上页下页返回（1）波；TEM波；球面波；（2）非均匀球面波－方向性；（3）辐射场强1/r；辐射功率1/r2；jkrerISkHsin42jkrerkISEsin40jkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE4sin2)(ˆ2ZErSc221)2sin(ˆrrIdlZrSc小电流元（电偶极子）和小电流环（磁偶极子）ElectricshortDipoleMagneticshortDipole上页下页返回2221)4sin(ˆrrISkZrSc天线的分类与结构天线的电参数天线的方向性AntennaPatterns,Directivity天线的效率和增益EfficiencyandGain天线的阻抗特性Resistance天线的工作频率和带宽FrequencyandBandwidth天线的电参数测量8.3天线的基本特性BasicAntennaParameters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（BasicAntennaParameters）；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jkrefrE),(1归一化方向性因子:max),(),(ffFjkrerIdlkjE4sin24sin),(2IdlkjfIdlsin),(IdlF),(f辐射场中与方向有关的函数叫方向性因子),(maxFEE上页下页返回(2)辐射强度2),(ˆrUrScSdSPScradddrrrrUSsinˆˆ),(22ddUSsin),(辐射强度：表示穿过单位立体角的功率ZErSrUc222),(ZFEr22max2),(SddFZErsin),(22max2221ˆrZErSc上页下页返回（3）方向图（FiledPattern）表示天线方向性的图形立体图：sin),(F上页下页返回sin),(0EF190sin),(00HFE面方向图：传播方向和电场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；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5.02707.01半功率角主瓣宽度:HalfPowerBeamWidth,HPBW零功率角主瓣宽度:BeamWidthbetweenfirstNulls,BWFN5.02副瓣电平(SideLobeLever,SLL)，副瓣最大与主瓣最大值之比)(log20)(log10maxmaxmaxmaxdBEEdBSSSLLavav主副主副后瓣电平：主瓣最大值与后瓣最大值之比(前后抑制比))(log20maxmaxdBEE后主0202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。ZFErZErU22max222),(),(),(),(),(refUUD),(4refradUP4),(radrefPU4/),(radPU上页下页返回SradddFZErPsin),(22max2