電磁輻射機(jī)理偶極子的場(chǎng)輻射功率及電阻ppt課件

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第八章 電磁能量輻射與天線(xiàn),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(xiàn)天線(xiàn)與天線(xiàn)陣,8.4 輻射的方向性與方向圖,1,什么是輻射？,? 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，一部分電 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(chēng)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(xiàn)、天線(xiàn)陣。發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)是互易的。天線(xiàn)的幾何形狀、尺寸 是多樣的，單元偶極子天線(xiàn)（電偶極子天線(xiàn)和磁偶極子天線(xiàn)）是天線(xiàn)的基本單元，也是最簡(jiǎn)單的天線(xiàn)。,工程上的實(shí)際天線(xiàn),? 輻射過(guò)程是能量的傳播過(guò)程，要考慮天線(xiàn)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。,2,8.1 電磁輻射機(jī)理,由線(xiàn)電流定義式,,當(dāng)電流隨時(shí)間變化時(shí)，可得,,設(shè)導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度為l,電磁輻射的基本公式,3,1、沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)有輻射。,結(jié)論,3、假如電荷具有加速度，即便是無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)也將產(chǎn)生輻射。,2、假如電荷在導(dǎo)線(xiàn)中做勻速運(yùn)動(dòng)，也即導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)，輻射不會(huì)發(fā)生； ② 如果導(dǎo)線(xiàn)被彎曲或制成V形，使其具有終端或表面制成非連續(xù)的， 都將產(chǎn)生輻射。,4,8.2 單元偶極子的電磁場(chǎng),8.2.1 電偶極子的輻射,一、天線(xiàn)的形成,以平行板電容器和長(zhǎng)直載流螺線(xiàn)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(xiàn)圈數(shù)N，就可達(dá)到上述目的，具體方式如圖所示。,可見(jiàn)，開(kāi)放的LC電路就是大家熟悉的天線(xiàn)！當(dāng)有電荷（或電流）在天線(xiàn)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(xiàn)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。,5,二. 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(xiàn),圖 8.2.3E 線(xiàn)分別在 的場(chǎng)圖,6,某一瞬間 E 線(xiàn)與 H 線(xiàn)在空間的分布,7,在球坐標(biāo)系中，,圖8.2.5 單元偶極子天線(xiàn)的磁矢量,,,遠(yuǎn)離天線(xiàn)P點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位為：,8.2.2 電偶極子的電磁場(chǎng),8,,9,圖8.2.6 電偶極子的近區(qū) E 與 H 線(xiàn)的分布,1.近區(qū),10,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(chēng)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,,特點(diǎn)：,2. 遠(yuǎn)區(qū) （亦稱(chēng)輻射區(qū)）,因?yàn)? ，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T(mén)EM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(chēng)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,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)，,13,8.3 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。,14,8.3.2 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,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10 km 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,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,(2) r =10km 處的平均功率密度,,(3)輻射電阻,,結(jié)束,18,,,,,凹透鏡天線(xiàn),19,廣播電臺(tái)中波天線(xiàn),20,微波發(fā)射天線(xiàn),微波接收天線(xiàn),21,陜西省電視塔,上海市電視塔,,,,,22,23,24,25,,,,,26,習(xí)題: 垂直放置的單元偶極子作為輻射天線(xiàn)，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,設(shè)直線(xiàn)振子沿 z 軸放置，振子中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則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 ，可近似取 的差別只在相位因子 中考慮，對(duì)于振幅，可取,將（1）代入,28,