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1、第5章 动态电磁场： 电磁辐射与电磁波,5.1 电磁辐射,5.2 理想介质中的均匀平面电磁波,5.3 有损媒质中的均匀平面电磁波,5.4 均匀平面电磁波的反射与透射,5.5 均匀平面电磁波的极化,5.1 电磁辐射,Electromagnetic Radiation,随时间变化的场源 或 产生的电磁场以波的形式在空间传播，这种现象被称为场源的电磁辐射。,能有效地辐射（或接收）电磁波的装置称为天线。,天线的应用：无线电通信、雷达、微波遥感（军事、水文、农业、海洋、气象、森林等）、生物医学等。,辐射的主要参数：辐射场强、方向性和辐射功率。,陕西省广播电台中波天线,微波发射、接收天线,陕西省电视塔,上
2、海市电视塔,微 波 天 线,微 波 天 线,微 波 天 线,雷 达,设置在海上的卫星遥感浮标,遥感卫星接收解调技术,微波通讯,微 波 通 讯,雷 达,遥感卫星影像的应用,雷 达,5.1.1 电偶极子的电磁场,1.天线的形成,电偶极子天线形成过程的示意图,2.电磁辐射的过程, 电偶极子以简谐方式振荡时向外激发电磁波。,电偶极子天线,一个电偶极子在不同时刻的 E 线场图分布,某一瞬间E 线与H 线在空间的分布,动态描述单元偶极子天线 辐射形成过程,t=0时单元偶极子天线 E 线与 H 线分布,3.电偶极子的电磁场,设：, l ，即l上各点i(t )有相同的值，即不计该元天线上的推迟作用； l r，
3、即场点至元天线上各点距离相同。, ，且都是向 r 方向传播的电磁波“t-kr”, 和 ， 分别由若干项组成，其中包含由( kr )不同幂次项组合的因子。,5.1.2 近场与远场,1.近区 kr 1 或 r , 不考虑推迟现象似稳场。,2.远区 kr 1 或 r , 都是向 r 方向传播的电磁波“t-kr”；换句话说，必须考虑场的推迟效应；, 电磁波的等相位面( 相位相同的各点的空间轨迹，亦即波源作用“同时”传播到达的各点轨迹 )为球面，故为球面波；, 波阻抗,特性阻抗, 能量的分布与传播, 辐射功率Pe,例5.1 元天线的辐射功率,解,本例计算结果表明：, 除直流( )外，所有交流激励源都要向
4、外辐射能量，但若f = 50 Hz，因辐射能量非常微小，可略之；, 辐射能量,f ()，l 可短些步话机、短波发射、接收； f ( )，l 较长中波天线、兵舰上的天线(导航)；,辐射电阻, 辐射功率,5.1.3 方向图,辐射场的电场强度随 和 角度变化的函数 f ( , )，称为天线的方向图因子。,方向图：根据f ( , )画出的图形；用来描述天线辐射场强的空间分布特征。,电偶极子天线,方向图,立体方向图, 各类天线的方向性( 方向图 )是不一样的； 若 l 不再满足 l 条件时，则必须考虑沿天线的推迟效应，此时天线在各方向上的辐射场强特性也有所变化 ； 基于天线的方向性，收、发天线应有相同的
5、方向图。,5.1.4 线天线与天线阵,Linear Antenna and Antenna Array,1.线天线,具有一定长度且导体半径远小于其长度的线状导体构成的天线。,直线对称振子是一种线天线，它是指线的横截面尺寸远比波长小，它的长度与波长在同一数量级上，流经它的电流不再等幅同相。,终端开路传输线张开成对称振子,四种长度线天线的方向图,2.天线阵,a 阵列元数目 b 阵列元间隔 c 每个阵列元给电流的大小和相位,天线阵是由许多指向同一方向的相似天线组成的，这些天线的排列可使能量都传送到预定的方向，其它方向几乎没有辐射。天线阵设计的主要参数是：,微波接力通信,同步卫星建立全球通信,通信卫星
6、,空间太阳能发电站和电力传输,(1)在静止轨道上放置太阳能电池帆板，产生500万kW能量；,(2)通过“变电站”微波发生器，将直流功率变为微波功率；,(3)通过天线阵向地面定向辐射；,(4)地面接收站将微波转换为电能；,(5)提供给用户。,5.2 理想介质中的均匀平面电磁波,前提条件：,(1)无界的自由空间,(2)均匀平面电磁波, 波源的远区，且分析区域为有限范围(d 0),a. 等相位面由球面波 平面波； b. sin const. 故在等相位面上，场量值 ( t = C时 )相等均匀波,均匀平面电磁波的示意图, 实际较复杂的电磁波可看成是许多均匀平面电磁波的叠加,5.2.1 波动方程及其解
7、,对于时谐电磁场的复数形式：,5.2.2 均匀平面电磁波的物理意义,波的特征：,“横电磁波”(TEM波) ( Transverse Electromagnetic Wave ),理想介质中的均匀平面波,(2) 均匀平面波：在 z = c 的等相位面上，各点场量的相位、数值均相等，故有等相位面与等幅面一致的特征； (3) “波的极化”电场强度末端对时间变化的轨迹(等相位面上)特征，为线极化波。,波的传播特性：,(1) 波速，即相位速度,(2) 波阻抗,(3) 波数每单位长度中相位的变化，或 2 米中所含的波长数,(4) 波长,(5) 周期,能量分布与传播,与电偶极子元天线的电磁辐射远区相同。,解
8、,(1) 波沿 +z 方向传播,(2),(3),5.2.3 波矢量,对沿任意方向传播的均匀平面电磁波，定义波矢量：,k 波数；,均匀平面电磁波传播方向的单位矢量。,解,(1),(2),(3),5.3 有损媒质中的均匀平面电磁波,5.3.1 波动方程及其解,ke有损媒质的传播系数，为一复数。,有衰减的波动方程(电报方程),设：,有损媒质中的均匀平面波,波的特征：,(1) 相同点：,类比于无界空间中理想介质中的均匀平面波，其异同点为, 等相位面( z =c )与等幅面一致的特征；, 线极化波。,(2) 相异点：, 、 时间上不同相( 滞后 为 角度)；, 入射波振幅随波行进按指数规律衰减(减幅波)
9、， k 称为衰减系数, k( )不再是频率的线性函数。有损媒质亦称为色散媒质。,5.3.2 低损耗介质 (tan 1 ),对于低损耗介质，电磁波的相速近似等于理想介质中的相速，只是振幅沿传播方向略有衰减。,5.3.3 良导体 ( tan 1 ),5.4 均匀平面电磁波的反射与透射,电磁波的反射与透射,平行极化波电场强度矢量与入射面平行。,平行极化波的斜入射,垂直极化波电场强度矢量与入射面垂直。,垂直极化波的斜入射,5.4.1 反射定律与透射定律,反射定律,透射定律,(介质的折射率),5.4.2 理想介质中平行极化波的斜入射,在 z = 0 平面(即媒质分界面)上,5.4.3 理想介质中垂直极化
10、波的斜入射,在 z = 0 平面(即媒质分界面)上, 对于理想导体平面情况，如设 z0 的空间为理想导体，由于20，故无论对于平行极化还是垂直极化情况，透射系数 T 为零，反射系数 R为-1。, 若当入射角为 0 时（即为垂直入射，也称为正入射），则所论平行极化和垂直极化兼并为同一种情况。,解,(1) 入射波的波矢量为,均匀平面电磁波斜入射到理想导体平面,由图可知，此属于垂直极化入射问题。,反射波的波矢量为,(2) 对于垂直极化情况，反射系数 R-1,(3) 基于所得的空气中合成电场强度和磁场强度的表达式，可以看出，合成波的电场强度和磁场强度在 x 方向均为正向行波，而在 z 方向则呈现驻波分
11、布。电场强度仅有垂直于传播方向（即 x 方向）的分量，无传播方向的分量；而磁场强度既有垂直于传播方向（即 x 方向）的分量，也有传播方向的分量，所以，空气中的合成波为 TE 波。,5.4.4 理想介质中的全反射和全折射,全反射, 1 2,电磁波从光疏介质入射到光密介质，R/ 和R 是不等于1的实数，故不发生全反射。, 1 2,电磁波从光密介质入射到光疏介质，分为三种情况：,(1),R/ 和R 是不等于1的实数，不发生全反射。,(2),|R/ |和| R |等于1，发生全反射。,c 全反射的临界角,媒质 2 中电磁波沿界面切向传播，没有法向分量。,(3),R/ 和 R 是复数，模值为1，有相移。
12、,媒质 2 中电磁波沿界面切向传播，沿法向有衰减场。,对于两种理想介质交界面，全反射只出现在 1 c ，且电磁波由光密介质向光疏介质传播时的情况。,5.4.4 垂直入射电磁波的反射与透射,反射系数,透射系数 T = R + 1,波由理想介质垂直入射到理想导体( 2 )平面的情况, 全反射现象。此时理想介质中的合成电场呈驻波形态；合成磁场亦为驻波，两者错开 ( 空间上 ) ，相位差90( 时间上 )。, 理想导体中， 、 均为零。,均匀平面电磁波垂直入射两理想介质平面的情况,媒质1中为行驻波；,媒质2中为行波；,驻波比SWR： 全反射SWR R = -1 ， T = 0 匹配SWR = 1 R = 0 ， T = 1,5.5 均匀平面电磁波的极化,电场强度矢量随时间在等相位面上的变化轨迹称为电磁波的极化特性。,5.5.1 直线极化,特点：Ex 和 Ey 同相或反相。,合成,5.5.2 圆极化,特点：Ex 和 Ey 幅值相等，相位差90。,合成,左旋极化波,右旋极化波,返 回,5.5.3 椭圆极化,特点：Ex 和 Ey 幅值不相等，相位不相等。,
