电磁场与电磁波课件第八章ppt

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1、电磁场与波电磁场与波（Electromagnetic Field and Wave) 矢量场分析矢量场分析（Vector AnalysisVector Analysis）n源与场的关系源与场的关系 （HHHH已知源计算场）已知源计算场）n标量源、矢量源；标量源、矢量源； 散度、旋度；通量、环量散度、旋度；通量、环量静电场静电场（Steady Electric Field EquationSteady Electric Field Equation）nCoulomb Law Coulomb Law 稳恒磁场稳恒磁场（Steady Magnetic Field Equation)Steady Ma

2、gnetic Field Equation)nBiot-SavartBiot-Savart Law LawMaxwells EquationMaxwells EquationnFaradays LawFaradays LawnDisplacement CurrentDisplacement Current描述宏观电磁现象的最完美的形式描述宏观电磁现象的最完美的形式上页 下页 返回Maxwells Equation 上页 下页 返回平面电磁波（无限大空间）平面电磁波（无限大空间）导行电磁波（无限长传输线）导行电磁波（无限长传输线）达朗贝尔达朗贝尔方程方程上页 下页 返回达朗贝尔达朗贝尔方程方程上

3、页 下页 返回第第8 8章章 电磁辐射与天线电磁辐射与天线小电流元的辐射场小电流元的辐射场小电流环的辐射场小电流环的辐射场 天线的基本特性天线的基本特性 对称线天线的辐射场对称线天线的辐射场 面天线面天线上页 下页 返回电磁场的基本的辐射单元电磁场的基本的辐射单元电流环称磁偶极子电流环称磁偶极子电流元：电流元：小电流环：小电流环：磁环磁环电流元也称为电偶极子电流元也称为电偶极子上页 下页 返回8.1 8.1 电流元的辐射场电流元的辐射场电流元产生的矢量磁位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电磁场电流元产生的近区场电流元产生的近区场电流元产生的远区场电流元产生的远区场远区场的性质

4、远区场的性质上页 下页 返回1. 电流元产生的矢量磁位电流元产生的矢量磁位上页 下页 返回近场区近场区远场区远场区2. 电流元产生的电磁场电流元产生的电磁场上页 下页 返回1 1个波长内叫电抗近场区；个波长内叫电抗近场区；辐射近场区：菲聂尔区辐射近场区：菲聂尔区辐射远场区：夫朗赫夫区辐射远场区：夫朗赫夫区是纯虚数是纯虚数无平均功率流动无平均功率流动非辐射场非辐射场3. 电流元产生的近区场电流元产生的近区场上页 下页 返回4. 电流元产生的远区场电流元产生的远区场5. 5. 远区场的性质远区场的性质(2) (2) 球面波：等相位面是球面的波球面波：等相位面是球面的波, ,且同相；且同相；(1)

5、TEM(1) TEM波波 E/H=ZE/H=Z；(3) (3) 非均匀球面波：球面上的场与角度或方向有关；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有一和方向有关的因子-方向因子方向因子上页 下页 返回(4)功率流密度功率流密度(5) 辐射功率辐射功率辐射功率密度与距离平方成反比辐射功率密度与距离平方成反比（6 6）辐射阻抗：辐射功率可以等效）辐射阻抗：辐射功率可以等效为一个电阻吸收功率为一个电阻吸收功率上页 下页 返回8.2 8.2 小电流环的辐射场小电流环的辐射场 小电流环产生的矢量磁位小电流环产生的矢量磁位 小电流环产生的电磁场小电流环产生的电磁场 小电流环产生的近区

6、场小电流环产生的近区场 小电流环产生的远区场小电流环产生的远区场 远区场的性质远区场的性质上页 下页 返回1 小电流环产生的矢量磁位小电流环产生的矢量磁位恒定电流环产生的磁场恒定电流环产生的磁场时变场时：时变场时：上页 下页 返回恒定电流环恒定电流环产生的磁场产生的磁场时变场时：时变场时：上页 下页 返回上页 下页 返回近场区近场区远场区远场区2 小电流环产生的电磁场小电流环产生的电磁场4 4 小电流环的远区场小电流环的远区场3 小电流环的近区场小电流环的近区场上页 下页 返回(2)球面波球面波 非均匀球面波非均匀球面波 (1) TEM波波 E/H=Z,且同相且同相有一和方向有关的因子有一和方

7、向有关的因子-方向因子方向因子(3)功率流密度功率流密度辐射场辐射场(4) 辐射功率辐射功率(5) 辐射电阻辐射电阻5 5 近区场性质近区场性质上页 下页 返回总结辐射场的特点：辐射场的特点：（1）非均匀球面非均匀球面TEM波；（波；（2）场强与距离成反比；）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；）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：电流源和电流环辐射远区场表达式为：上页 下页 返回第第8 8章章 电磁辐射与天线电磁辐射与天线Elect

8、romagnetic radiation and antennas 小电流元的辐射场小电流元的辐射场 ( (Electric short Dipole)Electric short Dipole) 小电流环的辐射场小电流环的辐射场 (Magnetic short Dipole)(Magnetic short Dipole) 天线的基本特性天线的基本特性（Basic Antenna ParametersBasic Antenna Parameters） 对称线天线的辐射场对称线天线的辐射场(Symmetrical Center-Fed (Symmetrical Center-Fed Dipole

9、)Dipole) 面天线的辐射场面天线的辐射场 (Aperture Antennas)(Aperture Antennas)上页上页 下页下页 返回返回（1）波；）波；TEM波；球面波；波；球面波；（2）非均匀球面波方向性；）非均匀球面波方向性；（3）辐射场强）辐射场强 1/r ；辐射功率；辐射功率1/r2；小电流元（小电流元（电偶极子）和电偶极子）和小电流环（小电流环（磁偶极子）磁偶极子） Electric short Dipole Magnetic short Dipole上页上页 下页下页 返回返回天线的分类与结构天线的分类与结构天线的电参数天线的电参数n天线的天线的方向性方向性 Ant

10、enna Patterns, Directivityn天线的效率和增益天线的效率和增益 Efficiency and Gainn天线的阻抗特性天线的阻抗特性 Resistancen天线的工作频率和带宽天线的工作频率和带宽 Frequency and Bandwidth天线的电参数测量天线的电参数测量8.3 8.3 天线的基本特性天线的基本特性Basic Antenna Parameters上页上页 下页下页 返回返回天线定义天线定义：向空间发射或从空间接收电磁波的装置；：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；导行波或高频电流和自由空间波间的能量转换装

11、置；1 1、天线的分类与结构、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天线的工作性质分：发射天线和接收天线n互易原理互易原理：同一副天线用作发射天线时特性和用作接收时的特：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；性相同；按用途分按用途分: : 通信天线，雷达天线，电视天线，通信天线，雷达天线，电视天线，广播天线；广播天线；按工作频段分：长波天线，中波天线，短波天按工作频段分：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，超宽线，微波天线，多波段天线，宽带天线，超宽带天线；带天线；按结构分：线天线（双极子、单极子、菱形、按结构分：线天线（双极子、单极子、菱

12、形、螺旋），面天线（抛物面、波导、喇叭、微带、螺旋），面天线（抛物面、波导、喇叭、微带、），阵列天线等。），阵列天线等。上页上页 下页下页 返回返回线天线线天线上页上页 下页下页 返回返回线天线线天线上页上页 下页下页 返回返回上页上页 下页下页 返回返回上页上页 下页下页 返回返回TEM喇叭天线喇叭天线电磁耦合阵子天线电磁耦合阵子天线伦伯天线剖面图伦伯天线剖面图北斗卫星通信天线北斗卫星通信天线等角螺旋天线等角螺旋天线 天线的特性如何描述？天线的特性如何描述？ 如何评价天线的如何评价天线的好坏？好坏？ 描述天线工作特性的参数叫天线电参数描述天线工作特性的参数叫天线电参数（Basic Anten

13、na ParametersBasic Antenna Parameters）；）； 电参数主要有：方向性、阻抗特性、辐电参数主要有：方向性、阻抗特性、辐射效率、工作频带等射效率、工作频带等上页上页 下页下页 返回返回2. 2. 天线的电参数天线的电参数方向性方向性天线的方向性可以用方向性因子天线的方向性可以用方向性因子, ,方向图方向图, ,方向性系数表示方向性系数表示. .(1) (1) 方向性因子方向性因子归一化方向性因子归一化方向性因子: :辐射场中与方向有关的函数辐射场中与方向有关的函数 叫方向性叫方向性因子因子上页上页 下页下页 返回返回(2)(2)辐射强度辐射强度辐射强度：辐射强度

14、：表示穿过单位立体角的功率表示穿过单位立体角的功率上页上页 下页下页 返回返回（3 3）方向图（）方向图（Filed PatternFiled Pattern） 表示天线方向性的图形表示天线方向性的图形立体图：立体图：上页上页 下页下页 返回返回E E面面方向图方向图：传播方向和电场矢量构传播方向和电场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；成的、包含最大辐射方向的平面；H H面面方向图方向图：传播方向和磁场矢量构传播方向和磁场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；成的、包含最大辐射方向的平面；上页上页 下页下页 返回返回主射方向主射方向主瓣主瓣( (主叶主叶) )副瓣副瓣( (副叶副叶) )后瓣后

15、瓣零射方向零射方向半功率角主瓣宽度半功率角主瓣宽度: :Half Power Beam Width, HPBW零功率角主瓣宽度零功率角主瓣宽度: :Beam Width between first Nulls, BWFN副瓣电平副瓣电平( (Side Lobe Lever,SLL) )，副瓣最大与主瓣最大值之比，副瓣最大与主瓣最大值之比后瓣电平后瓣电平：主瓣最大值与后瓣：主瓣最大值与后瓣最大值之比最大值之比( (前后抑制比前后抑制比) )上页上页 下页下页 返回返回方向图参数方向图参数方向图的极坐方向图的极坐标表示：标表示：全向天线的方向图：两种卫星天线的方向图比较全向天线的方向图：两种卫星天

16、线的方向图比较有向有向天线方向图：伦伯方向图、等角螺旋天线方向图天线方向图：伦伯方向图、等角螺旋天线方向图（4 4）方向性系数）方向性系数 （DirectivityDirectivity）方向性系数方向性系数：表示天线辐射能量在空间的集中能力；：表示天线辐射能量在空间的集中能力；定义：定义：在相同辐射功率下给定天线的辐射强度与理想全向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。辐射天线之比。上页上页 下页下页 返回返回主射方向性系数叫主射方向性系数叫天线的方向性系数天线的方向性系数辐射天线辐射天线：给定辐射功率下，有向天线在主射方向：给定辐射功率下，有向天线在主射方向的辐射功率密

17、度与全向天线的辐射功率密度之比。的辐射功率密度与全向天线的辐射功率密度之比。接收天线接收天线：相同来波场强的情况下，有向天线主射：相同来波场强的情况下，有向天线主射方向接收到的功率与全向天线在同一点接收到的功方向接收到的功率与全向天线在同一点接收到的功率之比。率之比。点源：点源：D D1 1；电流和磁流源：电流和磁流源：D D1.51.5；方向性较强的天线达几十方向性较强的天线达几十dBdB上页上页 下页下页 返回返回例例1 1 计算电流元和电流环的方向性系数计算电流元和电流环的方向性系数上页上页 下页下页 返回返回输入阻抗：输入阻抗：天线的输入电压与输入电流之比天线的输入电压与输入电流之比.

18、 .2 2、天线的电参数天线的电参数天线的阻抗天线的阻抗 Input Resistance，Radiation Resistance 辐射电阻辐射电阻：上页上页 下页下页 返回返回 电磁阵子的阻抗特性：电磁阵子的阻抗特性：S11、 VSWR、ZinReal (Zin)Imag (Zin)2 2、天线的电参数天线的电参数天线天线效率效率（EfficiencyEfficiency）天线效率天线效率: :天线的辐射功率与输入功率之比天线的辐射功率与输入功率之比. .上页上页 下页下页 返回返回输入功率入射功率反射功率输入功率入射功率反射功率输入功率输入功率辐射功率辐射功率损耗功率损耗功率2 2、天线

19、的电参数天线的电参数增益增益(Gain)(Gain)天线增益天线增益：在相同输入功率下，给定天线的辐射在相同输入功率下，给定天线的辐射强度与无耗全向天线辐射强度之比；强度与无耗全向天线辐射强度之比；天线增益一般用分贝天线增益一般用分贝( (dBdB) )表示。表示。例例2 2 已知天线在主射方向的增益为已知天线在主射方向的增益为G G，当输入功率，当输入功率为为P Pinin时，求在主射方向、距离天线时，求在主射方向、距离天线r r处辐射的平均处辐射的平均功率流密度。功率流密度。上页上页 下页下页 返回返回根据天线的系统要求根据天线的系统要求, ,规定规定天线电参数天线电参数容许的变化范容许的

20、变化范围，天线电参数不超过允许值的频率范围，称为天围，天线电参数不超过允许值的频率范围，称为天线的线的频带宽度频带宽度（带宽（带宽 BandwidthBandwidth）2 2、天线的电参数天线的电参数天线带宽天线带宽绝对带宽绝对带宽:相对带宽相对带宽:中心、最高、最低工作频率：中心、最高、最低工作频率：窄带天线窄带天线：相对带宽百分之几；：相对带宽百分之几；宽带天线宽带天线：相对带宽：相对带宽百分之几十；百分之几十；超宽带天线超宽带天线：相对带宽可达几个倍频；：相对带宽可达几个倍频；上页上页 下页下页 返回返回天线的带宽可以根据系统对天线的带宽可以根据系统对任意任意电参数的要求定义；电参数的

21、要求定义；最常用的带宽是根据阻抗特性定义的；3 3、天线电参数的测量、天线电参数的测量阻抗特性测量阻抗特性测量n驻波比、驻波比、S11S11参数、反射系数、输入阻抗参数、反射系数、输入阻抗方向性测量方向性测量n方向图、方向性系数方向图、方向性系数效率、增益测量效率、增益测量 n入射功率、反射功率、入射功率、反射功率、辐射功率辐射功率（方向图，最大场强）（方向图，最大场强）天线电参数测量一般在自由空间测试场进行（微天线电参数测量一般在自由空间测试场进行（微波暗室、高架天线测试场、斜天线测试场）波暗室、高架天线测试场、斜天线测试场）上页上页 下页下页 返回返回微波暗室微波暗室天线天线矢量网络矢量网

22、络分析仪分析仪馈线馈线微波暗室微波暗室3 3、天线电参数的测量、天线电参数的测量阻抗特性阻抗特性上页上页 下页下页 返回返回驻波比、驻波比、S11S11参数、参数、反射系数、输入阻抗反射系数、输入阻抗3 3、天线电参数的测量、天线电参数的测量方向性测量方向性测量天线天线检波器检波器功率计功率计馈线馈线微波暗室微波暗室平面波投射平面波投射上页上页 下页下页 返回返回效率和增益需要用标效率和增益需要用标准增益天线比对获得准增益天线比对获得被测天线转动，而辅助天线不动；被测天线转动，而辅助天线不动；被测天线不动，辅助天线动；被测天线不动，辅助天线动；小结小结天线的分类与结构天线的分类与结构天线的方向

23、性天线的方向性n方向性因子、辐射强度、方向图、方向性系数方向性因子、辐射强度、方向图、方向性系数n天线的效率和增益；天线的效率和增益；n天线的阻抗特性：输入阻抗和辐射阻抗天线的阻抗特性：输入阻抗和辐射阻抗n天线的工作频率和带宽天线的工作频率和带宽天线电参数的测量天线电参数的测量上页上页 下页下页 返回返回本科及硕士期间建议学习的课件C语言程序设计（语言程序设计（A 浙大浙大 颜辉）颜辉）VC+程序设计（程序设计（A孙鑫孙鑫 VC+）天线理论与技术（天线理论与技术（A 交大交大 蒋延生）蒋延生）仿真软件仿真软件 （A：CST、ANSOFT、ADS）数字信号处理数字信号处理1 （B 同济大学）同济

24、大学）数字信号处理数字信号处理2（西交大（西交大 殷勤业）殷勤业）微波工程（微波工程（B：1-20讲讲 西电梁昌宏）西电梁昌宏）微波工程（微波工程（BCD：21-64讲讲 西电梁昌宏）西电梁昌宏）MAXWELLMAXWELL方程积分式方程积分式方程积分式方程积分式媒质的电结构方程媒质的电结构方程媒质的电结构方程媒质的电结构方程电荷守恒定理微分式电荷守恒定理微分式电荷守恒定理微分式电荷守恒定理微分式标量电位及矢量磁位的定义式标量电位及矢量磁位的定义式标量电位及矢量磁位的定义式标量电位及矢量磁位的定义式矢量磁位满足的达朗贝尔方程矢量磁位满足的达朗贝尔方程矢量磁位满足的达朗贝尔方程矢量磁位满足的达朗贝尔方程达朗贝尔方程解的复数表达式达朗贝尔方程解的复数表达式达朗贝尔方程解的复数表达式达朗贝尔方程解的复数表达式电场和磁场的能量密度、电流场的功率损耗密度电场和磁场的能量密度、电流场的功率损耗密度电场和磁场的能量密度、电流场的功率损耗密度电场和磁场的能量密度、电流场的功率损耗密度电容、电感、电阻的定义式电容、电感、电阻的定义式电容、电感、电阻的定义式电容、电感、电阻的定义式