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1、第八章第八章 电磁能量辐射与天线电磁能量辐射与天线 8.1 8.1 电磁辐射机理电磁辐射机理 8.2 8.2 单元偶极子的电磁场单元偶极子的电磁场 8.3 8.3 单元偶极子的辐射功率和辐射电阻单元偶极子的辐射功率和辐射电阻 8.5 8.5 线天线与天线阵线天线与天线阵 8.4 8.4 辐射的方向性与方向图辐射的方向性与方向图1什么是辐射？什么是辐射？ 电磁波从波源出发，以有限速度电磁波从波源出发，以有限速度 在媒质中向四面八方传播，一部分电在媒质中向四面八方传播，一部分电磁波能量脱离波源而单独在空间波动，不再返回波源，这种现象称为辐射。磁波能量脱离波源而单独在空间波动，不再返回波源，这种现象
2、称为辐射。研究内容：研究内容： 辐射是有方向性的，希望在给定的方向产生指定的场。辐射是有方向性的，希望在给定的方向产生指定的场。 辐射的波源是天线、天线阵。发射天线和接收天线是互易的。天线的几辐射的波源是天线、天线阵。发射天线和接收天线是互易的。天线的几何形状、尺寸何形状、尺寸 是多样的，单元偶极子天线（电偶极子天线和磁偶极子天线）是多样的，单元偶极子天线（电偶极子天线和磁偶极子天线）是天线的基本单元，也是最简单的天线。是天线的基本单元，也是最简单的天线。工程上的实际天线工程上的实际天线 辐射过程是能量的传播过程，要考虑天线发射和接收信号的能力。辐射过程是能量的传播过程，要考虑天线发射和接收信
3、号的能力。 研究辐射的方向性和能量传播的前提是掌握辐射电磁场的特性。研究辐射的方向性和能量传播的前提是掌握辐射电磁场的特性。2 8.1 8.1 电磁辐射机理电磁辐射机理信号发信号发生器生器传输线或波导传输线或波导天线天线电磁波电磁波图图8.1.1辐射系统辐射系统由线电流定义式由线电流定义式当电流随时间变化时，可得当电流随时间变化时，可得 设导线的长度为设导线的长度为l 电磁辐射的基本公式电磁辐射的基本公式 31 1、没有电荷运动，就不会有辐射。、没有电荷运动，就不会有辐射。结论结论3 3、假如电荷具有加速度，即便是无限长直导线也将产生辐射。、假如电荷具有加速度，即便是无限长直导线也将产生辐射。
4、2 2、假如电荷在导线中做匀速运动，也即导线内流过的是恒定电流，那么：、假如电荷在导线中做匀速运动，也即导线内流过的是恒定电流，那么： 如果是无限长直导线，辐射不会发生；如果是无限长直导线，辐射不会发生； 如果导线被弯曲或制成如果导线被弯曲或制成V V形，使其具有终端或表面制成非连续的，形，使其具有终端或表面制成非连续的， 都将产生辐射。都将产生辐射。4 8.2 8.2 单元偶极子的电磁场单元偶极子的电磁场8.2.1 8.2.1 电偶极子的辐射电偶极子的辐射一、天线的形成一、天线的形成以平行板电容器和长直载流螺线管为例可知以平行板电容器和长直载流螺线管为例可知 即增加电容器极板间距即增加电容器
5、极板间距d，缩小极板面积，缩小极板面积S，减少线圈数，减少线圈数N，就可达到上述目的，具体方，就可达到上述目的，具体方式如图所示。式如图所示。 可见，开放的可见，开放的LC电路就是大家熟悉的电路就是大家熟悉的天线天线！当有电荷（或电流）！当有电荷（或电流）在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。图图 8.2.1 电偶极子天线的形成的演示电偶极子天线的形成的演示 从从LC 电路的振荡频率电路的振荡频率 式可知，要提高振荡频率、开放电式可知，要提高振荡频率、开放电路，就必须降低电路中的电容值和电感值。路，就必须降低电路中的电容值和电感值。5二
6、二. . 电磁辐射的过程电磁辐射的过程 当电偶极子当电偶极子p=qd 以简谐方式振荡时以简谐方式振荡时向外辐射电磁波向外辐射电磁波图图 8.2.2 电偶极子天线电偶极子天线图图 8.2.3E E 线分别在线分别在 的场图的场图6 某一瞬间某一瞬间 E 线与线与 H线线在空间的分布在空间的分布图图8.2.4 8.2.4 时单元偶极子天线时单元偶极子天线E线与线与H线分布线分布7在在球坐标系球坐标系中中，图图8.2.5 单元偶极子天线的磁矢量单元偶极子天线的磁矢量远离天线远离天线P P点的动态位为点的动态位为：8.2.2 8.2.2 电偶极子的电磁场电偶极子的电磁场89 图图8.2.6 电偶极子的
7、近区电偶极子的近区 E 与与 H 线的分布线的分布1.1.近区近区10特点特点： 无推迟效应无推迟效应； 电场与静电场中电偶极子的场相同，磁场与恒定磁场中元电流电场与静电场中电偶极子的场相同，磁场与恒定磁场中元电流的场相同，因此有结论：的场相同，因此有结论：任一时刻，电、磁场的分布规律分别与静态任一时刻，电、磁场的分布规律分别与静态场中电、磁场相同，称之为似稳场。场中电、磁场相同，称之为似稳场。近区内只有电磁能量交换，没有波的传播（辐射）近区内只有电磁能量交换，没有波的传播（辐射）。 近区外的能量来自何方？近区外的能量来自何方？近区场量近区场量11特点：特点：2. 2. 远区远区 （亦称辐射区
8、）（亦称辐射区） 因为因为 ，含有，含有 的高次项可以忽略的高次项可以忽略 远区场量远区场量 辐射区电磁场有推迟效应，为辐射区电磁场有推迟效应，为TEM波，波， 与与 在空间互相垂直，且在空间互相垂直，且垂直于传播方向，在时间上垂直于传播方向，在时间上 与与 同相位，平均坡印亭矢量不为零，同相位，平均坡印亭矢量不为零，且指向沿且指向沿r 方向，说明远区场是沿径向朝外传播的，有能量沿径向朝四方向，说明远区场是沿径向朝外传播的，有能量沿径向朝四周辐射出去。周辐射出去。 相位相同的点连成的面称为相位相同的点连成的面称为等相位面等相位面，辐射区的电磁波为，辐射区的电磁波为球面波。球面波。在等相面上，由
9、于场量的振幅与在等相面上，由于场量的振幅与 有关，因此它是非均匀球面波。有关，因此它是非均匀球面波。12 远区场量远区场量 及及 与距离与距离r成反比，因此比近区场衰减慢得多。成反比，因此比近区场衰减慢得多。因为电磁波是因为电磁波是以球面波形式向四周扩散，随着以球面波形式向四周扩散，随着r的增大，能量分布到更大的球面上。的增大，能量分布到更大的球面上。当当 时，电磁波便消失了。时，电磁波便消失了。 与与 之比为一常数，有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，之比为一常数，有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，自由空间的波阻抗为：自由空间的波阻抗为：1 1、电偶极子的辐射场电偶极子的辐射场
10、，2 2、近区场近区场，3 3、远区场远区场，13 8.3 8.3 单元偶极子的辐射功率和辐射电阻单元偶极子的辐射功率和辐射电阻 单元偶极子向自由空间辐射的总功率是以单元偶极子为球心，半径单元偶极子向自由空间辐射的总功率是以单元偶极子为球心，半径为为r（ r ）的球面上坡印亭矢量的积分，即）的球面上坡印亭矢量的积分，即 8.3.1 8.3.1 辐射功率辐射功率结论结论 单元偶极子的辐射功率随偶极子上的电流和偶极子长度的增加而增单元偶极子的辐射功率随偶极子上的电流和偶极子长度的增加而增加，当电流和长度不变时，频率越高，辐射功率越大。加，当电流和长度不变时，频率越高，辐射功率越大。 14 8.3.
11、2 8.3.2 辐射电阻辐射电阻由由可得辐射电阻可得辐射电阻表征了辐射电磁能量的能力，表征了辐射电磁能量的能力， 愈大辐射能力愈强愈大辐射能力愈强 15例例 8.1频率频率 f =10MHz的信号源馈送给电流有效值为的信号源馈送给电流有效值为25A的电偶极子。设电的电偶极子。设电偶极子的长度偶极子的长度 l =50cm 。 (1) (1)分别计算赤道平面上离原点分别计算赤道平面上离原点0.5m和和10km 处的电场强度和磁场强度；处的电场强度和磁场强度； (2)(2)计算计算 r =10km处的平均功率密度；处的平均功率密度； (3)(3)计算辐射电阻计算辐射电阻 。解：解：1 1）在自由空间
12、，）在自由空间， ，r =0.5m的点属近区场。的点属近区场。在赤道平面上在赤道平面上 ，得，得近区场量近区场量16r =10km 的点属于远场区的点属于远场区 远区场量远区场量将将 代入上式，得代入上式，得17(2) (2) r =10km处的平均功率密度处的平均功率密度(3)(3)辐射电阻辐射电阻 结束结束18凹透镜天线凹透镜天线19广播电台中波天线广播电台中波天线20微波发射天线微波发射天线微波接收天线微波接收天线21陕西省电视塔陕西省电视塔上海市电视塔上海市电视塔2223242526习题: 垂直放置的单元偶极子作为辐射天线，已知 分别求与地面成 角度、离偶极子中心30m和5km处的表达式。答案： 30m处：5km处：27 设直线振子沿设直线振子沿 z 轴放置，振子中心位于坐标轴放置，振子中心位于坐标原点，则振子上的电流分布表达式为原点，则振子上的电流分布表达式为在在 z 处取一元电流段处取一元电流段 则则（1）由于由于 ，可近似取，可近似取 的差别只在相位因子 中考虑，对于振幅，可取将（1）代入（a）1/ 4波长半波对称振子1/ 4波长1/ 2波长（b）P2 ld zyzo28
