微波與天線-電偶極子的輻射.ppt

微波與天線-電偶極子的輻射,天線輻射與接收的理論基礎(chǔ),輻射的基本概念,滯后位,電偶極子的輻射,磁偶極子的輻射,1. 什么是輻射？ 輻射：隨時間變化的電磁場離開波源向空 間傳播的現(xiàn)象。 產(chǎn)生輻射的源稱為天線。 2. 輻射產(chǎn)生的必要條件 （1）時變源存在。 （2）源電路是開放的。 3. 影響輻射強(qiáng)弱的原因 （1）源電路尺寸與輻射波的波長相比擬時 輻射較為明顯。 （2）源電路越開放，輻射就越強(qiáng)。,輻射的基本概念,赫茲實(shí)驗(yàn),雷達(dá)探測目標(biāo)演示,拉桿天線,引向天線,喇叭天線,微帶天線,衛(wèi)星接收天線,寬帶全向天線,3m微波接力通信天線,中國遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá),艦載對空搜索雷達(dá)天線,相控陣?yán)走_(dá)天線,螺旋天線,俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線,俄軍巨型雷達(dá)天線陣列,麥克斯韋方程組的微分形式,積分形式:,微分形式:,注意：麥克斯韋方程的微分形式只適用于媒體的物理性質(zhì) 不發(fā)生突變的區(qū)域。,微分形式的麥克斯韋方程組給出了空間某點(diǎn)場量之間及場量與場源之間的關(guān)系。,滯后位,2. 在時變場情況下，動態(tài)矢量位和動態(tài)標(biāo)量位滿足的方程,1. 在靜態(tài)場情況下，矢量位和標(biāo)量位方程為,其解為:,麥克斯韋方程：,得：,已知：,對于正弦時變場，時間因子為：,令：,利用矢量恒等式：,洛侖茲規(guī)范：,同理：,達(dá)朗貝爾方程,方程的解為：,3. 由 和 的表示式可知, 場點(diǎn)R處的 和 變化的相位較其源 和 落后 。, 該相位用時間表示：,式中 就是波源 或 的變化傳遞到觀察點(diǎn)所需要的時間。,距離波源R處在t 時刻 和 由前一時刻 的電流 和電荷密度 的值決定。因此將 和 稱為滯后位。,P點(diǎn)的電位和電場強(qiáng)度 。,取球坐標(biāo)系，P點(diǎn)的電位,因?yàn)椋?則：,電場強(qiáng)度：,電偶極子,電偶極子的輻射,1. 什么是電偶極子？,一段通有高頻電流的直導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長時，該導(dǎo)線被稱為電偶極子。,當(dāng)： , 可近似地認(rèn)為導(dǎo)線上每一點(diǎn)的電流都是等幅同相的。,2. 電偶極子的輻射場,（1）電偶極子的滯后位,在球坐標(biāo)系,磁場由：,得:,（2）電偶極子的電磁場,電場由：,得:,（3）近區(qū)場,在靠近電偶極子的區(qū)域，當(dāng) 。此時， ，則電磁場可近似為,可見：電場和磁場的相位相差 ，因此能量在電場和磁場相互交換而平均坡印廷矢量為零，該區(qū)域的場稱為感應(yīng)場。,若將 代入上式,得:,此結(jié)果與電偶極子的靜電場分量相似。,感應(yīng)場,（4）遠(yuǎn)區(qū)場,電場和磁場與 成反比；,電場和磁場的相位相同；,電場和磁場在空間相互垂直，其比值等于媒質(zhì)的本征阻抗;,平均坡印廷矢量:,上式表明有能量向外輻射，說明一個做時諧震蕩的電流元可以輻射電磁波。遠(yuǎn)區(qū)場又稱為輻射場。,在遠(yuǎn)離電偶極子的區(qū)域，當(dāng) ， , 此時電磁場可近似為:,可見：,輻射場,電偶極子的方向圖,3. 方向性函數(shù)和方向圖,（1）方向性函數(shù)：場量隨方向變化的函數(shù)稱為天線的方向性 函數(shù)。,歸一化方向性函數(shù) 定義為：,顯然，電偶極子的方向性函數(shù)為：,（2）方向圖：根據(jù)方向性函數(shù)畫出的圖形稱為方向圖。,將 用極坐標(biāo)畫出來。,E 面方向圖,H 面方向圖,如果用一個大的球面將天線包圍起來，則從天線輻射出來的能量必然全部通過這個球面。,4、輻射功率,天線的總輻射功率為：,其中：,所以：,由此假設(shè)：,已知：,5. 輻射電阻,將天線的輻射功率視為電流 I 在一等效電阻上的損耗功率，則該等效電阻稱為輻射電阻。,可見：輻射電阻表示天線的輻射能力，輻射電阻越大，天線的輻射功率越強(qiáng)。,當(dāng)點(diǎn)源天線的輻射場強(qiáng)與實(shí)際天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)相同時，點(diǎn)源天線的輻射功率與實(shí)際天線的輻射功率之比為方向性系數(shù)。,由此得：,6. 方向性系數(shù),方向性系數(shù)表示為：,對點(diǎn)源天線輻射而言:,而：,點(diǎn)源天線的總輻射功率,實(shí)際天線的總輻射功率,其中：,點(diǎn)源天線,實(shí)際天線,7. 半功率波瓣寬度,輻射功率等于最大輻射功率一半時的兩個方向之間的夾角。,方向性系數(shù)又可表示為：,在相同的輻射功率下，實(shí)際天線產(chǎn)生的最大輻射場強(qiáng) 與點(diǎn)源天線的輻射場強(qiáng) 之比。,對電偶極子輻射而言:,故半功率波瓣寬度為：,方向性系數(shù)的另一種定義為：,點(diǎn)源天線,實(shí)際天線,例 畫出沿z軸放置的電基本振子的E 平面和H平面方向圖。,解: E平面方向圖: 在給定r處, E與無關(guān); E的歸一化場強(qiáng)值為 |E|=|sin| 這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù), 其E平面方向圖如圖1 (a)所示。 ,圖1 (a) 電基本振子E平面方向圖； (b) 電基本振子H平面方向圖； (c) 電基本振子立體方向圖, H平面方向圖: 在給定r處, 對于=/2, E的歸一化場強(qiáng)值為|sin|=1, 也與無關(guān)。因而H平面方向圖為一個圓, 其圓心位于沿z方向的振子軸上, 且半徑為1, 如圖1 (b)所示。 實(shí)際天線的方向圖一般要比圖 1 復(fù)雜。 典型的H平面方向圖如圖2 (a)所示, 這是在極坐標(biāo)中E的歸一化模值隨變化的曲線, 通常有一個主要的最大值和若干個次要的最大值。頭兩個零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱主波束）, 其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱邊瓣、副瓣）。 為了分析方便, 將圖2 (a)的極坐標(biāo)圖畫成直角坐標(biāo)圖, 即圖 2 (b)所示。,圖 2 (a) 極坐標(biāo)表示的H平面方向圖； (b) 直角坐標(biāo)H平面方向圖； (c) 直角坐標(biāo)H平面方向圖,例 確定沿z軸放置的電基本振子 的方向系數(shù)。,解:天線方向系數(shù)的一般表達(dá)式為,由上式可以看出, 要使天線的方向系數(shù)大, 不僅要求主瓣窄, 而且要求全空間的旁瓣電平小。 電基本振子的歸一化方向函數(shù)為:,|F(, )|=|sin| 將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得, 若以分貝表示, 則D=10log101.5=1.76dB。可見, 電基本振子的方向系數(shù)是很低的。 ,一、輻射的基本概念,二、滯后位,三、電偶極子的輻射,回顧-電磁波的輻射,1. 什么是輻射？,2. 輻射產(chǎn)生的必要條件