第八章 電磁輻射

1第7章導(dǎo)行電磁波2導(dǎo)行電磁波——被限制在某一特定區(qū)域內(nèi)傳播的電磁波常用的導(dǎo)波系統(tǒng)的分類：

TEM傳輸線、金屬波導(dǎo)管、表面波導(dǎo)導(dǎo)波系統(tǒng)——引導(dǎo)電磁波從一處定向傳輸?shù)搅硪惶幍难b置31、TEM波傳輸線

平行雙導(dǎo)線是最簡單的TEM波傳輸線，隨著工作頻率的升高，其輻射損耗急劇增加，故雙導(dǎo)線僅用于米波和分米波的低頻段。同軸線沒有電磁輻射，工作頻帶很寬。42、波導(dǎo)管

波導(dǎo)是用金屬管制作的導(dǎo)波系統(tǒng)，電磁波在管內(nèi)傳播，損耗很小，主要用于3GHz一30GHz的頻率范圍。矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)5第8章電磁輻射6●產(chǎn)生電磁波的振蕩源一般為天線。隨著振蕩源頻率的提高使電磁波的波長與天線尺寸可相比擬時，就會產(chǎn)生顯著的輻射。●對于天線，我們關(guān)心的是它的輻射場強(qiáng)、方向性、輻射功率和效率。●天線的型式可分為線天線和面天線?！癖菊掠蓽笪坏母拍畛霭l(fā)，求解元電流的輻射場。再利用疊加原理求解線天線和陣列天線的輻射問題。

傳輸線終端張角傳輸線對稱振子天線的定義

能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。天線的功能：能量轉(zhuǎn)換－導(dǎo)行波和自由空間波的轉(zhuǎn)換；定向輻射（接收）－具有一定的方向性。天線的輻射原理：天線原理—天線基本概念以無線電通信系統(tǒng)為例來說明。接收機(jī)接收天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)行波

發(fā)射機(jī)末級回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

傳輸——導(dǎo)行電磁波

發(fā)射和接收——天線

傳播——入射、反射、透射、繞射10隱形飛機(jī)

隱形對于一般人來說都不陌生，雖然這些說法大多數(shù)來自小說和神話，但是在現(xiàn)實生活中也不乏隱形的例子。比如說變色龍就能夠通過改變自己的顏色來進(jìn)行隱形。人們通過研究仿生學(xué)，并且應(yīng)用了最新的技術(shù)和材料，終于在龐大的飛機(jī)上也實現(xiàn)了隱形。從原理上來說，隱形飛機(jī)的隱形并不是讓我們的肉眼都看不到，它的目的是讓雷達(dá)無法偵察到飛機(jī)的存在。

隱身技術(shù)定義是：在飛機(jī)研制過程中設(shè)法降低其可探測性，使之不易被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊的專門技術(shù)，當(dāng)前的研究重點是雷達(dá)隱身技術(shù)和外形隱身技術(shù)。簡言之，隱身就是使敵方的各種探測系統(tǒng)（如雷達(dá)等）發(fā)現(xiàn)不了己方的飛機(jī)，無法實施攔截和攻擊。早在第二次世界大戰(zhàn)中，美國便開始使用隱身技術(shù)來減少飛機(jī)被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的可能。飛機(jī)要想不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，除了超低空飛行避開雷達(dá)波的探測范圍外，就得想辦法降低對雷達(dá)波的反射，使反射雷達(dá)波弱到敵人無法辨別的地步。這里有一個衡量飛行器雷達(dá)回波強(qiáng)弱的物理量：雷達(dá)散射截面積（英文名稱RadarCross-Section，縮寫為RCS），是指飛機(jī)對雷達(dá)波的有效反射面積，雷達(dá)隱身的方法便是采用各種手段來減小飛機(jī)的RCS。例如美國的B-52轟炸機(jī)的RCS大于100平方米，很容易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，而與其同類的采用了隱身技術(shù)的轟炸機(jī)B-2的RCS約為0.01平方米，一般雷達(dá)很難探測到它。

目前用來減小飛機(jī)RCS的主要途徑有兩種：一是改變飛機(jī)的外形和結(jié)構(gòu)，二是采用吸收雷達(dá)波的涂敷材料和結(jié)構(gòu)材料。

另外，應(yīng)盡量減少機(jī)身的強(qiáng)反射點或者說是“亮點”、發(fā)動機(jī)的噪聲以及機(jī)體本身的熱輻射等，因為這些方面的存在也容易“出賣”飛機(jī)的存在。例如，SR-71黑鳥飛機(jī)就采用閉合回路冷卻系統(tǒng)，把機(jī)身的熱傳給燃油，或把熱在大氣不能充分傳導(dǎo)的頻率下散發(fā)掉。隱形飛機(jī)采用非金屬材料或者雷達(dá)吸波材料，吸收掉而不是反射掉來自雷達(dá)的能量。雷達(dá)吸波材料分兩大類，一類是諧振型，一類是寬頻帶型。其中諧振型雷達(dá)吸波材料是為了某一頻率而設(shè)計的、以磁性材料為基礎(chǔ)、能把相消干涉和衰減結(jié)合起來的吸波材料。寬頻帶雷達(dá)吸波材料通常通過把碳-耗能塑料材料加到聚氨酯泡沫之類的基體中制成，它在一個相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持有效性。把雷達(dá)吸波材料與雷達(dá)能量可以透過的剛性物質(zhì)相結(jié)合，形成雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)材料，這種材料還屬于保密的吸波材料之一。運用最新的材料，隱形飛機(jī)在雷達(dá)上反射的能量幾乎能夠做到和一只麻雀的反射能量相同，僅僅通過雷達(dá)就想分辨出隱形飛機(jī)是非常困難的。雷達(dá)吸波材料雷達(dá)吸波材料是最重要的隱身材料，其中尤以結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料和吸波涂料最為重要，國外目前已實用的主要也是這兩類隱身材料。1)結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料是一種多功能復(fù)合材料，它既能承載作結(jié)構(gòu)件，具備復(fù)合材料質(zhì)輕、高強(qiáng)的優(yōu)點，又能較好地吸收或透過電磁波，已成為當(dāng)前隱身材料重要的發(fā)展方向。采用的纖維包括有良好介電透射性的石英纖維、電磁波透射率高的聚乙烯纖維、聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維，以及玻纖、聚酰胺纖維。碳纖維對吸波結(jié)構(gòu)具有特殊意義，近年來，國外對碳纖維作了大量改良工作，如改變碳纖維的橫截面形狀和大小，對碳纖維表面進(jìn)行表面處理，從而改善碳纖維的電磁特性，以用于吸波結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)吸波材料領(lǐng)域，西方國家中以美國和日本的技術(shù)最為先進(jìn)，尤其在復(fù)合材料、碳纖維、陶瓷纖維等研究領(lǐng)域，日本顯示出強(qiáng)大的技術(shù)實力。英國的Plesey公司也是該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)。

(2)雷達(dá)吸波涂料雷達(dá)吸波涂料主要包括磁損性涂料和電損性涂料磁損性涂料主要由鐵氧體等磁性填料分散在介電聚合物中組成。目前國外航空器的雷達(dá)吸波涂層大都屬于這一類。這種涂層在低頻段內(nèi)有較好的吸收性。美國Condictron公司的鐵氧體系列涂料，厚1mm，在2～10GHz內(nèi)衰減達(dá)10～12dB，耐熱達(dá)500℃；Emerson公司的EccosorbCoating268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷達(dá)頻段內(nèi)(1～16GHz)有良好的衰減性能(10dB)。磁損型涂料的實際重量通常為8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解決的重要問題。電損性涂料通常以各種形式的碳、SiC粉、金屬或鍍金屬纖維為吸收劑，以介電聚合物為粘接劑所組成。這種涂料重量較輕(一般可低于4kg/m2)，高頻吸收好，但厚度大，難以做到薄層寬頻吸收，尚未見純電損型涂層用于飛行器的報道。90年代美國Carnegie-Mellon大學(xué)發(fā)現(xiàn)了一系列非鐵氧體型高效吸收劑，主要是一些視黃基席夫堿鹽聚合物，其線型多烯主鏈上含有連接二價基的雙鏈碳-氮結(jié)構(gòu)，據(jù)稱涂層可使雷達(dá)反射降低80%，比重只有鐵氧體的1/10，有報道說這種涂層已用于B-2飛機(jī)。SR-71“黑鳥”（BlackBird），美國空軍高空高速偵察機(jī)。飛行高度達(dá)到30000米，最大速度達(dá)到3.5倍音速，這稱之為“雙三”。因此SR-71比現(xiàn)有絕大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)和防空導(dǎo)彈都要飛得高、飛得快，出入敵國領(lǐng)空如入無人之境，在蘇聯(lián)、中國的“槍林彈雨”中都未受到任何實質(zhì)威脅；在以色列上空偵察以色列核設(shè)施時，以軍F-4戰(zhàn)斗機(jī)向它發(fā)射了AIM-9“響尾蛇”空空導(dǎo)彈，但是導(dǎo)彈飛得卻還比SR-71慢。此飛機(jī)創(chuàng)造紐約飛往倫敦1小時54分56.4的記錄，最高時速可達(dá)3529公里，速度比來福槍的子彈還快，飛行高度是珠穆朗瑪峰高度的三倍，比波音737還大。SR-71上裝有先進(jìn)的電子和光學(xué)偵察設(shè)備，一小時內(nèi)它能完成對面積達(dá)324000平方千米的地區(qū)的光學(xué)攝影偵察任務(wù)。形象的說，它只需要6分鐘就可以拍攝得到覆蓋整個意大利的高清晰度照片。偵察照相機(jī)均裝在導(dǎo)軌上，攝影時向后運動，使得相機(jī)相對于地面靜止。

一代傳奇“黑鳥”SR－71，盡管有40％的服役飛機(jī)因意外事故在使用過程中損失，但卻保持了一項引以自豪的紀(jì)錄——從未在執(zhí)行任務(wù)中被擊落。以下是另一段著名的SR-71與洛杉磯塔臺的對話：

“請求60000英尺高度的空域使用權(quán)，over?！保ù蠹s是18000米，這是多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的升限，民用飛機(jī)基本沒戲，但對于能爬升到三萬米的SR71來說……）沉默了片刻，傳來了塔臺調(diào)度員略帶驚奇和嘲諷的聲音：

“你打算怎么爬升到那個高度？”

沉默。飛行員回復(fù)：

“我們不打算爬升到那個高度。我們要下降到那個高度。over?！?/p>

“.........”

總是被追趕，從未被擊落36本章內(nèi)容：

滯后位電偶極子的輻射37其解為：8.1滯后位yzxP

在第4章引入了動態(tài)矢量位和動態(tài)標(biāo)量位：在洛倫茲條件下，其方程為滯后位38

換言之，觀察點處位函數(shù)隨時間的變化總是滯后于源隨時間的變化。滯后的時間是電磁波從源所在位置傳到觀察點所需的時間，故稱為滯后位或推遲位。物理意義：

時刻t空間任意一點r處的位函數(shù)并不取決于該時刻的電流和電荷分布，而是取決于比t較早的時刻

的電流或電荷分布。時間

正好是電磁波以速度從源點傳到場點所需的時間。

例如：日光是一種電磁波，在某處某時刻見到的日光并不是該時刻太陽所發(fā)出的，而是在大約8分20秒前太陽發(fā)出的，8分20秒內(nèi)光傳播的距離正好是太陽到地球的平均距離。39時諧電磁場的位函數(shù)40

電偶極子是一種基本的輻射單元，是長度l遠(yuǎn)小于波長的直線電流元，線上電流是均勻的，且相位相同。由于電流元代入得電偶極子的矢量位8.2電偶極子的輻射yzxlP41zxy在球坐標(biāo)系中42由此得到電偶極子的電磁場：43

電偶極子周圍的空間劃分為三個區(qū)域：

近場區(qū)

遠(yuǎn)場區(qū)

過渡區(qū)遠(yuǎn)區(qū)場近區(qū)場中間場441、近區(qū)場：準(zhǔn)靜態(tài)場45（1）電場表達(dá)式與靜電偶極子的電場表達(dá)式相同；磁場表達(dá)式與用畢奧一薩伐定律計算的恒定電流元產(chǎn)生的磁場表達(dá)式相同。因此稱其為似穩(wěn)場或準(zhǔn)靜態(tài)場。（2）電場和磁場存在／2的相位差，能量在電場和磁場以及場與源之間交換，沒有輻射，所以近區(qū)場也稱感應(yīng)場。

近區(qū)場的特點：462、遠(yuǎn)區(qū)場（輻射場）：47zyyx電偶極子的方向圖

遠(yuǎn)區(qū)場的特點：遠(yuǎn)區(qū)場是橫電磁波，電場、磁場和傳播方向相互垂直遠(yuǎn)區(qū)場電磁場振幅比等于媒質(zhì)的本征阻抗遠(yuǎn)區(qū)場是非均勻球面波，電磁場振幅與1/r

成正比遠(yuǎn)