第八部分电磁波的辐射与散射Radiationandscatter.ppt
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1、第八章 电磁波的辐射与散射 Radiation and scatter,8.1 电流元的辐射 8.2 对称振子,天线阵 8.3 天线电参数和传输方程 8.4 互易定理 8.5 电磁波的散射, 8.1 描述天线特性的主要参数,方向性函数或方向图 radiated pattern 天线效率 Efficiency of an antenna 极化特性 polarization 频带宽度 band width 输入阻抗 input resistance,描述天线特性的主要参数,方向图 radiated pattern,定义:离开天线一定距离处,描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式,称为
2、天线的方向性函数;,方向性函数或方向图:描述天线方向性的参数。,把方向性函数用图形表示出来,就是方向图,方向图特性参数,主瓣:最大辐射波束通常称为方向图的主瓣,旁瓣:主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。,天线增益G (或方向性GD) 波束宽度(或主瓣宽度) 旁瓣电平,天线增益G(Gain)与方向性GD,天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度,它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比,天线方向性GD与天线增益但与天线增益定义略有不同,波束宽度与旁瓣电平 Beamwidth and sidelobe level,波束宽度:
3、实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中,在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大,偏离波束中心,辐射强度减小。辐射强度减小3dB时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为,旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的 第一旁瓣电平,一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域,其电平应尽可能的低。,天线效率A:辐射功率P与总功率Pi的比,Pi为欧姆损耗;,天线的辐射电阻R:用来度量天线辐射功率的能力,它是一个虚拟的量,当通过它的电流等于天线上的最大电流时,其损耗的功率就等于辐射功率。,辐射电阻越大,天线的辐射能力越强。,天线效率与辐射电阻的关系,天线效率与辐射电阻 Radiati
4、on efficiency and Radiation resistance,要提高天线效率,应尽可能提高R ,降低R1,天线的损耗电阻R1,用电阻表示的天线的效率,极化特性,极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式,可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化;圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。,输入阻抗与频带宽度,天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率。 当天线工作频率偏离设计频率时,天线与传输线的匹配变坏,致使传输线上电压驻波比增大,天线效率降低。因此在实际应用中,还引入电压驻
5、波比参数,并且驻波比不能大于某一规定值。 天线的有关电参数不超出规定的范围时对应的频率,范围称为频带宽度,简称为天线的带宽。,一、 定义及其电磁场,图 8-3 电流元及短振子; 电流元; (b) 电偶极子; (c) 短对称振子 Current element Electric dipole short dipole antenna,8.2电流元的辐射 radiation,研究电流元的辐射特性具有重要的理论价值与实际意义。任何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的,电流元是线天线的基本单元。很多面天线也可直接根据面上的电流分布求解其辐射特性。,电流元的电磁辐射很富有代表性,它具备的很多特性是
6、任何其它天线所共有的。,研究意义,一段载有均匀同相的时变电流的导线称为电流元,电流元的直径 d 远小于长度 l, 而其长度又远小于波长以及观察距离。 这里所谓的均匀同相电流是指导线上各点电流的振幅相等,且相位相同。,电流元,电流元产生的位函数,在球坐标中,电流元产生的电磁场,磁场,电场,图 8-5 场分量各成分随r/的变化曲线,kr1即r/2(但rl)的区域。,8.2.2 近区电磁场 near-zone field,近区,将上式与静态场比较可见,它们分别是恒定电流元 Il 产生的磁场及电偶极子 ql 产生的静电场。场与源的相位完全相同,两者之间没有时差。,虽然电流元的电流随时间变化,但它产生的
7、近区场与静态场的特性完全相同,无滞后现象,所以近区场称为似稳场。,电场与磁场的时间相位差为 ,能流密度的实部为零,只存在虚部。可见近区场中没有能量的单向流动,能量仅在场与源之间不断交换,近区场的能量完全被束缚在源的周围,因此近区场又称为束缚场。,近区场的特点,远区:kr1, 即r/2的区域。,8.2.3 远区电磁场 far-zone field,kr1,远区场,(1) 场的方向: 电场只有E分量; 磁场只有H分量。其坡印廷矢量为 。可见, E, H互相垂直, 并都与传播方向 相垂直。因此这是横电磁波(TEM波)。,远区场的特点,(2) 场的相位: 无论E或H, 其空间相位因子都是-kr, 即其
8、相位随离源点的距离r增大而滞后,等r的球面为其等相面。所以这是球面波。这种波相当于是从球心一点发出的, 因而这种波源称为点源,球心称为相位中心。 。因此,E和H在时间上同相, 为实功率即传输实功率, 故称之为辐射场。,(3) 场的振幅: 场的振幅与r成反比, 这是因为电流元由源点向外辐射时, 其功率渐渐扩散, 由分布于小的球面变成分布于更大的球面上。 这是球面波的振幅特点! 由于球面面积r2, 而总辐射功率不变, 因而功率流密度 , 故|E|21/r。 场的振幅与I成正比, 也与l/成正比。 这是由于场来源于波源之故。值得注意的是, 它与电尺寸l/有关而不是仅与几何尺寸l有关。 场的振幅还正比
9、于sin, 当=90时最大,而当=0(轴向)时为零。这说明电流元的辐射是有方向性的。这种方向性正是天线的一个主要特性。,图 8-6 电流元周围电磁力线的瞬时分布,图 8-7 电流元周围电磁力线在一周内的变化(辐射过程),图 8-7 电流元周围电磁力线在一周内的变化(辐射过程),天线的辐射方向图:表征天线方向特性,方向图函数是方位角 及 的函数。,方向图函数(简称方向函数),EM是|E(, )|的最大值。,8.2.4 辐射方向图 Radiation pattern,把方向图函数用图形表示出来,就是天线的方向图,电流元的方向图,图 电流元的二主面方向图,若采用极坐标,以 为变量在任何 等于常数的平
10、面内,函数F(, ) 的变化轨迹为两个圆,如左图示。,将左上图围绕 z 轴旋转一周,即构成三维空间方向图。,由于与 无关,在/2的平面内,以 为变量的函数的轨迹为一个圆,如右图示。,图 8-9 电流元的立体方向图,方向图中辐射最强的方向称为主射方向, 辐射为零的方向称为零射方向。 具有主射方向的方向叶称为主叶(瓣),其余称为副叶(瓣) 。,方向图中的参数,功率降为为主射方向上功率的1/2时,两个方向之间的夹角以20.5表示,2 0.5 为两个零射方向之间的夹角称为零功率宽度,以20表示。,半功率波瓣宽度,定量地描述主叶的宽窄程度,HP (Half-Power Beamwidth);,电流元的半
11、功率宽度:,电流元所辐射的总功率可由其平均功率流密度在包围电流元的球面上的面积分来得出。 其平均功率密度为,故辐射功率(实功率)为,8.2.5 辐射功率和辐射电阻,辐射功率,Radiation Power,仿照电路中的处理, 设想辐射功率是由一电阻吸收的, 即令,得,Rr称为电流元的辐射电阻。若已知天线的辐射电阻, 可方便地由式(8-27)得出其辐射功率。,(8-27),辐射电阻 Radiation resistance,已知在电流元最大辐射方向上远区1 km处电场强度振幅为|E1|=1 mV/m, 试求: (1) 最大辐射方向上2km处电场强度振幅|E2|; ; (2) 偏离最大方向60的方
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