电磁辐射10.ppt

Field and Wave Electromagnetic
电磁场与电磁波

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TEM wave
E
H
es
TE wave
E
H
es
TM wave
E
H
es
横向场量
切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。
天线的极化特性和天线的类型有关。
接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。
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远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2 成反比，而辐射部分的场强振幅与距离 r 成反比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略。
近区场
远区场
E
r
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为了计算辐射功率Pr，可将远区中的复能流密度矢量的实部沿半径为r 的球面进行积分。
式中Sc 为远区中的复能流密度矢量。
即
即
得
式中电流I 为有效值。
若周围为真空，波阻抗 ，则辐射功率为
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为了衡量辐射功率的大小，使用辐射电阻 Rr，其定义为
电流元的辐射电阻为
可见，电流元的波长尺寸越大，则辐射能力越强。
例 计算位于原点的 x 方向电流元的远区场。
则各球面坐标分量为
因 ， ，
解
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对于远区场仅需考虑与距离r 一次方成反比的分量。
远区场是向正 r 方向传播的TEM波。因此，电场强度 E 为
r
Il
z
y
x
 , 
P(x, y, z)
O
求得远区磁场强度为
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可见，x 方向电流元的不同场分量的方向性因子不同，此结果与 z 方向电流元完全不同。
但是，并不意味天线的辐射特性发生变化。
电流元在其轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的方向上辐射最强。
改变天线相对于坐标系的方位，其方向性因子的表示式随之改变。
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2. 天线方向性
使用归一化方向性因子描述方向性比较方便。
式中 fm 为方向性因子的最大值。
归一化方向性因子的最大值 Fm= 1。
式中 为最强辐射方向上的场强振幅。
其定义为
任何天线的辐射场振幅可用归一化方向性因子表示为
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利用归一化方向性因子绘制天线的方向图。通常使用直角坐标系或极坐标系。
z 方向电流元的方向性因子 ，
， 。
若用极坐标系，在任何  等于常数的平面内，函数 的变化轨迹为两个圆。
y
z
y
x
在 的平面内，以 为变量的函数的轨迹为一个圆。

r
Il
z
y
x

 , 
E
Er
H
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将 等于常数的平面内的方向图围绕 z 轴旋转一周，即构成三维空间方向图。
计算机绘制的三维空间的立体方向图更能形象地描述天线辐射场强的空间分布。
x
z
y
x
y
z
r


E
E
H
H
电流元
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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，其余称为副叶。
场强为主射方向上场强振幅的 倍的两个方向之间的夹角称为半功率角，以 表示； 两个零射方向之间的夹角称为零功率角，以 表示。
2 0
主射方向
主叶
后叶
副叶
零射方向
零射方向
1
2
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当有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时，无向天线所需的辐射功率 与有向天线的辐射功率 之比值称为方向性系数D 。
式中 为有向天线主射方向上的场强振幅。
为无向天线的场强振幅。
方向性愈强，D 值愈高。
方向性系数常以分贝表示。
即
即
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已知有向天线的辐射功率为
式中S 代表以天线为中心的闭合球面。
无向天线向周围空间均匀辐射，其辐射功率为
求得
已知电流元的 ，求得电流元的 。
28
实际天线具有损耗，输入功率PA大于辐射功率Pr。Pr与PA 之比称为天线的效率。
天线的增益以G表示。增益是在相同的场强下，无向天线的输入功率PA0与有向天线的输入功率PA 之比。
无向天线的效率 ，得
地球站的大型抛物面天线增益高达50dB以上。
即
即
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小结
1. 电流元辐射
I
l
d

r
Il
z
y
x

 , 
E
Er
H
远区场：
特