電磁場與電磁波課件第五章優秀PPT.ppt

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1、電磁場與電磁波課件第五章現在學習的是第1頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology天線天線產生電磁波輻射的能量裝置，以保證電磁波有方向性的輻射。產生電磁波輻射的能量裝置，以保證電磁波有方向性的輻射。線天線：線天線：由各種不同形狀的導線構成（電基本振子、磁基本振子、對稱天線由各種不同形狀的導線構成（電基本振子、磁基本振子、對稱天線）口徑天線：口徑天線：由各種不同形狀的導電面構成（喇叭天線、拋物面天線由各種不同形狀的導電面構成（喇叭天線、拋物面天線）法拉第法拉第電磁感應定律電磁感應定律和麥克斯韋和麥克斯韋位移電流位移電流假

2、設，使得即使在遠離場源假設，使得即使在遠離場源（天線）的無源區，時變電場與時變磁場也能相互轉換，形成電磁場（天線）的無源區，時變電場與時變磁場也能相互轉換，形成電磁場的的輻射和傳播輻射和傳播，也就是電磁波。，也就是電磁波。時變電磁場時變電磁場 恒定電磁場恒定電磁場 恒定磁場與恒定電場相互無關，沒有能量的相互轉換恒定磁場與恒定電場相互無關，沒有能量的相互轉換 現在學習的是第2頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.1 5.1 時諧電磁場時諧電磁場時諧電磁場：時諧電磁場：諸場量隨時間做正弦或余弦形式的變化，即隨時間做

3、諸場量隨時間做正弦或余弦形式的變化，即隨時間做 簡諧變化的時變電磁場。簡諧變化的時變電磁場。5.1.1 5.1.1 基本場量的復數表示式基本場量的復數表示式振幅 初相位 位置的函數，與時間無關 現在學習的是第3頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology上上述述電電場場的的模模 一一般般不不是是時時諧諧函函數數，自自然然也也就就無無幅幅度度和和相位可言。僅當相位可言。僅當 特例時，特例時，才成為時諧函數，即才成為時諧函數，即對對于于時時諧諧電電磁磁場場，可可以以借借用用在在討討論論交交流流電電路路時時用用過過的的復復數數

4、符符號號法法，引引入入場場量量的的復復數數表表示示式式。為為了了便便于于將將復復數數與與實實數數加加以以區區別別，在在教教材材中中復復數數量量均用字母上方加小圓點來表示。均用字母上方加小圓點來表示?，F在學習的是第4頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology復振幅（相量）振幅 幅角（初相位）位置的函數，與時間無關 即即現在學習的是第5頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology類似地，類似地，y y分量、分量、z z分量的復振幅向量分別為分量的復振

5、幅向量分別為于是，上述時諧電場強度于是，上述時諧電場強度 可表示為可表示為則電場強度則電場強度 的復振幅矢量為的復振幅矢量為現在學習的是第6頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology瞬時表示式與復振幅之間的相互轉換瞬時表示式與復振幅之間的相互轉換 例：例：推廣到時諧電磁場中其他所有的場分布函數和源分布函數，得到推廣到時諧電磁場中其他所有的場分布函數和源分布函數，得到它們對應的復振幅和復矢量。它們對應的復振幅和復矢量?，F在學習的是第7頁，共75頁 Nanjing University of Information Sci

6、ence&Technology場量空間運算形式不變場量空間運算形式不變：任一個標量場或矢量場在經過梯度、散度、任一個標量場或矢量場在經過梯度、散度、旋度以及拉普拉斯算子等旋度以及拉普拉斯算子等空間微分運算空間微分運算，或者經過體積分、面積，或者經過體積分、面積 分和線積分等分和線積分等空間積分空間積分后，后，所得到的復振幅或復矢量所得到的復振幅或復矢量就相當于對就相當于對 該標量場或矢量場的復振幅或復矢量該標量場或矢量場的復振幅或復矢量進行同樣的微分和積分運算。進行同樣的微分和積分運算。5.1.2 5.1.2 電磁場基本方程的復數形式電磁場基本方程的復數形式場量時間微分乘場量時間微分乘 ：如果

7、標量場或矢量場是對時間進行微分，如果標量場或矢量場是對時間進行微分，所得所得 到的復振幅或復矢量到的復振幅或復矢量就相當于將該標量場或矢量場的復振幅或復矢就相當于將該標量場或矢量場的復振幅或復矢 量量乘上乘上 ，其中的，其中的 表示微分階的數目。表示微分階的數目?，F在學習的是第8頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology瞬時積分形式瞬時積分形式 (r,t)復數積分形式復數積分形式 (r)現在學習的是第9頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology

8、瞬時微分形式瞬時微分形式 (r,t)復數微分形式復數微分形式 (r)現在學習的是第10頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 例例 已知某真空區域中的時變電磁場的電場瞬時值為已知某真空區域中的時變電磁場的電場瞬時值為試求其磁場強度的復數形式。試求其磁場強度的復數形式?，F在學習的是第11頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology標量形式標量形式 矢量形式矢量形式 5.1.3 5.1.3 電磁場邊界條件的復數形式電磁場邊界條件的復數形式現在學習

9、的是第12頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology時諧電磁場時諧電磁場 線性各向同性的導電媒質線性各向同性的導電媒質 復介電常數復介電常數 導電媒質的介電常數導電媒質的介電常數 導電媒質的損耗導電媒質的損耗 5.1.4 5.1.4 復介電常數和復磁導率復介電常數和復磁導率其中，其中，現在學習的是第13頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology理想介質理想介質 低損耗介質低損耗介質 損耗角正切損耗角正切 良導體良導體 理想導體理想導體 同樣可引

10、入復磁導率同樣可引入復磁導率 和損耗角正切和損耗角正切 來描述磁介質的損耗來描述磁介質的損耗特性，即特性，即 現在學習的是第14頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 例：例：在空氣介質中有兩塊無限大導電平板，它們相互平行，間距為在空氣介質中有兩塊無限大導電平板，它們相互平行，間距為d d，如圖所示。，如圖所示。若兩平行板之間的電場強度復矢量分布為若兩平行板之間的電場強度復矢量分布為 而在兩平行板以外空間的電磁場為零。試求兩平板之間的磁場強度復矢量而在兩平行板以外空間的電磁場為零。試求兩平板之間的磁場強度復矢量 ，

11、體平板上的面電流密度復矢量，體平板上的面電流密度復矢量 和面電荷密度復振幅和面電荷密度復振幅 現在學習的是第15頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology由磁通連續定律由磁通連續定律 和一個矢量旋度的散度必為零知，一定存在一個矢和一個矢量旋度的散度必為零知，一定存在一個矢量量 ，使，使5.2.1 矢量磁位和標量電位的定義矢量磁位和標量電位的定義矢量矢量 就是矢量磁位。就是矢量磁位。又根據電磁感應定律，有又根據電磁感應定律，有現在學習的是第16頁，共75頁 Nanjing University of Informatio

12、n Science&Technology由于矢量場由于矢量場 是無旋場，則必為有位場，必然存在一個標量，是無旋場，則必為有位場，必然存在一個標量，使得：使得：式中標量式中標量 稱為標量電位。稱為標量電位。線性各向同性線性各向同性的媒質中的媒質中 在許多情況下，求解磁位和電位比直接求電場、磁場簡單。在許多情況下，求解磁位和電位比直接求電場、磁場簡單?，F在學習的是第17頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology洛侖茲（洛侖茲（LorentzLorentz）條件或規范條件或規范 雖然矢量雖然矢量 的旋度已知，但必須知道它的散

13、度，才可以唯一的確的旋度已知，但必須知道它的散度，才可以唯一的確定，規定定，規定當位函數均不隨時間而變化時，則當位函數均不隨時間而變化時，則 成為恒定磁場中的矢量磁位，成為恒定磁場中的矢量磁位，成為靜電場中的電位。成為靜電場中的電位?，F在學習的是第18頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.2.2 矢量磁位和標量電位的達蘭貝爾方程矢量磁位和標量電位的達蘭貝爾方程已知已知將將 和和 代入上式，有代入上式，有現在學習的是第19頁，共75頁 Nanjing University of Information Scien

14、ce&Technology均勻媒質均勻媒質 和和 都是常數，又都是常數，又 將洛侖茲條件將洛侖茲條件 代入上兩式就得到代入上兩式就得到 非齊次的達蘭貝爾方程非齊次的達蘭貝爾方程 或波動方程或波動方程 現在學習的是第20頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology無源區域無源區域 齊次的達蘭貝爾方程齊次的達蘭貝爾方程 或波動方程或波動方程 無源區域中的電場和磁場也滿足齊次的達蘭貝爾方程無源區域中的電場和磁場也滿足齊次的達蘭貝爾方程 現在學習的是第21頁，共75頁 Nanjing University of Informat

15、ion Science&Technology和恒定場的庫侖規范（和恒定場的庫侖規范（）是一致的）是一致的 若是恒定場，即若是恒定場，即 ，則有，則有 和和 正好是恒定場的庫侖規范正好是恒定場的庫侖規范 隱含（包括）了電流連續性方程，隱含（包括）了電流連續性方程，利用非齊次的達蘭貝爾方程，利用非齊次的達蘭貝爾方程，由由 可證明可證明 矢量磁位和標量電位的微分方程相互獨立矢量磁位和標量電位的微分方程相互獨立 洛侖茲條件的三點說明洛侖茲條件的三點說明現在學習的是第22頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.2.3 5.

16、2.3 矢量磁位和標量電位的積分表示式矢量磁位和標量電位的積分表示式矢量磁位的積分表示式矢量磁位的積分表示式 標量電位的積分表示式標量電位的積分表示式 用達朗貝爾方程直接求解矢量磁位和標量電位比較復雜，采用與靜電場和恒定電場用達朗貝爾方程直接求解矢量磁位和標量電位比較復雜，采用與靜電場和恒定電場類比的方法求取。從而求得矢量磁位和標量電位的積分表示式：類比的方法求取。從而求得矢量磁位和標量電位的積分表示式：現在學習的是第23頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology滯后位：滯后位：t t時刻的場與時刻的場與 時刻的源有關

17、，時刻的源有關，代表從源點向場點傳播的電磁波代表從源點向場點傳播的電磁波 超前位：超前位：t t時刻的場與時刻的場與 時刻的源有關，時刻的源有關，代表從場點向源點傳播的電磁波代表從場點向源點傳播的電磁波 電磁波傳播的速度電磁波傳播的速度 真空中真空中 滯后位與超前位滯后位與超前位現在學習的是第24頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology在無限大空間，僅有滯后位在無限大空間，僅有滯后位 現在學習的是第25頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technolog

18、y 復數形式的洛侖茲（復數形式的洛侖茲（LorentzLorentz）規范規范 而前面的達朗貝爾方式變為而前面的達朗貝爾方式變為非齊次的亥姆霍茲方程非齊次的亥姆霍茲方程 或復波動方程或復波動方程 波數 5.2.4 時諧電磁場的矢量磁位和標量電位時諧電磁場的矢量磁位和標量電位現在學習的是第26頁，共75頁無源區域無源區域 齊次的亥姆霍茲方程或復波動方程齊次的亥姆霍茲方程或復波動方程 現在學習的是第27頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology復數形式的滯后位復數形式的滯后位 標量電位積分表示式中的體電荷密度可表示為標量電

19、位積分表示式中的體電荷密度可表示為 式中，式中，表示為表示為 的復振幅，即的復振幅，即 而電荷密度而電荷密度 的復振幅為的復振幅為 現在學習的是第28頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology于是，標量電位的復數表達式于是，標量電位的復數表達式同理，可得矢量磁位的復數表達式同理，可得矢量磁位的復數表達式現在學習的是第29頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology例：已知真空中時變場的矢量磁位為例：已知真空中時變場的矢量磁位為 求求:電場強度和磁

20、場強度？電場強度和磁場強度？解：解：矢量磁位的瞬時值表示為矢量磁位的瞬時值表示為 矢量磁位的復數形式為矢量磁位的復數形式為 磁場強度復數形式磁場強度復數形式 現在學習的是第30頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology磁場強度的瞬時值為磁場強度的瞬時值為電場強度電場強度 電場強度的瞬時值為電場強度的瞬時值為現在學習的是第31頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology電場儲能電場儲能 密度密度 磁場儲能磁場儲能 焦耳損耗焦耳損耗 線性各向同性的媒

21、質中的電磁場的能量密度與損耗線性各向同性的媒質中的電磁場的能量密度與損耗密度密度電場儲能密度電場儲能密度 磁場儲能密度磁場儲能密度 焦耳損耗密度焦耳損耗密度 5.3 5.3 坡印廷定理與坡印廷矢量坡印廷定理與坡印廷矢量現在學習的是第32頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology坡印廷矢量坡印廷矢量 物理意義：穿過單位面積的功率物理意義：穿過單位面積的功率 坡印廷定理的坡印廷定理的微分形式微分形式 5.3.1 時變電磁場的坡印廷定理與坡印廷矢量時變電磁場的坡印廷定理與坡印廷矢量單位時間體積單位時間體積V V內內電磁場能量

22、的減少電磁場能量的減少 單位時間體積單位時間體積V V內內電磁能量的熱損耗電磁能量的熱損耗 單位時間流出體積單位時間流出體積V V的的表面的電磁能量表面的電磁能量 坡印廷坡印廷定理積分定理積分形式形式現在學習的是第33頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.3.2 復數坡印亭矢量復數坡印亭矢量單位時間流過單位面積的能量單位時間流過單位面積的能量 垂直于垂直于 坡印亭矢量坡印亭矢量 概述概述反映電磁波能量傳播特性的一個重要物理量反映電磁波能量傳播特性的一個重要物理量定義定義 物理意義物理意義 平均坡印亭矢量 平均坡

23、印亭矢量平均坡印亭矢量 ：一個周期內瞬時坡印亭矢量的平均值：一個周期內瞬時坡印亭矢量的平均值 現在學習的是第34頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology復數坡印亭定理的復數坡印亭定理的微分形式微分形式 復數坡印亭定理的復數坡印亭定理的積分形式積分形式 現在學習的是第35頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology注意注意:(2)復數復數形式的坡印亭定理不能直接由形式的坡印亭定理不能直接由瞬時瞬時形式坡印亭定理得到形式坡印亭定理得到(3)復數形式

24、的坡印復數形式的坡印亭亭定理只是一個定理只是一個公式公式而已，沒有明確的而已，沒有明確的 物理意義，用處不大物理意義，用處不大 平均平均坡印坡印亭亭矢量矢量等于等于復數坡印復數坡印亭亭矢量的矢量的實部實部可作如下證明：可作如下證明：(1)，而，而從而從而現在學習的是第36頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology證明證明現在學習的是第37頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 例例 已知某真空區域中的時變電磁場的電場瞬時值為已知某真空區域中

25、的時變電磁場的電場瞬時值為試求電場和磁場的復矢量和功率流密度矢量的平均值。試求電場和磁場的復矢量和功率流密度矢量的平均值。解解 根據時變電場瞬時值，求得其復數形式為根據時變電場瞬時值，求得其復數形式為由復數麥克斯韋方程由復數麥克斯韋方程 ，可得，可得即即現在學習的是第38頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology其實部就是功率流密度矢量的平均值，即其實部就是功率流密度矢量的平均值，即相應可得，相應可得，現在學習的是第39頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&T

26、echnology發射天線發射天線將已調電流的能量轉換為電磁波并向空中輻射將已調電流的能量轉換為電磁波并向空中輻射接收天線接收天線將從空中接收到的電磁波轉換成電流信號將從空中接收到的電磁波轉換成電流信號天線的作用天線的作用電磁波和電流按要求的相互轉換電磁波和電流按要求的相互轉換方向特性方向特性輻射能量的空間分布輻射能量的空間分布阻抗特性阻抗特性與發射機和接收機匹配，有效地輻射與發射機和接收機匹配，有效地輻射 用途用途通信、廣播、雷達通信、廣播、雷達波段波段長波、中波、短波、超短波、微波長波、中波、短波、超短波、微波方向特性方向特性強方向性、弱方向性、全向天線強方向性、弱方向性、全向天線工作頻帶

27、工作頻帶寬帶天線、窄帶天線寬帶天線、窄帶天線極化形式極化形式線極化、圓極化、橢圓極化線極化、圓極化、橢圓極化工作原理工作原理駐波天線、行波天線駐波天線、行波天線 發射天線的基本參數發射天線的基本參數輸入阻抗、方向性、方向性圖、方向性系數、輸入阻抗、方向性、方向性圖、方向性系數、效效 率、增益、帶寬、極化率、增益、帶寬、極化接收天線的基本參數接收天線的基本參數輸入阻抗、接收功率、有效接收面積輸入阻抗、接收功率、有效接收面積 天線的基本概念天線的基本概念能夠有效地輻射或接收電磁波的裝置能夠有效地輻射或接收電磁波的裝置現在學習的是第40頁，共75頁 Nanjing University of Inf

28、ormation Science&Technology現在學習的是第41頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 任何任何線天線線天線均可看成是由很多電流元均可看成是由很多電流元連續分布連續分布形成的，電流元是線天線的形成的，電流元是線天線的基基本單元本單元。很多。很多面天線面天線也可直接根據面上的也可直接根據面上的電流分布電流分布求解其輻射特性。求解其輻射特性。電流元具備的很多電磁輻射特性是任何其它天線所共有的。電流元具備的很多電磁輻射特性是任何其它天線所共有的。一段載有一段載有均勻同相均勻同相的時變電流的導線稱為

29、的時變電流的導線稱為電流元電流元，電流元的電流元的 d l，且且 l ,l r。Ild 均均勻勻同同相相電電流流是是指指導導線線上上各各點點電電流流的的振振幅幅相相等等，且且相位相位相同。相同?，F在學習的是第42頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology基本振子基本振子組成天線的最小單元，輻射系統中的最簡單形式組成天線的最小單元，輻射系統中的最簡單形式電基本振子電基本振子一小段載有等幅同相時諧電流的導線（電偶極子）一小段載有等幅同相時諧電流的導線（電偶極子）磁基本振子磁基本振子一個載有等幅同相時諧電流的小圓環導線（磁偶

30、極子）一個載有等幅同相時諧電流的小圓環導線（磁偶極子）惠更斯元惠更斯元組成口徑天線的具有處處等幅同相且電磁場相互垂直的組成口徑天線的具有處處等幅同相且電磁場相互垂直的 小面積元小面積元 電基本振子電基本振子 與電偶極子與電偶極子 的等效的等效5.45.4電基本振子和磁基本振子電基本振子和磁基本振子現在學習的是第43頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 由由于于 ，可可以以認認為為上上式式中中 ，又又因因電電流流僅僅具具有有z 分分量量，即即 ，因此，因此體電流密度分布所建立的矢量磁位為體電流密度分布所建立的矢量磁

31、位為 為了討論天線的電磁為了討論天線的電磁輻射輻射特性，使用特性，使用球球坐標系較為方便。球面坐標系與直角坐標坐標系較為方便。球面坐標系與直角坐標系的單位矢量之間的轉換關系式系的單位矢量之間的轉換關系式現在學習的是第44頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology電基本振子矢量磁位在球面坐標系下的表示式為電基本振子矢量磁位在球面坐標系下的表示式為 rIlzyx,AAzAr-A現在學習的是第45頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 求得電基本

32、振子的矢量磁位以后，該振子在真空中產生的磁場和電場可分別按下列公求得電基本振子的矢量磁位以后，該振子在真空中產生的磁場和電場可分別按下列公式求出：式求出：利用球面坐標系下矢量旋度表示式利用球面坐標系下矢量旋度表示式現在學習的是第46頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology磁場強度復矢量為磁場強度復矢量為 電場強度復矢量為電場強度復矢量為現在學習的是第47頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 上述結果表明，在球坐標中，上述結果表明，在球坐

33、標中，z 向電流元場強具有向電流元場強具有 ，及及 三個分量，而三個分量，而 。在電磁場中，物體的絕對幾何尺寸是無關緊要的。具有重要意義的是物體的在電磁場中，物體的絕對幾何尺寸是無關緊要的。具有重要意義的是物體的尺寸相對于波長的大小，以波長度量的幾何尺寸稱為物體的尺寸相對于波長的大小，以波長度量的幾何尺寸稱為物體的波長尺寸波長尺寸。而三個非零場分量隨距離而三個非零場分量隨距離r r的變化關系比較復雜，包含著的變化關系比較復雜，包含著r r的不同冪次變化項。但是，當的不同冪次變化項。但是，當 r r很小很小(近區近區)或很大或很大(遠區遠區)時，場量隨時，場量隨 r r的變化關系將變得較為簡單，

34、這兩種特例的變化關系將變得較為簡單，這兩種特例情況在工程應用上也有重要的實用意義。情況在工程應用上也有重要的實用意義。通常，通常，r 的區域稱為的區域稱為遠區遠區。近區中的電磁場稱為近區中的電磁場稱為近區場近區場，遠區中的電磁場稱為，遠區中的電磁場稱為遠區場遠區場?，F在學習的是第48頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology近區場的復振幅矢量近區場的復振幅矢量 類似于電偶極子的靜電場 類似于電流元的恒定磁場 電偶極矩電基本振子的近區場電基本振子的近區場(束縛場、準靜態場、似穩場束縛場、準靜態場、似穩場)現在學習的是第4

35、9頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology復數坡印廷矢量復數坡印廷矢量 平均坡印廷矢量平均坡印廷矢量 實際上實際上可見，近區場與靜態場的特性完全相同，可見，近區場與靜態場的特性完全相同，無滯后無滯后現象，所以近區場稱為現象，所以近區場稱為似穩場似穩場。電場與磁場的時間相位差為電場與磁場的時間相位差為 ，能流密度的實部為零，只存在虛部?？?，能流密度的實部為零，只存在虛部?？梢娊鼌^場中沒有能量的單向流動，近區場的能量完全被束縛在源的周圍，見近區場中沒有能量的單向流動，近區場的能量完全被束縛在源的周圍，因此近區場又稱為因此

36、近區場又稱為束縛束縛場場?，F在學習的是第50頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology復數坡印廷矢量復數坡印廷矢量 平均坡印廷矢量平均坡印廷矢量 輻射場 電基本振子的遠區場（輻射場）電基本振子的遠區場（輻射場）現在學習的是第51頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 電電場場與與磁磁場場同同相相，復復能能流流密密度度僅僅具具有有實實部部。能能流流密密度度矢矢量量的的方方向向為為傳傳播播方方向向 r。這這就就表表明明，遠遠區區中中只只有有不不

37、斷斷向向外外輻輻射射的的能能量量，所所以以遠遠區區場場又又稱稱為為輻輻射場射場。當然，嚴格說來，當然，嚴格說來，遠區場中也有電磁能量的交換部分。但是由于形成能量交換部分遠區場中也有電磁能量的交換部分。但是由于形成能量交換部分的場強振幅至少與距離的場強振幅至少與距離 r2 成反比，而構成能量輻射部分的場強振幅與距離成反比，而構成能量輻射部分的場強振幅與距離r 成反比，成反比，因此，因此，遠區遠區中能量的中能量的交換交換部分所占的比重很小。相反，部分所占的比重很小。相反，近區近區中能量的中能量的輻射輻射部分可部分可以忽略。以忽略?，F在學習的是第52頁，共75頁 Nanjing University

38、 of Information Science&Technology遠區場（輻射場）的傳播方向是沿遠區場（輻射場）的傳播方向是沿r r方向（波總是朝相位落后的方向傳播）方向（波總是朝相位落后的方向傳播）在在r r常數的球面上，電磁場的振幅不均勻，但相位處處相同。常數的球面上，電磁場的振幅不均勻，但相位處處相同。說明在遠區中傳播的電磁波的說明在遠區中傳播的電磁波的等相位面等相位面（電磁場相位相同的點構成的曲面）是球（電磁場相位相同的點構成的曲面）是球面，這種電磁波稱為面，這種電磁波稱為球面波球面波。但在這個球面上的但在這個球面上的場強振幅場強振幅不均勻，是不均勻，是非均勻球面波非均勻球面波。所有

39、的場分量都垂直于傳播方向所有的場分量都垂直于傳播方向橫電磁波（橫電磁波（TEMTEM波）波）即電磁場只有橫向分量（垂直于傳播方向分量）即電磁場只有橫向分量（垂直于傳播方向分量）波阻抗波阻抗橫向電場強度的復振幅與橫向磁場強度的復振幅之比橫向電場強度的復振幅與橫向磁場強度的復振幅之比結論結論真空中真空中 現在學習的是第53頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology 從上列兩式可見，在從上列兩式可見，在t tt t0 0時刻，球面時刻，球面r=rr=r0 0上相位處處均等于常數上相位處處均等于常數 波長波長任一時刻沿傳播方向

40、上相位相差任一時刻沿傳播方向上相位相差 的兩個點之間的距離的兩個點之間的距離相速相速等相位面傳播的速度等相位面傳播的速度 現在學習的是第54頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology由此得到等相位面的傳播速度為由此得到等相位面的傳播速度為真空中真空中 設在設在t=tt=t0 0+dt+dt時刻，具有相同相位值時刻，具有相同相位值的等相位面朝的等相位面朝r r方向方向 傳播到了傳播到了r=rr=r0 0+dr+dr的位置上，即的位置上，即 現在學習的是第55頁，共75頁 Nanjing University of Inf

41、ormation Science&Technology電基本振子的電基本振子的E E面方向圖面方向圖:E E面上任一方向的場強與同一距離的最大場強之比隨方向角面上任一方向的場強與同一距離的最大場強之比隨方向角 而變化的規律而變化的規律電基本振子的輻射在電基本振子的輻射在 E E面面(即電場矢量所在的平面即電場矢量所在的平面)是有方向性的。是有方向性的。電基本振子的電基本振子的H H面方向圖面方向圖：H H面上任一方向的場強與同一距離的最大場強之比隨方向角面上任一方向的場強與同一距離的最大場強之比隨方向角 而變化的規律而變化的規律 電基本振子的輻射在電基本振子的輻射在H H面面(即磁場矢量所在平

42、面即磁場矢量所在平面)是無方向性的。是無方向性的?，F在學習的是第56頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology輻射功率：輻射功率：電基本振子向自由空間輻射的總功率電基本振子向自由空間輻射的總功率輻射特性輻射特性 輻射電阻：輻射電阻：吸收輻射功率的等效電阻吸收輻射功率的等效電阻 效率：效率：輻射功率與輸入功率之比輻射功率與輸入功率之比 現在學習的是第57頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology方向特性方向特性 方向性系數方向性系數D D：在遠區

43、同一觀察點上產生相同電場強度的前提下，無方向性天線在遠區同一觀察點上產生相同電場強度的前提下，無方向性天線(點點源源)的輻射功率與天線輻射功率之比的輻射功率與天線輻射功率之比 對電基本振子這一天線而言，從對電基本振子這一天線而言，從(5.4.32)(5.4.32)式可見，它的電場強度振幅為式可見，它的電場強度振幅為要產生上述電場強度振幅，點源天線的輻射功率要產生上述電場強度振幅，點源天線的輻射功率 現在學習的是第58頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology將上式和將上式和(5.4.35)(5.4.35)式同時代入式同

44、時代入(5.4.37)(5.4.37)式，得到電基本振子的方向性系數為式，得到電基本振子的方向性系數為最大方向性系數：最大方向性系數：方向性系數的最大值方向性系數的最大值對電基本振子而言對電基本振子而言 半功率張角：半功率張角：方向圖主瓣中場強下降為最大值方向圖主瓣中場強下降為最大值 倍時的張角。倍時的張角。由于半功率張角反映了方向圖主瓣尖銳的程度，半功率張角又稱為主瓣寬度或波瓣寬度。由于半功率張角反映了方向圖主瓣尖銳的程度，半功率張角又稱為主瓣寬度或波瓣寬度。對于電基本振子而言，對于電基本振子而言，E面的半功率張角為面的半功率張角為 現在學習的是第59頁，共75頁 Nanjing Unive

45、rsity of Information Science&Technology5.4.2 5.4.2 磁基本振子的輻射場磁基本振子的輻射場磁基本振子：磁基本振子：指一只小的電流環，也就是指載有等幅同相時諧電流的小圓環導線。指一只小的電流環，也就是指載有等幅同相時諧電流的小圓環導線。該電流環半徑為該電流環半徑為a a，遠大于導線半徑，但卻遠小于工作波長以及該電流環至觀察，遠大于導線半徑，但卻遠小于工作波長以及該電流環至觀察點的距離。設環上電流的瞬時值為點的距離。設環上電流的瞬時值為 該電流環在空間任一觀察點上所建立的矢量磁位為該電流環在空間任一觀察點上所建立的矢量磁位為 磁偶極矩復矢量磁偶極矩復

46、矢量 現在學習的是第60頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology磁基本振子與電基本振子的對偶性磁基本振子與電基本振子的對偶性 從而得到從而得到現在學習的是第61頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.5 5.5 對稱天線對稱天線對稱天線對稱天線:最常用的線天線類型之一，由一根中心饋電的直導線構成。最常用的線天線類型之一，由一根中心饋電的直導線構成。結構結構終端開路的平行雙導線向外張開成終端開路的平行雙導線向外張開成1801800 0而成

47、（可用于短波、中而成（可用于短波、中波以及微波）波以及微波）對稱天線的長度為對稱天線的長度為L L，和工作波長處于相同的數量級。饋電口的間隙很小，和工作波長處于相同的數量級。饋電口的間隙很小，可近似認為等于零?？山普J為等于零?，F在學習的是第62頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology當在天線的饋電口輸入電磁能量時，天線上將產生感應電流。這個電流在天線的兩個開路端當在天線的饋電口輸入電磁能量時，天線上將產生感應電流。這個電流在天線的兩個開路端上應為零，其分布規律可近似表示為上應為零，其分布規律可近似表示為 對稱天線的

48、輻射場（遠區場）對稱天線的輻射場（遠區場）對稱天線可視為由無數個電基本振子的組成，其輻射對稱天線可視為由無數個電基本振子的組成，其輻射場就是所有這些電基本振子的輻射場的疊加（積分）。場就是所有這些電基本振子的輻射場的疊加（積分）。由電基本振子的輻射電場由電基本振子的輻射電場現在學習的是第63頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology可得一個位于可得一個位于 處的電基本振子處的電基本振子 在點在點 產生的輻射電場為產生的輻射電場為 其中其中現在學習的是第64頁，共75頁 Nanjing University of Inf

49、ormation Science&Technology最后可得對稱天線的遠區電場表示式為最后可得對稱天線的遠區電場表示式為方向性因子方向性因子 對上述電場積分可得對稱天線的輻射電場為對上述電場積分可得對稱天線的輻射電場為 現在學習的是第65頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology不同長度時天線不同長度時天線 E E面（垂直面）方向圖為面（垂直面）方向圖為 現在學習的是第66頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology對稱天線的輻射磁場為對稱天線

50、的輻射磁場為 復數坡印廷矢量復數坡印廷矢量 平均坡印廷矢量平均坡印廷矢量 現在學習的是第67頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology5.5.2 5.5.2 對稱半波天線對稱半波天線對稱半波天線：對稱半波天線：天線的長度等于半個波長天線的長度等于半個波長對稱半波天線的電流分布為對稱半波天線的電流分布為方向性因子方向性因子 對稱半波天線的輻射場對稱半波天線的輻射場 現在學習的是第68頁，共75頁 Nanjing University of Information Science&Technology結論：結論：沿半徑方向