電磁波的輻射與接收 (2)優秀PPT.ppt
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1、電磁波的輻射與接收現在學習的是第1頁,共72頁通信的目的通信的目的是傳遞信息是傳遞信息,根據傳遞信息的途徑不同根據傳遞信息的途徑不同,可將通信系統大致分可將通信系統大致分為為兩大類兩大類:有線通信系統:有線通信系統:在相互聯系的網絡中用各種傳輸線來傳遞信息在相互聯系的網絡中用各種傳輸線來傳遞信息,如如電話、計算機局域網電話、計算機局域網等等;無線通信系統無線通信系統:是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息,如如電視、電視、廣廣播、播、雷達、雷達、導航、衛星導航、衛星等。等。無線通信系統中無線通信系統中,需要將來自發射機的導波能量轉變為無線電波需要將來自發射機的
2、導波能量轉變為無線電波,或者或者將無線電波轉換為導波能量將無線電波轉換為導波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。為天線。無線電通信系統框圖無線電通信系統框圖現在學習的是第2頁,共72頁天線的定義天線的定義:產生或接收電磁波的裝置。產生或接收電磁波的裝置。按用途按用途:通信天線、廣播天線、雷達天線、導航天線、測向天線通信天線、廣播天線、雷達天線、導航天線、測向天線等。等。按工作波段:按工作波段:長波天線、中波天線、短波天線、和微波天線等。長波天線、中波天線、短波天線、和微波天線等。按頻帶特性:按頻帶特性:窄帶天線、寬帶天線和超寬帶天線。窄帶天線、寬帶天線和超
3、寬帶天線。按方向性:按方向性:全向天線、弱方向天線和銳方向天線等。全向天線、弱方向天線和銳方向天線等。按極化特性:按極化特性:線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線等。線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線等。按天線的性能:按天線的性能:線天線和面天線。線天線和面天線。天線的分類:天線的分類:線天線線天線是指由半徑遠小于波長的金屬導線或金屬棒所構成的天線,主要是指由半徑遠小于波長的金屬導線或金屬棒所構成的天線,主要用于長波、中波和短波波段,用于長波、中波和短波波段,面天線面天線是由物理尺寸大于波長的金屬或介質面構成的天線。主要用于微波波是由物理尺寸大于波長的金屬或介質面構成的天線。主要用于微波波段
4、段.現在學習的是第3頁,共72頁圖圖11-1 廣播電視天線發射與接收示意圖廣播電視天線發射與接收示意圖現在學習的是第4頁,共72頁圖圖11-2 衛星通信網絡結構示意圖衛星通信網絡結構示意圖現在學習的是第5頁,共72頁(a)細偶極子天線細偶極子天線 (b)圓環形天線圓環形天線 (c)拋物面反射天線拋物面反射天線 (d)喇叭天線喇叭天線 (e)微帶天線微帶天線 (f)天線陣天線陣圖圖11-3 各種類型的天線各種類型的天線現在學習的是第6頁,共72頁11.1 位函數波動方程的解位函數波動方程的解滯后位滯后位11.2 基本振子的輻射基本振子的輻射 11.3 天線的輻射特性天線的輻射特性11.4 對稱振
5、子天線與天線陣的概念對稱振子天線與天線陣的概念11.5*接收天線的有效面積接收天線的有效面積11.6*雷達的概念雷達的概念現在學習的是第7頁,共72頁10.1 位函數波動方程的解位函數波動方程的解滯后位滯后位達朗貝爾方程達朗貝爾方程 洛倫茲條件洛倫茲條件研究天線的理論基礎研究天線的理論基礎A A矢量磁位矢量磁位u u標量電位標量電位求解方法:求解方法:格林函數法格林函數法現在學習的是第8頁,共72頁球坐標系下球坐標系下除源點外的無界空間,除源點外的無界空間,設設定態情況定態情況現在學習的是第9頁,共72頁作變換作變換(僅需考慮向外發散的球面波僅需考慮向外發散的球面波)在靜場下,點電荷在靜場下,
6、點電荷(時變情況時變情況)這就是方程這就是方程 的解的解 現在學習的是第10頁,共72頁同理同理電荷電流產生的物理作用不是立即傳至觀察點,而是滯后電荷電流產生的物理作用不是立即傳至觀察點,而是滯后(推遲)(推遲)R/v 的時間,的時間,v是電磁作用在介質中的傳播速度,所是電磁作用在介質中的傳播速度,所以上述解也稱之為以上述解也稱之為滯后位滯后位或或推遲勢推遲勢。如果如果電電荷和荷和電電流隨流隨時間時間作作時諧變時諧變化化現在學習的是第11頁,共72頁11.2 基本振子的輻射基本振子的輻射11.2.1 電基本振子電基本振子 取近似取近似Rr,帶入公式,帶入公式 電基本振子也稱為電基本振子也稱為赫
7、茲偶極子赫茲偶極子或或電偶極子電偶極子,是一,是一段載有高頻電流的電流元段載有高頻電流的電流元 ,其長度,其長度遠小于工作波長,如圖所示。遠小于工作波長,如圖所示。圖圖11-5 電基本振子電基本振子zxyzO現在學習的是第12頁,共72頁在直角坐標下僅有在直角坐標下僅有z分量。分量。略去時間因子,并利用略去時間因子,并利用 ,在球坐標系下,在球坐標系下,現在學習的是第13頁,共72頁討 論1近區場近區場(場點的距離場點的距離r遠小于波長遠小于波長的區域的區域)或或而而,僅取高次冪項,有,僅取高次冪項,有令令故稱故稱近區場為感應場近區場為感應場?,F在學習的是第14頁,共72頁2遠區場遠區場(場點
8、的距離場點的距離r遠大于波長遠大于波長的區域的區域)或或取低次冪項,有取低次冪項,有令令則有則有遠區場為輻射場遠區場為輻射場現在學習的是第15頁,共72頁 補充:補充:輻射功率輻射功率球坐標系下:球坐標系下:現在學習的是第16頁,共72頁(4)場與場與 成正比,說明遠區場具有方向性,成正比,說明遠區場具有方向性,當當 和和 時,輻射場為零,也就是沿電基時,輻射場為零,也就是沿電基本振子軸向的輻射為零;本振子軸向的輻射為零;當當 時,輻射場最時,輻射場最大,即沿垂直于電基本振子軸向的方向輻射最大。大,即沿垂直于電基本振子軸向的方向輻射最大。電基本振子遠區場輻射場特性:電基本振子遠區場輻射場特性:
9、(1)成右手螺旋關系,成右手螺旋關系,與平面波的對應屬性相同與平面波的對應屬性相同。(2)電磁能量沿電磁能量沿r方向輻射。方向輻射。zxyzO(3)場隨場隨 r 增大而減小,具有球面增大而減小,具有球面波衰減特征。波衰減特征?,F在學習的是第17頁,共72頁+-現在學習的是第18頁,共72頁 補充:補充:輻射電阻輻射電阻輻射功率輻射功率 輻射電阻低(因輻射電阻低(因l 遠小于波長)遠小于波長)電基本振子幅射出去的電磁能量既然不能返回波源,電基本振子幅射出去的電磁能量既然不能返回波源,因此對波源而言也是一種損耗。利用電路理論的概念,引入因此對波源而言也是一種損耗。利用電路理論的概念,引入一個等效電
10、阻一個等效電阻輻射電阻輻射電阻。輻輻射射電電阻阻是是一一個個等等效效電電阻阻。與與天天線線的的輻輻射射功功率率相相對對應應。是是天線輻射能力的體現。天線輻射能力的體現?,F在學習的是第19頁,共72頁 補充例題補充例題 頻率為頻率為10 MHz 的功率源饋送給電偶極子的電流為的功率源饋送給電偶極子的電流為25 A,設電偶極子的長度為設電偶極子的長度為50 cm,試計算:,試計算:(1)赤道平面上離原點)赤道平面上離原點10 km 處的電場和磁場;處的電場和磁場;(2)r=10 km 處的平均功率密度處的平均功率密度;(3)輻射電阻。)輻射電阻。解解:(:(1 1)遠區場遠區場故故現在學習的是第2
11、0頁,共72頁(2 2)(3 3)現在學習的是第21頁,共72頁11.2.2 磁基本振子磁基本振子(不講不講)圖圖11-6 磁基本振子磁基本振子 磁基本振子也稱為磁偶極子,是一個通有高頻電流的小磁基本振子也稱為磁偶極子,是一個通有高頻電流的小圓環,小圓環的半徑圓環,小圓環的半徑a遠小于波長遠小于波長。設一磁基本振子如所示。設一磁基本振子如所示。省略省略時間時間因子,有因子,有 對對 取近似,有取近似,有則則 現在學習的是第22頁,共72頁式中式中S=a2r a現在學習的是第23頁,共72頁 與電基本振子的討論相同,在遠區場的情況下,與電基本振子的討論相同,在遠區場的情況下,討 論令令則有則有現
12、在學習的是第24頁,共72頁(4)場與場與 成正比,說明遠區場具有方向性,當成正比,說明遠區場具有方向性,當 和和 時,輻射場為零,也就是沿磁基本振子軸向時,輻射場為零,也就是沿磁基本振子軸向的輻射為零;的輻射為零;當當 時,輻射場最大,即沿垂時,輻射場最大,即沿垂直于磁基本振子軸向的方向輻射最大。直于磁基本振子軸向的方向輻射最大。磁基本振子遠區場輻射場特性:磁基本振子遠區場輻射場特性:(1)成右手螺旋關系,成右手螺旋關系,與平面波的對應屬性相同與平面波的對應屬性相同。(2)電磁能量沿電磁能量沿r方向輻射。方向輻射。zxyzO(3)場隨場隨 r 增大而減小,具有球面波增大而減小,具有球面波衰減
13、特征。衰減特征?,F在學習的是第25頁,共72頁11.3 天線的輻射特性天線的輻射特性 1天線的方向圖和方向系數天線的方向圖和方向系數任意方向功率密度同一距離輻射方向最強的功率密度振幅方向性因子振幅方向性因子功率方向圖因子功率方向圖因子電基本振子電基本振子 天線的的方向性是天線的重要特性之一。天線的的方向性是天線的重要特性之一?,F在學習的是第26頁,共72頁按功率方向圖因子畫出的曲線稱之為該按功率方向圖因子畫出的曲線稱之為該天線的方向圖天線的方向圖.磁基本振子的方向圖因子磁基本振子的方向圖因子與電基本振子的方向圖因子相同。但與電基本振子的方向圖因子相同。但E E面方面方向圖和向圖和H H面方向圖
14、正好相反,與磁基本振子軸相垂直的平面為面方向圖正好相反,與磁基本振子軸相垂直的平面為E E面面(=/2/2),而包含磁基本振子軸的平面為),而包含磁基本振子軸的平面為H H面。面。(a)平面方向圖平面方向圖 (b)平面方向圖平面方向圖圖圖11-7 電基本振子的輻射波瓣圖電基本振子的輻射波瓣圖現在學習的是第27頁,共72頁28 電基本振子振幅方向性因子電基本振子振幅方向性因子 圖圖a 是是 E 面(電場矢量所在的,并包含最大輻射方面(電場矢量所在的,并包含最大輻射方向在內的平面)方向圖;圖向在內的平面)方向圖;圖b 是是 H 面(磁電場矢量所在的,面(磁電場矢量所在的,并包含最大輻射方向在內的平
15、面)方向圖;圖并包含最大輻射方向在內的平面)方向圖;圖 c 是立體方向是立體方向圖。圖。a az zyyx(a)(b)(c)現在學習的是第28頁,共72頁29實際天線的方向圖要復雜得多,可能含多個波瓣,實際天線的方向圖要復雜得多,可能含多個波瓣,如下圖所示。如下圖所示。主射方向主射方向主瓣主瓣后瓣后瓣副瓣副瓣零射方向零射方向零射方向零射方向1半功率點半功率點現在學習的是第29頁,共72頁表明表明電磁場在空間分布具有方向性電磁場在空間分布具有方向性。有方向性天線在最大輻射方向上某點的輻射功率有方向性天線在最大輻射方向上某點的輻射功率無方向性天線在同一點的輻射功率無方向性天線在同一點的輻射功率定義
16、定義 實際上,無方向性天線是不存在的,它不僅僅是為了便于比較而采用實際上,無方向性天線是不存在的,它不僅僅是為了便于比較而采用的理想模型,無方向性天線也稱為的理想模型,無方向性天線也稱為“點源點源”天線天線 。方向性系數方向性系數D定量描述定量描述輻射場能量在空間分布的集束程度輻射場能量在空間分布的集束程度。有方向性天線通過球面的總輻射功率為有方向性天線通過球面的總輻射功率為所以,理想的無方向性天線通過球面的輻射功率為所以,理想的無方向性天線通過球面的輻射功率為現在學習的是第30頁,共72頁又因為:又因為:所以,所以,可用分貝來表示方向性系數,可用分貝來表示方向性系數,某某天天線線的的方方向向
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