电磁波的辐射与散射

电流元的电磁辐射很富有代表性，它具备的很多特性是任何 其它天线所共有的。
电流元
Il
d
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。
电流元产生的位函数
A(r)
e jkR J (r ') dv
4
天线方向性GD与天线增益但与天线增益定义略有不同
单位立体角最大辐射功率
GD
总的辐射功率
4
❖波束宽度与旁瓣电平 Beamwidth and sidelobe level
波束宽度：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
R | r r ' |
4 V
R
J dv Jdsdl zˆIdz
A
4
l
zˆI
e jkr r
dz
zˆ
Il 4r
e
jkr
zˆAz
在球坐标中
A rˆAr ˆA ˆ A rˆAz cos ˆAz sin
电流元产生的电磁场
磁场
B A
H
1
A
ˆ
1
r
r
rAz
Fra Baidu biblioteksin
( Az
cos )
ˆH
图8-3
方向图
radiated pattern
•方向性函数或方向图：描述天线方向性的参数。
❖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，称为天线的方向性函数；
把方向性函数用图形表示出来，就是方向图
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。
H
j
kIl
4r
sin
1
1 jk
r
e
jkr
电场
E 1 H
j
1
j
rˆ
r
sin
(H
sin
)
ˆ
r
r
(rH
)
rˆEr ˆE
Er
Il 2 r 2
cos
1
1 jkr
e
jkr
E
j
kIl
2 r
sin
1
1 jkr
1
k2r2
e
jkr
图 8-5 场分量各成分随r/λ的变化曲线
立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为
B
4
2 B
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。
天线效率与辐射电阻
Radiation efficiency and Radiation resistance
❖天线效率A：辐射功率P与总功率Pi的比
A
P Pi
P P P1
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。
❖天线效率与辐射电阻的关系
P
1 2
I
2 m
R
R
2P I2
m
辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。
❖天线的损耗电阻R1
R1
2P1 I2
8.2.3 远区电磁场 far-zone field
远区：kr>>1, 即r>>λ/2π的区域。
kr>>1
1
1 kr
k
1 2r2
远区场
E
j
kIl sine jkr 4r
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。
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π为 ，能流密度的实部为零，只 存在虚部。可见近区场中没2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。
m
❖用电阻表示的天线的效率
A
R R R1
1
1 R1
R
要提高天线效率，应尽可能提高R ，降低R1
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。
b
❖方向图特性参数
•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
单位立体角最大辐射功率 G 馈入天线总功率
8.2.2 近区电磁场 near-zone field
近区
kr<<1即r<<λ/2π(但r＞l)的区域。
1 1 1 e jkr 1 kr k 2r2
Er
j
Il
2k r3
c os
E
j
Il
4k r3
sin
H
Il
4r 2
sin
近区场的特点
❖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
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
描述天线特性的主要参数
1. 方向性函数或方向图 radiated pattern b 2. 天线效率 Efficiency of an antenna 3. 极化特性 polarization 4. 频带宽度 band width 5. 输入阻抗 input resistance
§8.2电流元的辐射 radiation
一、 定义及其电磁场
图 8-3 电流元及短振子; (a) 电流元; (b) 电偶极子; (c) 短对称振子 Current element Electric dipole short dipole antenna
研究意义 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。