电磁辐射的基本理论

基本概念与区别





静电场：由静止电荷产生的电场； 恒定电场：由恒定电流产生的电场。与静电场性 质相似； 恒定磁场（静磁场，常常不加区分）：由恒定电 流产生的磁场； 交变电场：电场强度的大小和方向随时间作周期 性变化的电场； 交变磁场：交变电场产生的磁场，即磁场的大小 和方向也作周期性变化。 静态场：静电场或静磁场（恒定磁场）； 稳态场：在电系统中，指电参量变化很小的场。
特点: ② ① TEM非均匀球面波；
E (H ) 是一常数，为媒质的波阻抗；
③ 电磁场与r成反比，与I、S/λ2成正比；
④与电基本振子的远区场性质相同，只是E、H的取向互换。
2. 近区场与远区场
a. 远区场--辐射场
远区：Kr>>1，场点P与源点的距离r远大于波长。
1 1 1 2 kr (kr) (kr) 3
磁基本振子近区场的特点：
kIS E j sin 2 4 r IS Hr cos 3 2 r IS H sin 3 4 r
也是感应场、似稳场、束缚场。
3. 近区和远区的工程划分
当kr=1，即r=λ/2π时，1/kr、1/(kr)2和1/(kr)3对场的贡献相当 该处附近通常被看成是近场和远场的转换区域。
b. 磁基本阵子的电磁场 磁基本阵子（磁偶极子）：半径为a (a<<λ)的细导线小圆环。 小：圆环周长远小于波长，圆环时谐电流振幅和相位处处相同。
Hr IS jk 1 cos 3 2 e jkr 2 r r
1 IS jk k 2 jkr H sin 2 e 3 4 r r r H 0
a. 电基本振子的波阻抗
在远区，ZEw=Zw 在近区，
Z EW
E 1 k 1 j j jZW H r kr 2 r
电基本振子的近场波阻抗在数值上大于远区场波阻抗，根 据波阻抗的定义，可以看出电偶极子在近场中电场比磁场 强，电场是主要骚扰源。
b. 磁基本振子近场的波阻抗
由
j 1 jkr e 2 kr (kr )
1 j jkr e 2 3 (kr) (kr)
H jE 解得电场强度E各分量
2 Ilk 3 cos Er 4 Ilk 3 sin E 4 E 0
远区：ZHW=ZW 近区： ；
Z HW
E H
jZW kr jZW
2 r

磁基本阵子在近区场波阻抗在数值上小于远区场波阻抗， 根据波阻抗的定义，说明分母较大，即磁场占优势。 所以，在近场区： 电基本振子电场占优势，认为是电场骚扰源； 磁基本振子磁场占优势，认为是磁场骚扰源。 在分析电磁兼容问题时，根据场距离不同，考虑侧重点不 同： 在近场：分别考虑电场或磁场的骚扰； 在远场：根据远场的性质，电、磁场结合形成平面电磁波， 所以电场和磁场骚扰都要考虑。
Ilk 2 sin jkr Il E j e j sin e jkr 4r 2r kIl sin jkr Il H j e j sin e jkr 4r 2r
电基本振子的远区场特点
④ 场的方向性 远区场的振幅还正比于sinθ。 垂直天线轴方向(θ=900)，辐射场的振幅最大； 沿着天线轴方向(θ=00)，辐射场的振幅为零。 电基本振子的辐射具有方向性----天线的一个主要特性。
4
r r
r r R
4
Idlez jkR e R l
Idl jkr R r ez e 4 r
转换坐标系：直角坐标——球坐标
A(r) er Ar e A eΒιβλιοθήκη BaiduA er Az cos e Az sin
磁感应强度B(r)
B(r ) A(r )
er r Az cos
re rAz sin
r sin e 0
1 H (r ) A 2 r sin
1
解得磁场强度H各分量
Hr 0 H 0 k 2 Il sin H 4
Er 0 E 0 kIS jk jkr 1 E j sin 2 e 4 r r
磁基本振子的远区辐射场
k 2 IS IS jkr jkr E sin e 2 sin e 4r r 2 k IS IS jkr jkr H sin e 2 sin e 4r r
j 1 j jkr e 2 3 (kr) kr (kr)
电基本振子的 远区场特点 ：
Ilk 2 sin jkr Il E j e j sin e jkr 4r 2r kIl sin jkr Il H j e j sin e jkr 4r 2r
线极化 垂直极化 左旋圆极化 天线的极化 圆极化 右旋圆极化 椭圆极化
预备知识
天线的方向图：描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分 布情况的数学表示式就是天线的方向性函数，把方向性函数 用图形表示出来就是方向图。 天线的辐射效率：表征天线能否有效地转换能量，定义为天 线的辐射功率与输入到天线上的功率（输入功率）之比。要 提高天线功率，应尽可能地提高辐射电阻和降低损耗电阻。 频率较低，辐射功率较低，效率也较低。 天线的输入阻抗：天线输入端高频电压与高频电流之比。 线天线：辐射体由横截面半径远小于波长的金属导线构成 对称阵子天线：最基本的线天线形式，可以看成是一段终端 开路的双传输线张开180度的张角所形成。 天线阵（阵列天线）：以一定规律排列的相同天线的组合
１、电基本振子(时变电偶极子) 的电场与 “静”电偶极子电场表达 式相同；电基本振子的磁场与线电流的静磁场相同； 所以，电基本振子的近区场与静态场（即静电场或静磁场） 性质相同，也叫似稳场(准静态场)。 2、电场与磁场不是π/2相位差（E在两个方向都有分量，和H不是 完全垂直，叉乘的结果不会沿r方向），平均坡印廷矢量为零；没 有电磁能量向外辐射，束缚场或感应场。 3、是一个近似的结果 实际上，被忽略了的低次幂项形成了远区场中的电磁波。
实际线天线电流可以看成许多首尾相连的电基本振子 电流组成，各电基本振子上的电流可分别看作常数。
在球坐标系下，设电流元I， 电偶极子的矢量磁位A(r) 长度l，解电偶极子的磁场和 J ( r ) jk r r A(r ) dV 电场强度。 V e
电基本振子远区的电磁场
Ilk 2 sin jkr Il E j e j sin e jkr 4r 2r kIl sin jkr Il H j e j sin e jkr 4r 2r
b. 近区场--感应场
近区：kr<<1，场点P与源点的距离r远小于波长
天线的有关概念
天线：辐射或接收电磁波的装置，功能是把发射机电路产生的电流 和电压转换成在空中传播的电磁场，空间电磁波的场源是天线上 的时变电流和电荷。天线的形式大致可分为线天线和面天线。 天线的电参数：天线极化特性、方向性、辐射效率、输入阻抗、终 端阻抗等。 天线的极化特性：以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电场强度 矢量的空间取向来定义。线极化波可以分解为一对左、右旋的圆 极化波；圆极化波可以分解为一对正交的线极化波。在电子设备 防干扰的试验中，线极化天线和圆极化天线可以在一定条件下兼 容的原因就在于此。 水平极化
2
① 场的方向：是横电磁波： 1 * 1 1 E * 复坡印廷矢量 ˆ E H r ˆ S EH r
2
2
2
复坡印廷矢量代表了能量传播的方向，是r方向，与E、H三者相互 垂直，所以是横电磁波(TEM波)。 ② 场的振幅和相位特点： a. 远区场的振幅与r成反比，与I、电长度L/λ成正比。 b.波阵面（等相位面）是球面，所以是球面波（即同一r的E（H） 相位相同。因为相位因子e-jkr相同）。 c.是非均匀球面波【等相位面（r为常数的球面）上不同点的E（H） 的振幅不一定相同，还与θ 有关】。 ③波阻抗：Ｅθ /Ｈφ＝η 是一常数，等于媒质的波阻抗（这个公式 是媒质波阻抗的定义式）。
1.（天线）工程中的精确定义：
近场区： r 0.1
2
远场区：
r 10 2
中间区：近场区和远场区之间的区域 感应场和辐射场均不占绝对优势，场结构复杂。
2.电磁兼容的定义：
近场区：
r 2
远场区：
r 2
4. 波阻抗
波阻抗Zw：空间某处电场与磁场的横向分量的比值。
自由空间，基本振子的波阻抗：Zw=(μ0/ε0)(1/2)=η0=377Ω
感应电场和静电场




1.定义： （1）感应电场：变化磁场激发的电场叫感应电场或涡旋电 场。感应电场的电场线是闭合的，没有起点、终点．闭合 的电场线包围变化的磁场。 （2）静电场:由静止电荷所激发的电场称为静电场，因此 静电场是有源场。是能量束缚在场源周围、E的大小和方向 不随时间变化、但随位置变化的场。 2.区别： （1）静电场是保守场，即做功与路径无关，仅与位置有关 。我们可以在静电场中引入电势差来描述在将单位正电荷 从一点移到另一点时电场力对它所做的功。在带电体系的 电荷分布在有限空间的情况下，我们可以取无限远处的电 势为零，这样，静电场中各处的电势就有了确定的值。 （2）感应电场是变化磁场激发的电场，是变化的。
3.3、电磁辐射的基本理论
预备知识
电磁辐射：电磁能量向远处传播而不再返回场源的现象。 理论和实践都已经证明，电磁场的电场能量和磁场能量能够脱离场 源在空间传播。当波源频率很高时，电场的高速变化在空间形成 强大的位移电流。位移电流接着在其邻近空间产生强的磁场，而 该磁场随时间的变化又在附近产生变化的电场即位移电流，如此 循环往复。变化的电磁场不但相互转化而且在空间向前推进，这 种推进的过程即为电磁波的辐射过程。波源频率越高，位移电流 就越强，辐射的电磁能量就越多。 就电磁波与其波源的关系，电磁波分为两类. 1. 束缚电磁波： 波源附近，其电磁能量不仅在电场与磁场间来回转换，而且在 波源与其周围空间间来回转换。能量不能向远方传播。 2. 自由电磁波： 远离波源，电磁能量完全辐射，电磁波能量基本上完全是自由 电磁波能量。 3. 感应场：束缚电磁波的电磁场 4. 辐射场：自由电磁波的电磁场
1 1 1 jkr 2 3 kr (kr) (kr) Il cos p Er j cos 3 3 2r 2 r Il sin p E j sin 3 3 P是电偶极矩，用电偶极矩表 4r 4 r 示电偶极子的大小和空间取向， Il sin p H j sin 定义为电荷乘以有向距离。 2 2 4r 4 r

1. 基本振子的电磁场
a. 电基本振子（电偶极子）的电磁场 电基本振子（electric dipole，电偶极子）：是两个 相距很近的等量异号点电荷组成的系统。可认为是 一段载有高频电流的短导线（电流元）。
其长度远小于所辐射的电磁波的工作波长，即是“短 线”，导线上各点电流的振幅和相位可视为相同。 电流元辐射场的分析计算是线天线工程计算的基础。
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1
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载流短导线看成振荡电偶极子，其上下两端的电荷与电流的关系是
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电基本振子近区的特点
Il cos p Er j cos Il sin p 3 3 2r 2 r H j sin 2 2 4r 4 r Il sin p E j sin 3 3 4r 4 r