第五章动态电磁场：电磁辐射与电磁波.ppt

第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波当动态电磁场以电磁波动的形式在空间传播时,即被称为电磁波。 电磁辐射随时间变化的场源?或J产生的电磁场以波的形式在空间传播,这种现象被称为场源的电磁辐射。今后主要讨论时谐电磁场。这主要基于两方面的考虑:一是在实际工程中,电磁发射往往是以某一频率的正弦波为载频;二是时谐电磁场分析相对比较简单,其结果易于延拓到整个频域,并可借助傅里叶分析计算其它类型的动态电磁场。第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波图示电偶极子 I?l是最简单的电磁辐射元件,通常称产生电磁辐射的元件为天线。设电偶极子长度?l远小于其上电流频率对应的电磁波波长,其横截面忽略不计。 ?I rl ??? z kr 0er4 lIeA j???????图电偶极子(元天线) 为电流有效值相量。,得第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波) sin (cos ????eeA j???????r kr 0er4 lI将上式在球坐标系下展开,可写成 0?/AH ???????e H j sin )( jkr 1er4 lI kr2???????根据,可得????????? e e H E j j sin )( cos )( 223 kr 0 r3 kr 0rk jkr 1r e4 lIj jkr 1r e2 lIjj 1?????????????????????第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波 1 ?? kr ??? r近场:首先,定义靠近电偶极子的区域即(相当于)为近区。此时???????eeE 30 r30r4 lIjr2 lIj?????????? sin cos ??eH 2r4 lI????? sin ???qjI??????eeE 30 r30r4 lqr2 lq????????? sin cos 利用电流与电荷的关系即,电场强度又可写为第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波将上述电场强度和磁场强度分别与电偶极子产生的静电场的电场强度和电流元产生的恒定磁场的磁场强度相对比,可以看出, 其场分布是相同的。此外,场与源的相位完全相同,两者之间没有时差。因此,虽然源随时间变化,但它产生的近场与静态电磁场的特性完全相同,无滞后效应,所以近场也称为似稳场。同时, 从上式还可看出,电场强度和磁场强度的相位差为 90?,故坡印廷矢量的平均值 S av为零。这说明存储在电偶极子附近空间的能量表现为电场与磁场之间相互交换的方式,而并不产生向无限远空间传送的电磁辐射。应指出,事实上近场也有平均功率在传输,而且正是这部分功率提供了向外空间传送的辐射功率,只是相对于存储在近场的功率而言,其值可以忽略不计。第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波1 ?? kr ??? r(相当于)为远区。此时远场:其次,定义远离电偶极子的区域即???? e E j kr 0 2er4 lkIj ?????? sin ??eH j krer4 lkIj ?????? sin?????????? kH E 可以看出,远场中电场强度和磁场强度在空间上相互垂直并与半径为 r的球面相切,且同相位。它们的振幅均反比于 r,其振幅之比定义为介质的特性阻抗,即??? 377 0 00???在自由空间中由于特性阻抗反映了电磁波的电场强度和磁场强度之比,它又被称为介质的波阻抗。第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波和确定,当 jkr 前取“-”时,沿 e r方向传播;反之, 沿-e r方向传播。可见,在无限大空间中,只需知道同相位且它们的振幅之比为介质的特性阻抗; (3) 传播方向由相位因子可以看出,对于远场中的电磁波,无论是电场强度还是磁场强度, 它们的相位在以电偶极子为中心形成的球面上是等相位的,称等相位面为球面的电磁波为球面波。它具有如下特点: (1) r 2 2r2 lIeS av??? sin ????????求空间任意一点复坡印廷矢量的平均值这表明电磁能量向无限远辐射。由此可见,时谐振荡的电流以波的形式向空间辐射电磁能量。此种辐射电磁能量的电磁场称之为辐射场,亦即电磁波。?E ?H ?E ?H krje ??E ?H 、和S av相互垂直,且满足右手螺旋关系; (2) 和中的一个,另一个就可以利用上述的特点求出。所以今后将只分析电磁波的电场强度。第五章动态电磁场Ⅱ: 电磁辐射与电磁波 ,它产生的辐射场不仅与场点到源点的距离有关,还与同一球面上的?和?角度有关。当?=0 ,即在 z轴方向上辐射为零;当?=90?,也就是在垂直 z轴的方向上辐射最强。??? sin ),(?f 图电偶极子天线的方向图辐射场的电场强度随?和?角度变化的函数 f(?,?)被称为天线的