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第8章tianxian
8.1 引言8.2 基本振子(Short Dipole)的辐射8.3 发射天线的电参数(Basic Antenna Parameters)8.4 互易定理与接收天线的电参数8.5 对称振子(Symmetrical Center-Fed Dipole)8.6 天线阵(Arrays)的方向性8.7 对称振子阵的阻抗特性8.8 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响 尽管天线问题就是具有复杂边界条件的电磁场边值问题,但是在天线领域里,有着自己独特的语言和文化。本章是天线理论的入门,在这一章中,读者将从最小的微元——基本振子的辐射开始,熟悉天线的描述语言,理解最简单的空间功率合成概念,为步入奇妙的天线世界打下基础。 8.2.1 电基本振子的辐射 电基本振子(Electric Short Dipole)又称电流元,它是指一段理想的高频电流直导线。 其长度l远小于波长λ,其半径a远小于l,沿l上的电流振幅相等,相位相同,因此其上的电流瞬时值可表示为i(t)=I cosωt。 如图8-2-1所示,电基本振子位于坐标原点,沿z轴放置,空间的媒质为线性均匀各向同性的理想介质(ε0,μ0),此电流元Il产生的矢量位的复矢量振幅为 (8-2-1)上式在球坐标系中可表示为 (8-2-2) 则电流元产生的磁场强度为 (8-2-3a) 其中 (8-2-3b)再由麦克斯韦方程 , 可得电场强度如下所示 (8-2-4) 1) 近区场 kr1,即 的区域称为近区,在此区域内 ,因此忽略式(8-2-3)与式(8-2-4)中的 项,并且认为e-jkr≈1,电基本振子的近区场表达式为 (8-2-5) 2) 远区场 kr1,即 的区域称为远区,在此区域内 ,因此保留式(8-2-3)与式(8-2-4)中的最大项后,电基本振子的远区场表达式为 (8-2-6) 由上式可见,远区场的性质与近区场的性质完全不同,场强只有两个相位相同的分量(Eθ、Hφ),其电力线分布如图8-2-2所示,场矢量如图8-2-3所示。 远区场的坡印廷矢量平均值为 (8-2-7)有能量沿r方向向外辐射,故远区场又称为辐射场。该辐射场的性质有以下四条: (1) Eθ、Hφ均与距离r成反比,波的传播速度为 和Hφ中都含有相位因子e-jkr,说明辐射场的等相位面为r等于常数的球面,所以称其为球面波。 E、H和Sav相互垂直,且符合右手螺旋定则。 (2) 传播方向上电磁场的分量为零,故称其为横电磁波,记为TEM波。 (3) Eθ和Hφ的比值为常数,称为媒质的波阻抗,记为η。对于自由空间有 (8-2-8) 这一关系说明在讨论天线辐射场时,只要掌握其中一个场量,另一个即可用上式求出,通常总是采用电场强度作为分析的主体。 (4) Eθ和Hφ与sinθ成正比,说明电基本振子的辐射具有方向性,辐射场不是均匀球面波。由此,任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全的球对称性,这也是所有辐射场的普遍特性。 电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr,它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分,即 (8-2-9) 既然辐射出去的能量不再返回波源,为方便起见,将天线辐射的功率等效成被一个等效电阻所完全吸收,这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。仿照电路理论的相应关系式,可以得出: 其中,Rr称为该天线归算于(也叫归于)电流I的辐射电阻,这里I是电流的振幅值。将上式代入式(8-2-9),可得电基本振子的辐射电阻为 (8-2-11) 8.2.2 磁基本振子的辐射 磁基本振子(Magnetic Short Dipole)又称磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的,迄今为止还未发现有孤立的磁荷和磁流存在,但是它可以与一些实际波源相对应。例如下面要介绍的小环天线就可以等效为磁偶极子,用此概念可以简化计算,因此
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