电磁波辐射

根据麦克斯韦方程,电磁场是由电流和电荷等随时间变化的源产生或创造的。如果这些场是由时变源产生的,并且被限制在波导内或沿传输线作为波传播,那么这种波通常被称为导波。

当这些大小有限的源产生一个波,然后在无界介质中远离它们(与源没有连接)时,就形成了辐射系统。这种集体形成辐射的过程被称为电磁波的辐射。

如下图所示,电磁波谱在10m到0.1µm的波长范围内变化,并给出了相应的频率范围。

电磁波谱

根据操作频率和波长的不同,这些电磁波通过不同的介质传播,如同轴电缆、波导、光纤等。在更大的带宽下,我们可以传输更多的信息,因此波的频率通常会提高到更高的水平。

对于低频应用(如传输和电话线),电磁波通过同轴电缆传输,损耗适中,电磁干扰小。

但对于非常高的应用,同轴电缆的中心导体有足够的损耗,因此导电表面积减小。为了减少这种影响,使用了波导,这基本上是一种空心管道,电磁波在其中传播。

例如空心金属管、同轴电缆和光纤电缆。为了以辐射的形式发射或接收电磁能量,我们通常使用天线。

波导简介

任何用来传输电磁波的导体和绝缘体组成的系统都被称为波导。它是一种中空的导电介质或管,可以将高频电磁波从源头传输到目的地。

采用一种特殊设计的空心金属管作为波导。这种构造的波导提供了传输线的衰减以传输微波频率的电能。在波导内部,任何电场和机械场的构型都必须有麦克斯韦场方程的解。

此外,由导向器壁施加的边界条件必须由这些场来满足。
现场配置满足要求的方式有多种。这些模式包括横向电模式或TE模式或H模式。

在这种模式下,电场横向于导轨的轴,除了在相关磁场的位置外,在导轨的方向上没有分量。

在另一种特殊情况下,磁场处处横向于导轴,有些地方电场在传播方向上有分量。这种模式被称为TM或横磁模式或E模式。

波导的分类

通常波导分为两大类,即金属波导和介质波导。

金属波导

这些波导是一个封闭的金属管的形式。通过导电壁的反射,表征了金属波导内部的波传播特性。

它们用于微波炉、微波无线电链路、卫星通信、雷达设备等,作为微波频率的传输线,将微波接收器和发射机连接到天线上。

介质波导

这些波导仅由介质组成。为了沿波导传播电磁波,它利用介电界面的反射。

介质波导采用固体介质棒,而不是空心管。在实际应用中,光纤是设计在光频率下工作的介质波导。

同样,这些波导分为两种类型,即矩形波导和圆形波导。

矩形waveguidE,电场随时间变化,在中心最大,而磁力线与壁面切向。

这两个都是弯曲的圆形,并通过导向器。这个波导的面积是矩形的。这些是在超高频作为输电线路的交替传输电能。

圆波导沿其长度具有均匀的圆形截面。它们被用作矩形波导的替代品。这些通常用于喂圆锥形角和圆形截面使其易于加工。这些波导支持横向磁(TM)和横向电(TE)模式。

波导的分类

波导传播方式

考虑一个时变的电磁辐射源,与电场和磁场相关的电磁波通过渗透率μ和介电常数є为特征的介质传播必须满足无源麦克斯韦方程。给出的形式是

∇× E̅=−jwµH̅

∇× H̅= jw є E̅

为了得到电场和磁场,这些麦克斯韦方程可以转化为波动方程

∇2 e̅+ k2 e̅= 0

∇2 h̅+ k2 h̅= 0

其中K = w√µє是无损介质的实值,是有损耗介质的复值。

在传播常数为ɣ的任意介质中,无导波(平面波)和有导波(透射波或波导波)沿z面方向传播的波(电的和磁的)场具有e-ɣz的特征。

矩形坐标下的波场可以写成

E̅(x, y, z) = E̅(x, y) E -ɣz

H̅(x, y, z) = H̅(x, y) e-ɣz

式中ɣ= α + j β, α为波衰减常数,β为波相位常数。当波在纯或无损耗介质中传播时,传播常数是纯虚数,而在有损耗介质中,传播常数是复值。

横向场对z的导数是

E̅∂x /∂x和∂z = -ɣE̅̅y /∂z = E -ɣE̅y

类似地,∂H̅x /∂z = -ɣH̅x和∂H̅y /∂z = -ɣH̅y

如果我们把两个麦克斯韦旋度方程两边的向量分量相等,就得到

x = (jwєE̅̅∂H z /∂y) +ɣH̅y .....................( 1)

jwєE H̅̅y = -ɣx -(∂H̅z /∂x ) .....................( 1 b)

jwєE̅̅z =∂H y /∂x - (H̅∂x /∂y ) .....................( 1 c)

jw H̅µx =(∂E̅z /∂y) +ɣE̅y ..................... ( 2)

jwµH̅̅x - y = -ɣE(∂E̅z /∂x ) ..................... ( 2 b)

jwµH̅̅y /∂z =∂E x - (E̅∂x /∂y ) ..................... ( 2 c)

为了得到纵向磁场分量,我们可以用横向磁场分量来求解1和2个方程。

通过求解

E̅x = (1 / h2)((-ɣ∂E̅z /∂x)——(jwµ∂H̅z /∂y))

E̅y = (1 / h2)((-ɣ∂E̅z /∂y) + (jwµ∂H̅z /∂x))

H̅x = (1 / h2) [(jwє∂E̅z /∂y)——(ɣ∂H̅z /∂x))

H̅y = (1 / h2) ((- jwє∂E̅z /∂x)——(ɣ∂H̅z /∂y))

h是常数,定义为

h2 =ɣ2 + w2µє =ɣ2 + K2

ɣ=√(h2 - K2)

值得注意的是,在上述方程中,E̅和H̅的所有横向分量都可以由E̅z和H̅z的唯一轴向分量确定。

因此,用纵向场表示横向场的方程描述了有导波和无导波可能的不同模态。有几种现场配置或现场模式或模式,包括TEM, TE, TM和混合(EH或HE模式)。

TEM模式

横向电磁(TEM)模式E̅z = 0和H̅z = 0。因此,E̅和H̅场都是横向于波传播方向的。对于E̅z = 0和H̅z = 0,横向场非零的唯一方法是H = 0,这就给出了

ɣ=√(0 - k2)

= jK = α + j β

β = k

这意味着瞬变电磁波的衰减常数为零(α = 0)。这意味着TEM波在零以上的所有频率下,在两个完美导电平面之间传播时没有任何衰减。

因此,对于无导TEM波通过无损介质传播或导TEM波通过传输线传播,有传播常数ɣ= j β。矩形波导不支持TEM模式,因为方程中的所有场均为零,如E̅z和H̅z = 0。

TE和TM模式

横向电(TE)模式下E̅z = 0, H̅z≠0;横向磁(TM)模式下E̅z≠0,H̅z = 0。TE模式下,电场的E̅x和E̅y横于波的传播方向。
TE模式字段说明

在横向磁(TM)模式下,H̅场横向(或法向)于波的传播方向。

TM模式字段说明

这两种模式称为波导模式。对于这些模态,h不可能为零,因为横向场的结果是无界的。因此,对于波导ɣ≠j β。波导传播常数可得为

ɣ=√(h2 - K2)

=√(- K2 (1 - h2 / K2))

= jK√(1 - (h / K) 2)

因此,在TE或TM模式或波导模式下,波的传播常数与TEM模式下的传播常数具有不同的特征。上述波导模式传播常数方程中h / K的比值可以用截止频率fc表示,即

h / K = h / (w√µє) = h / (2πf√µє)

h / K = fc / f

式中fc为波导截止频率,等于h / (2π√µє)

因此,根据截止频率,波导的传播常数为

ɣ= jK√(1 - (fc / f) 2)

从上面的传播常数方程,我们可以说,如果频率小于截止频率,那么传播常数完全是一个实值,即ɣ= α,因此,e-ɣz = e- α z。这意味着,在波导模式中,当频率小于截止频率时,波会衰减。

即使相位角将保持恒定,场幅值将根据e-ɣz的指数衰减而随着距离z迅速减小。

此外,如果频率大于截止频率,则传播常数值为纯虚值,即ɣ= j β,因此e-ɣz = e- j β z。因此,波的传播没有任何衰减,因此这些模态称为该频率的传播模态。然而,在实际应用中,由于平面的导电性,电磁波会有一定的衰减。

最后,我们可以得出这样的结论:源的工作频率必须高于截止频率,以使波在特定模式下通过波导传播。

如果波导源的频率小于截止频率,那么对于特定的模式,波在源附近会迅速衰减。这些模式也可以推导为矩形和圆形类型的波导。

天线理论

正如我们在介绍中所讨论的,当时变源在无界介质中产生远离它们的波时,电磁感应辐射就形成了。因此,天线以电磁波的形式发射或接收信号。

这些天线由传输线馈电。以50或60Hz频率工作的传输线所辐射的功率很小,因此它不被认为是一个辐射系统。但是传输线的作用是沿着线的长度引导波场,而不是被设计成天线。

这就是在高频传输线中使用同轴电缆的原因,因为它们不辐射任何频率。

电磁波由于电荷的作用在传输线内通过天线保持,但一进入自由空间就形成闭环并被辐射,如图所示。

天线辐射

传输天线

放置在辐射系统末端的装置称为发射天线。它以自由电磁波的形式将从源(主要是振荡器)接收到的能量部分辐射出去。实际上,天线是由发射源的传输线提供的。

源向天线馈电电压随时间变化,使源将发射天线视为复域内的复阻抗Z,如图所示。这个阻抗被称为发射天线阻抗,它是工作频率的函数。

在忽略天线损耗条件下,传递给天线的平均功率等于辐射功率Io2 RRad,其中Io为通过天线电流的RMS值,RRad为天线阻抗的实部。

传输天线

通常,发射天线具有特定的辐射特性,因此它们不会在所有方向上均匀地辐射。所以根据应用的不同,它们会向特定的方向辐射电磁波。

天线的辐射方向图及其方向性是决定天线方向特性的两个基本量。天线辐射出的电磁波或能量携带一个特定的信号,该信号由要发送给一个或多个接收器的信息组成。

接收天线

在接收端,从电磁波中提取能量和信号。用来捕捉辐射能量的天线称为接收天线。

因此,接收天线将入射电磁波的一部分能量以电压的形式(在天线终端之间)传递给负载。在复杂符号和频域中,接收天线作为具有内部阻抗的电压发生器。

接收天线的符号表示可以用图中的Thevenin等效来描述。发射天线(Thevenin 's generator)的内部阻抗与发射时天线的阻抗相同,如果在其终端没有电动势存在。

因此,接收天线的特性可以通过同一天线在发射时所能保持的特性来评估。大多数情况下,同一天线可以同时用于接收和发送,例如在移动电话的情况下,同一天线用于双向通信。

通过接收天线的终端的Thevenin电动势取决于天线的形状和激发它的入射电磁波的方向。

虽然接收天线的阻抗取决于天线特性,但入射波的方向和极化对接收天线中产生的电动势影响很大。因此,接收天线也具有与用于传输时相同的方向性。

接收天线

不同类型的天线

各种各样的天线用于不同的目的,额定频率不同。天线可以根据频段、电磁设计、物理结构等因素分为几种类型,下面给出这种分类。

基于频率和大小

如果一种天线能有效地发射和接收频率范围相对较窄的频率波,则这种天线称为窄带天线。类似地,如果天线在更宽的频率范围内工作,那么这种类型的天线被称为宽带天线。此外,天线被赋予频率范围内,他们被使用。这些都是

  • 低频天线:30 KHz ~ 300 KHz
  • 中频天线:300khz ~ 3mhz
  • 高频天线:3mhz ~ 30mhz
  • 甚高频天线:30 MHz至300 MHz和
  • 超频天线:300mhz ~ 3000MHz

基于指向性

这些又被分为三种类型

全向天线

这些类型的天线包括四分之一波天线和半波偶极子天线。这种天线将能量均匀地辐射到天线周围的各个方向进行传输,同时在接收端接收来自各个方向的信号。全向天线长度越长,天线性能越好。

扇形天线

这些天线主要在特定区域辐射能量。扇形天线的波束可以窄至60度,宽至180度。这些用于5到6公里的有限距离。移动通信中的Wi-Fi网络就是最好的例子。

定向天线

这些被称为定向天线或波束天线,它们在天线周围的一个或多个方向上辐射功率。这样可以提高接收和传输信号的性能,减少不必要源的干扰。

这些天线由于其最大的增益而用于长距离。常见的定向天线有八木田天线、喇叭天线、双四天线、贴片天线、螺旋天线、抛物线天线等。

天线类型

根据申请

根据应用的不同,天线主要分为两类;即基站天线和点对点天线。基站用于多点访问,为此目的,它使用扇形天线(集中在有限区域)或全域天线(向所有方向均匀辐射)。

点对点天线用于连接两个单一位置,在这种情况下,使用指令天线。

基于孔径

孔径天线从其孔径接收和传输能量。这些类型包括

线天线

它只是一根长度为l/2(这是偶极天线)和l/4(这是单极天线)的电线,其中l是传输信号的波长。这些天线可以是环形天线,如矩形环形天线、环形天线等。线形天线最好的例子是鞭状天线。

喇叭天线

这些天线被认为是展开或展开的波导。在各自的波导中形成扇形喇叭、锥形喇叭或锥形喇叭型天线。

抛物反射天线

该天线由位于抛物面反射器焦点处的喇叭或偶极子等主天线组成。这种天线的布置意味着反射器可以将平行射线聚焦到焦点上或另一只手上;它可以从焦点发出的辐射产生平行光束。

卡塞格伦天线

在这种天线中,不是将主馈源散热器放在焦点上,而是放置在抛物面顶点附近的开口周围。与简单的抛物线天线相比,这种天线不易产生反向散射。

微带贴片天线

这些是为飞机或航天飞机等特定应用而专门设计的天线,以满足尺寸、性能、重量、安装等规格。但这些天线的主要缺点是效率低,带宽很窄。

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