《時(shí)變電磁場(chǎng)》課件

Time-Varying Electromagnetic Field,第四章 時(shí)變電磁場(chǎng),,下 頁(yè),電磁感應(yīng)定律和全電流定律,正弦電磁場(chǎng),序,電磁輻射,電磁場(chǎng)基本方程、分界面上的銜接條件,動(dòng)態(tài)位及其積分解,返 回,坡印廷定理和坡印廷矢量,4.0 序,Introduction,在時(shí)變場(chǎng)中，電場(chǎng)與磁場(chǎng)都是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)；變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互依存構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。,英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋將靜態(tài)場(chǎng)、恒定場(chǎng)、時(shí)變,場(chǎng)的電磁基本特性用統(tǒng)一的麥克斯韋方程組高度概,括。麥克斯韋方程組是研究宏觀電磁場(chǎng)現(xiàn)象的理論,基礎(chǔ)。,,,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,,,,,,,時(shí)變場(chǎng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖：,,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,Maxwell方程組,坡印廷定理與坡印廷矢量,正弦電磁場(chǎng),動(dòng)態(tài)位A ,,分界面上銜接條件,達(dá)朗貝爾方程,電磁輻射、傳輸線及波導(dǎo),本 章 要 求,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.1.1 電磁感應(yīng)定律（Faradays Law）,當(dāng)與回路交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是法拉弟電磁感應(yīng)定律。,電磁感應(yīng)定律：,負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙原磁場(chǎng)的變化。,Faradays Law and Amperes Circuital Law,4.1 電磁感應(yīng)定律和全電流定律,圖4.1.1 感生電動(dòng)勢(shì)的參考方向,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.回路不變，磁場(chǎng)隨時(shí)間變化,又稱為感生電動(dòng)勢(shì)，這是變壓器工作的原理，亦稱為變壓器電勢(shì)。,圖4.1.2 感生電動(dòng)勢(shì),根據(jù)磁通變化的原因， 分為三類：,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,2.磁場(chǎng)不變，回路切割磁力線,稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，這是發(fā) 電機(jī)工作原理，亦稱為發(fā) 電機(jī)電勢(shì)。,圖4.1.3 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,3.磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，回路切割磁力線,實(shí)驗(yàn)表明：只要與回路交鏈的磁通發(fā)生變化，回路中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 與構(gòu)成回路的材料性質(zhì)無(wú)關(guān)（甚至可以是假想回路），當(dāng)回路是導(dǎo)體時(shí)，有感應(yīng)電流產(chǎn)生。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.1.2 感應(yīng)電場(chǎng)（Inducted Electric Field）,麥克斯韋假設(shè)，變化的磁場(chǎng)在其周圍激發(fā)著一種電場(chǎng)，該電場(chǎng)對(duì)電荷有作用力（產(chǎn)生感應(yīng)電流），稱之為感應(yīng)電場(chǎng) 。,圖4.1.4 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng),在靜止媒質(zhì)中,感應(yīng)電場(chǎng)是非保守場(chǎng)，電力線呈閉合曲線，變化的磁場(chǎng) 是產(chǎn)生 的渦旋源，故又稱渦旋電場(chǎng)。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.1.5 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng),若空間同時(shí)存在庫(kù)侖電場(chǎng), 即 則有,表明不僅電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.1.3 全電流定律（Amperes Law）,圖4.1.6 交變電路用安培環(huán)路定律,問(wèn)題的提出,思考,經(jīng)過(guò)S1面,經(jīng)過(guò)S2面,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,為什么相同的線積分結(jié)果不同？電流不連續(xù) 嗎？原因所在？,電流連續(xù)性原理,Stokes theorem,矢量恒等式,,矢量恒等式,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,,所以,因?yàn)?所以,所以,變化的電場(chǎng)產(chǎn)生位移電流（Displacement Current），電流仍然是連續(xù)的。,,=,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.1.7 交變電路用安培 環(huán)路定律,全電流定律,不僅傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在。,微分形式,積分形式,其中， 位移電流密度,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,解： 忽略邊緣效應(yīng)和感應(yīng)電場(chǎng),位移電流密度,位移電流,電場(chǎng),例 4.1.1 已知平板電容器的面積 S , 相距 d , 介質(zhì)的介電常數(shù) ， 極板間電壓 u( t )。試求位移電流 id；傳導(dǎo)電流 ic與 id 的關(guān)系是什么?,圖4.1.8 傳導(dǎo)電流與 位移電流,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.2.1 電磁場(chǎng)基本方程組 (Maxwell Equations),綜上所述,電磁場(chǎng)基本方程組,全電流定律,電磁感應(yīng)定律,磁通連續(xù)性原理,高斯定律,Maxwill Eguations and Boundary Conditions,電磁感應(yīng)定律：麥克斯韋第二方程，表明電荷和變化 的磁場(chǎng)都能產(chǎn)生電場(chǎng)。,磁通連續(xù)性原理：表明磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng) , 磁力線總是閉合曲線。,高斯定律：表明電荷以發(fā)散的方式產(chǎn)生電場(chǎng) (變化的磁場(chǎng)以渦旋的形式產(chǎn)生電場(chǎng))。,4.2 電磁場(chǎng)基本方程組分界面上的銜接條件,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,構(gòu)成方程,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,麥克斯韋第一、二方程是獨(dú)立方程，后面兩個(gè)方程可以從中推得。,靜態(tài)場(chǎng)和恒定場(chǎng)是時(shí)變場(chǎng)的兩種特殊形式。,,時(shí)變電磁場(chǎng)中媒質(zhì)分界面上的銜接條件的推導(dǎo)方式與前三章類似，歸納如下：,4.2.2 分界面上的銜接條件 ( Boundary Conditions ),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,結(jié)論: 在理想導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電磁場(chǎng)，電磁波發(fā)生全反射。,圖4.2.1 媒質(zhì)分界面,例 4.2.1 試推導(dǎo)時(shí)變場(chǎng)中理想導(dǎo)體與理想介質(zhì)分界面上的銜接條件。,分析：在理想導(dǎo)體中,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,。,根據(jù)銜接條件,分界面介質(zhì)側(cè)的場(chǎng)量,導(dǎo)體表面有感應(yīng)的面電荷和面電流。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,這是因?yàn)槲⒉ㄅ錾辖饘僦破穼l(fā)生“短路”和反射現(xiàn)象。如果把食物盛在金屬容器里加熱，即使燒上一個(gè)小時(shí)，容器中的食物溫度也不會(huì)升高，這是因?yàn)槲⒉ㄓ龅浇饘偃萜骱罅⒓慈糠瓷浠厝?，食物得不到熱源加熱。更危險(xiǎn)的事還在后頭，因?yàn)楦哳l微波全部反射回去，就形成了電子技術(shù)上的“高頻短路”，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)射微波的電子管陽(yáng)極產(chǎn)生高溫，燒到發(fā)紅而損壞。,微波爐里為什么不能放入金屬？,微波是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，波長(zhǎng)在1mm到1m之間，其相應(yīng)頻率在300GHz至300MHz之間。為了防止微波對(duì)無(wú)線電通信、廣播和雷達(dá)的干擾，國(guó)際上規(guī)定用于微波加熱和微波干燥的頻率有四段，分別為：L段，頻率為890940MHz，中心波長(zhǎng)0.330m；S段，頻率為24002500MHz，中心波長(zhǎng)為0.122m；C段，頻率為57255875MHz，中心波長(zhǎng)為0.052m；K段，頻率為2200022250MHz，中心波長(zhǎng)為0.008m。家用微波爐中僅用L段和S段。,微波是在電真空器件或半導(dǎo)體器件上通以直流電或50Hz的交流電，利用電子在磁場(chǎng)中作特殊運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得的。家用微波爐中應(yīng)用的是磁控管，通過(guò)磁控管把電能轉(zhuǎn)換為微波能。磁控管有脈沖磁控管和連續(xù)磁控管兩種。微波爐中應(yīng)用的是連續(xù)波磁控管。微波的傳播速度接近光速，它在傳播過(guò)程中能夠發(fā)生反射和折射它有三個(gè)與加熱相關(guān)的重要特性。微波遇到金屬物體，如銀、銅、鋁等會(huì)像鏡子反射可見光一樣被反射。因此，常用金屬隔離微波。微波爐中常用金屬制作箱體和波導(dǎo)，用金屬網(wǎng)外加鋼化玻璃制作爐門觀察窗。微波遇到絕緣材料，例如玻璃、塑料、陶瓷、云母等，會(huì)像光透過(guò)玻璃一樣順利通過(guò)。因此，常用絕緣材料制作盤碟，而不影響加熱效果。微波遇到含水或含脂肪的食品，能夠被大量吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能。微波爐就是利用這個(gè)特性來(lái)加熱食品的。,4.3.1 動(dòng)態(tài)位及其微分方程 (Kinetic Potentials and Its Differential Equations),從Maxwell方程組出發(fā),,稱為動(dòng)態(tài)位，是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,,,無(wú)源場(chǎng)存在矢量位函數(shù)。,無(wú)旋場(chǎng)存在標(biāo)量位函數(shù)。,經(jīng)整理后，得,由,由,（2）,（1）,洛侖茲條件,定義A 的散度,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,矢量恒等式,,,達(dá)朗貝爾方程(Dalangbaier Equation),說(shuō)明,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,洛侖茲條件是電流連續(xù)性原理的體現(xiàn)。,若場(chǎng)量不隨時(shí)間變化，波動(dòng)方程蛻變?yōu)椴此煞匠?簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)位與場(chǎng)源之間的關(guān)系;,確定了 的值，與 共同確定 A；,4.3.2 動(dòng)態(tài)位方程的積分解 （Integral Solutions of Kinetic Potentials）,以時(shí)變點(diǎn)電荷為例,（Dalangbaier方程，除坐標(biāo)原點(diǎn)外）,返 回,下 頁(yè),上 頁(yè),式中 具有速度的量綱 ， f 1，f2 是具有二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)的任意函數(shù)。,有,1. 通解的物理意義,或者說(shuō)，t時(shí)刻的響應(yīng)是 時(shí)刻的激勵(lì)所產(chǎn)生。這是電磁波的滯后效應(yīng)。,,,說(shuō)明 f1 以有限速度 向 方向傳播，稱之為入射波。,圖4.3.1 入射波,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,在無(wú)限大均勻媒質(zhì)中沒(méi)有反射波，即 f2 = 0。,,圖4.3.2 波的入射、反射與透射,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,由此推論，時(shí)變點(diǎn)電荷的動(dòng)態(tài)標(biāo)量位為,2. 動(dòng)態(tài)位的積分的表達(dá)式,根據(jù)疊加定理，連續(xù)分布電荷產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)標(biāo)量位為,無(wú)反射,無(wú)反射,（無(wú)限大均勻媒質(zhì)）,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,若激勵(lì)源是時(shí)變電流源時(shí),（無(wú)反射）,電磁波是以有限速度 傳播的， 光 也是一種電磁波。,達(dá)朗貝爾方程解的形式表明：t 時(shí)刻的響應(yīng)取 決于 時(shí)刻的激勵(lì)源。又稱 為滯后 位（Retarded Potential）。,當(dāng)場(chǎng)源不隨時(shí)間變化時(shí)， 蛻變?yōu)楹愣?場(chǎng)中的位函數(shù)（拉普拉斯方程或泊松方程）。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,作業(yè) 160頁(yè)：431,4.4.1 坡印廷定理（Poynting Theorem）,在時(shí)變場(chǎng)中，能量密度為,,體積V內(nèi)儲(chǔ)存的能量為,（1）,（2）,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電磁能量符合自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律坡印廷定理；,坡印廷矢量是描述電磁場(chǎng)能量流動(dòng)的物理量。,,代入式(3)得,式(2)對(duì) t 求導(dǎo)，,則有,,矢量恒等式,,（3）,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,物理意義：體積V內(nèi)電源提供的功率，減去電阻消耗的熱功率，減去電磁能量的增加率，等于穿出閉合面 S 的電磁功率。,坡印廷定理,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,恒定場(chǎng)中的坡印廷定理,注意：磁鐵與靜電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)、電場(chǎng)不構(gòu)成能量的流動(dòng)。,在恒定場(chǎng)中，場(chǎng)量是動(dòng)態(tài)平衡下的恒定量，能量 守恒定律為：,坡印廷定理,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,表示單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)與電磁波傳播方向相垂直單位面積上的電磁能量，亦稱為功率流密度，S 的方向代表波傳播的方向，也是電磁能量流動(dòng)的方向。,4.4.2 坡印廷矢量 (Poynting Vector),W/m2,定義坡印廷矢量,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.4.1 電磁波的傳播,例 4.4.1 用坡印廷矢量分析直流電源沿同軸電纜向負(fù)載傳送能量的過(guò)程。設(shè)電纜為理想導(dǎo)體，內(nèi)外半徑分別為a 和b。,解: 理想導(dǎo)體內(nèi)部電磁場(chǎng)為零。,電場(chǎng)強(qiáng)度,磁場(chǎng)強(qiáng)度,坡印廷矢量,,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.4.2 同軸電纜中的電磁能流,電源提供的能量全部被負(fù)載吸收。,流入內(nèi)外導(dǎo)體間的橫截面A 的功率為,坡印廷矢量,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電磁能量是通過(guò)導(dǎo)體周圍的介質(zhì)傳播的，導(dǎo)線只 起導(dǎo)向作用。,導(dǎo)體吸收的功率為:,例 4.4.2 導(dǎo)線半徑為a，長(zhǎng)為 l，電導(dǎo)率為 ， 試用坡印亭矢量計(jì)算導(dǎo)線損耗的能量。,電場(chǎng),磁場(chǎng),解: 思路：,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,設(shè),圖4.4.3 計(jì)算導(dǎo)線損耗的能量,表明：導(dǎo)體電阻所消耗的能量是由外部傳遞的。,電源提供的能量一部分用于導(dǎo)線損耗,另一部分傳遞給負(fù)載,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.4.4 導(dǎo)體有電阻時(shí)同軸電纜中的E、H 與S,電路中正弦量有三要素：振幅、頻率和相位。,正弦電磁場(chǎng)也有三要素：振幅, 頻率和相位。,Sinusoidal Electromagnetic Field,4.5 正弦電磁場(chǎng),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,正弦電磁場(chǎng)基本方程組的復(fù)數(shù)形式,場(chǎng)量與動(dòng)態(tài)位的關(guān)系,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,在正弦電磁場(chǎng)中，坡印亭矢量的瞬時(shí)形式為,稱之為平均功率流密度。,S 在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為,4.5.2 坡印廷定理的復(fù)數(shù)形式 The Complex Poynting Theorem,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,同理,實(shí)部為平均功率流密度，虛部為無(wú)功功率流密度。,定義:,坡印廷矢量的復(fù)數(shù)形式,,可以證明,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,對(duì) 取散度，展開為,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,若體積 V 內(nèi)無(wú)電源，閉合面 S 內(nèi)吸收的功率為,有功功率 無(wú)功功率,可用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的等效電路參數(shù),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,例 4.5.1 當(dāng)平板電容器兩極板間加正弦工頻交流電壓 u（ t ） 時(shí)，試分析電容器中儲(chǔ)存的電磁能量（忽略邊緣效應(yīng)）。,解：忽略感應(yīng)電場(chǎng),根據(jù)全電流定律,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.5.1 兩圓電極的平板電容器,顯然，電容器中儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，磁場(chǎng)能量忽略 不計(jì),電磁場(chǎng)為EQS場(chǎng)。,整理得,復(fù)坡印亭矢量,吸收能量,(無(wú)功功率),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,解：忽略邊緣效應(yīng)及位移電流，用恒定磁場(chǎng)的方法計(jì)算。,從安培環(huán)路定律，得,從電磁感應(yīng)定律，得,例 4.5.2 N 匝長(zhǎng)直螺線管，通有正弦交流電流。試分析螺線管儲(chǔ)存的電磁能量。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.5.2 長(zhǎng)直螺線管,顯然，螺線管中儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，電場(chǎng)能量忽 略不計(jì)，電磁場(chǎng)為MQS場(chǎng)。,復(fù)坡印亭矢量,儲(chǔ)存能量,( 無(wú)功功率 ),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.5.3 波動(dòng)方程的復(fù)數(shù)形式及其解 (Wave Equations Complex Form and Solutions),方程的特解形式為,式中， 稱為相位常數(shù)，單位為 rad/m。,,,在正弦電磁場(chǎng)中，波動(dòng)方程的復(fù)數(shù)形式為,和,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,思考,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電磁輻射,Electromagnetic Radiation,4.6 電磁輻射,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電磁能量脫離電源以電磁波的形式在空間傳播， 不再返回電源。,產(chǎn)生輻射的原因：,產(chǎn)生輻射的設(shè)備：,電磁場(chǎng)的變化和有限的傳播速度。,天線（線天線和面天線）。,圖4.6.1 電偶極子天線形成的過(guò)程,一、天線的形成,,,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,二、電磁輻射的過(guò)程,圖4.6.2 電偶極子天線,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.6.3 一個(gè)電偶極子在不同時(shí)刻的 E 線分布,電偶極子p=qd 以簡(jiǎn)諧方式振蕩時(shí)向外激發(fā)電磁波。,某一瞬間 E 線與 H 線在空間的分布,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.6.4 時(shí)單元偶極子天線 E 線與 H 線分布,圖4.6.5 動(dòng)態(tài)描述單元偶極子天線輻射形成的過(guò)程,,三、電偶極子的電磁場(chǎng),遠(yuǎn)離天線 P 點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位為：,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,正弦電磁波,研究場(chǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)離天線,設(shè),天線上不計(jì)推遲效應(yīng),圖4.6.6 單元偶極子天線的磁矢量,圖4.6.7 磁矢量分解,在球坐標(biāo)系中分解為,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1. 近區(qū),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.6.8 電偶極子的近 區(qū) E 與 H 線的分布,表明近區(qū)內(nèi)只有電磁能量轉(zhuǎn)換，沒(méi)有波的傳播。,思考,特點(diǎn):,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,忽略推遲效應(yīng)，在某一時(shí)刻電場(chǎng)與靜電場(chǎng)中電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)相似，磁場(chǎng)與恒定磁場(chǎng)中元電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相似，稱之為似穩(wěn)場(chǎng)。,遠(yuǎn)區(qū)的能量來(lái)自何方？,忽略 的高次項(xiàng),2. 遠(yuǎn)區(qū) 亦稱輻射區(qū),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,特點(diǎn):,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,輻射區(qū)電磁場(chǎng)有推遲效應(yīng)。,E、H、S 空間上正交，時(shí)間上同相，有波阻抗,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,輻射是有方向性的，即,輻射功率為,3. 輻射的方向性,輻射的方向性用兩個(gè)相互垂直的主平面上的方向圖表示。,E 平面是電場(chǎng)所在平面。,E 平面的方向性函數(shù)為,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.6.9 E 平面方向圖,H 平面是磁場(chǎng)所在平面。,H 平面的方向性函數(shù)為,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖4.6.11 立體方向圖,圖4.6.10 H 平面方向圖,,4.6.2 天線和天線陣 (Linear Antenna and Antenna Array),1. 天線,圖4.6.12 開路傳輸線張開成對(duì)稱振子,,,直線對(duì)稱振子是一種線天線，它是指線的橫截面尺寸遠(yuǎn)比波長(zhǎng)小，它的長(zhǎng)度 與波長(zhǎng) 在同一數(shù)量級(jí)( )上，流經(jīng)它的電流不再等幅同相，設(shè)振子上的電流為正弦分布 。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,方向因子與波長(zhǎng)有關(guān)，圖中給出四種天線長(zhǎng)度的 E 平面方向圖。,圖4.6.13 細(xì)線天線的E 平面方向圖,輻射場(chǎng)特點(diǎn)：,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,球面波；,有方向性。 ， 其 E 平面方向因子為,2. 天線陣：,天線陣是由許多指向同一方向的相似天線組成的，這些天線的排列可使能量都傳送到預(yù)定的方向，其它方向幾乎沒(méi)有輻射。天線陣設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是：,a 陣列元數(shù)目 b 陣列元間隔 c 每個(gè)陣列元 給電流的大小和相位,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖 4.7.2 微波接力示意圖,微波接力通信,圖 4.7.4 同步衛(wèi)星建立全球通信,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,圖 4.7.1 視距與天線高度的關(guān)系,圖 4.7.3 通信衛(wèi)星,1. 在靜止軌道上放置太陽(yáng)能電池帆板，產(chǎn)生500萬(wàn),2. 通過(guò)“變電站”微波發(fā)生器，將直流功率變 為微波功率；,3. 通過(guò)天線陣向地面 定向輻射；,4. 地面接收站將微波 轉(zhuǎn)換為電能；,5. 提供用戶。,kW能量；,圖 4.7.5 空間太陽(yáng)能發(fā)電站和電力傳輸,返 回,對(duì)波動(dòng)方程取散度,得,代入洛侖茲條件,從洛侖茲條件證明電流連續(xù)性原理,下 頁(yè),返 回,交換微分次序,將波動(dòng)方程 (2)代入上式，得,整理得,,上 頁(yè),返 回,,下 頁(yè),返 回,天 線,陜西省廣播電臺(tái)中波天線,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,微波發(fā)射天線,微波接收天線,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,陜西省電視塔,上海市電視塔,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,微 波 天 線,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,微 波 天 線,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,微 波 天 線,上 頁(yè),返 回,微 波 天 線,圖 4.6.14 一個(gè)簡(jiǎn)單的天線陣,畫出了r l 時(shí)的輻射圖。兩個(gè)波的天線間距為 l/2 激發(fā)的相位一致。曲面上的矢徑長(zhǎng)表示E的數(shù)值對(duì)q和j 的函數(shù)關(guān)系。曲面上,,的曲線，是 j 為常數(shù)的曲線，每隔 10 度畫一條。為清 楚起見，曲面切成了兩半。沿著y軸的方向，兩個(gè)波相 加，合成的電場(chǎng)強(qiáng)度是單個(gè)天線所產(chǎn)生的兩倍 。 這點(diǎn),在整個(gè)yz平面上都對(duì)，只要r l。沿著 x 軸，兩個(gè)波相 位相反而互相抵消了。在 xz平面的其他方向上，波并不 完全抵消，因?yàn)槁烦滩畋?l/2 小。每個(gè)天線在z軸上的場(chǎng),都是零，所以天線陣的場(chǎng)也是零。,下 頁(yè),返 回,圖 4.6.15 兩個(gè)波天線,用豎粗線表示,相距l(xiāng)/2, 但是在 x= -D/2的一個(gè)相位超前p弧度。此時(shí)兩個(gè)波在y z平面 上到處都對(duì)消了。在 x 軸上的所有點(diǎn)上，兩個(gè)波相位,,一致，得到二倍于單個(gè)天線的場(chǎng)強(qiáng)。在 z 軸的方向上 還是沒(méi)有輻射。,上 頁(yè),返 回,同時(shí)得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1888年德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著電磁理論。系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場(chǎng)理論。這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面麥克斯韋也作出了重要貢獻(xiàn)，他是氣體動(dòng)理論的創(chuàng)始人之一。1859年他首次用統(tǒng)計(jì)規(guī)律棗麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀量求統(tǒng)計(jì)平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的。他引入了馳豫時(shí)間的概念，發(fā)展了一般形式的輸運(yùn)理論，并把它應(yīng)用于擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過(guò)程。1867年引入了“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。麥克斯韋是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問(wèn)題和精確地表述科學(xué)思想的大師，他非常重視實(shí)驗(yàn)，由他負(fù)責(zé)建立起來(lái)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)展成為舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。他善于從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，經(jīng)過(guò)敏銳的觀察思考，應(yīng)用嫻熟的數(shù)學(xué),返 回,雷 達(dá),設(shè)置在海上的衛(wèi)星遙感浮標(biāo),下 頁(yè),返 回,遙感衛(wèi)星接收解調(diào)技術(shù),微波通訊,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,微 波 通 訊,雷 達(dá),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,遙感衛(wèi)星影像的應(yīng)用,雷 達(dá),上 頁(yè),返 回,