基本概念

• 积分形式:

• 微分形式:

• 电磁辐射: 当场源随时间迅速变化时，其产生的动态电磁场将以电磁波的形式在空间传播的现象。

• 产生辐射的原因: 电磁场的变化和有限的传播速度

• 产生辐射的设备: 天线 (线天线和面天线)。

• 天线的应用: 无线电通信、雷达、微波遥感 (军事、水文、农业、海洋、气象、森林等)、生物医学等。

• 辐射的主要参数: 辐射场强、方向性和辐射功率。

天线的形成

• 电容 ：通过增加极板间距d，缩小极板面积S来减小C。

• 电感 ：通过减少线圈数N来减小L。

• 开放的LC电路即为天线，将原来储存在电感电容中的电磁能量释放到空间中。当有电荷 (或电流) 在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。

电磁辐射的过程

• 互易定理: 各种类型的天线也就是各种类型的接收装置。

• 典型天线类型:
• 电偶极子: (其中 )。



• 环形天线 (磁偶极子)。

电偶极子的电磁场

1. 天线尺寸远小于电磁波波长 ()，在天线导线上不计推迟效应。

2. 天线尺寸远小于场点到天线的距离 ()，可以认为场中任意点与导线上各处的距离相等。

• 磁矢量位

• 对于单元偶极子:

• 在球坐标中 (考虑场分布的球对称性)():

• 磁场强度 (由 计算):
• 。

• 电场强度 (由 计算, 在无界自由空间):
• 。

• 和 , 由包含 不同幂次项组合的因子组成，其各项作用取决于 的变化，据此划分邻近区域和远区域研究。

电偶极子的近场与远场

1. 近场 (似稳场区)

• 定义: 的区域，即 ()。

• 近场场分布:
• 磁场:
• 电场:
利用 和电偶极矩 :
此形式同静电场中电偶极子的电场。

• 近场特点:
1. 无推迟效应 (似稳场): 电场和磁场形式与静电场、恒定磁场的相应情况相同，唯一区别是源与场均随时间变化。例如工频 , , 条件易满足。
2. ，且时间上相位差为 （对比1式、2式）



1. 瞬时坡印廷矢量 ，但其时间平均值
2. 近似地说，近区内主要是电场和磁场能量的交换。

2. 远场 (辐射场区)

• 定义: 的区域，即 。

• 远场场分布:
• 磁场: 当 , .
• 。
• 电场: 当 , .
• （和相比远小),

• 远场特点:
1. 和 都是向 方向传播的电磁波，传播方向由相位因子 (代表 ) 确定；辐射区电磁场有推迟效应。
2. 电磁波的等相位面 () 为球面 ()，故辐射区电磁波为球面波
由于场量的振幅与 有关，因此它是非均匀球面波
3. 波阻抗 :
类比电阻去理解“阻抗”的含义：
阻碍电磁场的传播，越大，激发同样的需要更大的；
每一种介质都有对应的，也就是电场磁场强度满足特定的比例关系；
当两种介质不匹配，就会发生反射，也就是第二种介质拒绝第一种介质中的部分电磁场进入。
4. 能量分布与传播:
• 瞬时能量密度: 电场能量密度与磁场能量密度相等
总能量密度
🌻
远区能量一半存储在电场，一半存储在磁场。
• 能流密度 (坡印廷矢量):
🌻
能流方向为电磁波的传播方向，辐射是有方向的。
5. 空间上 且均垂直于传播方向 (横向电磁波 TEM)，时间上 与 同相。
6. 平均能流密度:
7. 总辐射功率
表明电磁能量经空间向无限远处辐射。
• 除直流()外，所有交流激励源都向外辐射能量。低频时 (如 ) 辐射能量非常微小可忽略。
• 辐射能量 。频率高 ( 小)， 可短；频率低 ( 大)， 需较长。
8. 辐射电阻 : 由 定义。
(其中 )。
• 表征了天线辐射能力的强弱，决不意味着损耗。
• 天线愈长，频率愈高，辐射能量愈大。

天线的方向性与方向图

• 天线的方向性: 指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线，则表示对不同方向传来电波的接收能力。

• 方向图: 通常用方向图来表示天线方向性的特性曲线，说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。

• 方向图因子: : 辐射场的电场强度随角度变化的函数。

• 电偶极子远场:

• 对于电偶极子天线，其方向图因子为 。
• 最大辐射方向: (垂直于偶极子轴线方向)。
• 零辐射方向: 和 (沿着偶极子轴线方向)。

• 注意:
1. 各类天线的方向性 (方向图) 是不一样的。
2. 若天线尺寸不再远小于波长 ()，则必须考虑沿天线的推迟效应，此时天线各方向的辐射场强特性也有所变化。
3. 基于互易定理，收、发天线具有相同的方向图。这有助于分析掌握各种情况下电磁信号的接收问题。