电磁辐射基本原理

13.3电磁辐射的基本理论2电磁辐射基本原理电磁现象是自然界中的基本现象。电磁场变化的快慢由波源的频率决定，当波源频率很高时，电场的高速变化在空间形成强大的位移电流，位移电流接着在其附近空间产生强的磁场，而该磁场随时间的变化在附近产生变化的电场即位移电流，如此循环往复。变化的电磁场不但相互转化而且在空间向前推进。在上述电磁能量的过程中，能量的一部分分布在源的附近，而一部分传向远方。由此分为：感应场和辐射场。电磁功率向远方传播不再返回场源的现象称为电磁辐射。3在电磁兼容问题中，对于骚扰源的分析可以从基本模型来开始考虑。电基本振子（长度l）磁基本振子（半径a）电小：al,4工程中，电基本振子是指一段载有高频电流的短导线，短是指其长度远小于所辐射的电磁波波长，此时导线上各点电流的振幅和相位可近似视为相同，也可以称为有效电流元。虽然实际的线天线上各处电流的大小和相位不同，但其上的电流分布可以看成是由许多首尾相连的一系列电基本阵子的电流组成。（电基本振子辐射场的计算可以作为天线工程中线形源计算的基础）电基本振子5工程中，电基本振子是指一个载有高频电流的小线圈，短是指其长度远小于所辐射的电磁波波长，此时导线上各点电流的振幅和相位可近似视为相同，也可以称为有效磁流元。虽然实际的面天线上各处电流的大小和相位不同，但其上的电流分布可以看成是由很多片的一系列磁基本阵子的电流组成。（磁基本振子辐射场的计算可以作为天线工程中面形源计算的基础）磁基本振子6VjkRdveRrJrA')'(4)(|'|rrRABHEj电磁辐射的基本求解程序Step1Step2Step367jkrjkReerRjkrrerIdlaaA4)sinˆcosˆ(作分子中，分母中的近似，)](1[)()(rRjkeeeeejkrrRjkjkrrRrjkjkRjkrerIdsjkraA24)1(sinˆ作的泰勒展开，磁基本振子：电基本振子：8jkrjkrrjkrekrjkrkrjIdlkEekrjkrIdlkEekrkrjIdlkH])()(1[sin4])()(1[cos42])(1[sin432232222jkrjkrrjkrekrjkrkrjIdskjHekrjkrIdskjHekrkrjIdskjE])()(1[sin4])()(1[cos42])(1[sin432332323场的结果：“磁”“电”9事物的发展都有其特定的自身规律性。在空间中，电磁辐射会呈现出一定的分布特征。这为相关具体研究提供了归类的便利性。电磁场区的划分10从前面的理论分析中可以看到，电磁辐射在空间上具有如下的一般数学形式33221)(1)(11)(krAkrAkrArf这样的数学形式有其自身的特点：kr与1的相对关系将决定该函数的主要分布特征。11基于上面的讨论，可以进行场区划分：近场区：kr1中场区：kr≈1远场区：kr1场点P与源点的距离r远小于波长，与这些点相应的场的空间区域称为近区。场点P与源点的距离r远大于波长，与这些点相应的场的空间区域称为远区。12电基本振子远场的特点：•电场～1/r,磁场～1/r。•电场～f,磁场～f。•电场与磁场同相。•TEM非均匀球面波。•电场与磁场成确定比例，与空间环境特性相关。13电基本振子近场的特点：•电场～1/r3,磁场～1/r2。•电场～1/f,磁场与f无关。•电场与磁场存在π/2的相位差。•平均功率流为零。•称为似稳场（准静态场）。14磁基本振子远场的特点：•电场～1/r,磁场～1/r。•电场～f,磁场～f。•电场与磁场同相。•TEM非均匀球面波。•电场与磁场成确定比例，与空间环境特性相关。15磁基本振子近场的特点：•电场～1/r2,磁场～1/r3。•电场～f,磁场与f无关。•电场与磁场存在π/2的相位差。•平均功率流为零。•称为似稳场（准静态场）。16电磁能量)()()(tHtEtS坡印廷矢量的瞬时值可表示为：平均坡印廷矢量可表示为：电、磁基本阵子在近区其平均坡印廷矢量为零，即没有有效电磁功率流。正是那些在近区被忽略的低次幂项形成了远区场中的电磁波。]21Re[)(1*0HEdttSTST17电、磁基本振子辐射特性电、磁基本阵子的辐射场沿径向传播，并且电场与磁场均与传播方向垂直，因而其远区场是横电磁波（TEM波）。无论是还是，其空间相位因子中都有，及其空间相位随离源点的距离r的增大而滞后，等相位面是以r为常数的球面，所以远区辐射场是球面波。由于等相位面上不同点的E、H振幅并非一定相同，所以又是非均匀球面波。EHjkre18远区场的振幅与r成反比，与I、l/λ成正比。注意：场的振幅与电长度l/λ有关，而不仅与几何尺寸l有关。远区场的振幅还正比于，在垂直于天线轴的方向()上，辐射场振幅最大；沿着天线轴的方向()，辐射场振幅为零。sin90o0o上面特点表明：电、磁基本阵子的辐射具有方向性。这种方向性也是天线的一个主要特性。19当，也即上述三项的作用相同。远场与近场的转换以上分析中是按照距离场源的远近来区分近区和远区，现在定量地说明工程上如何划分这两个区域。23111,,()()krkrkr1kr2r•工程定义：远区：近区：102r0.12r•电磁兼容手册定义：远区：近区：2r2r20当取较小值时，负二次方近似于目标曲线（黑色）当取较大值时，负一次方近似于目标曲线（黑色）函数关系特性21函数关系的典型远场方向性2122近区和远区的划分与频率关系近区和远区的特性存在差异性，通常的骚扰源的频谱是宽带的，远区测量时，测量距离必须以骚扰频谱中最低的频率为依据来计算。