电磁波的辐射

根据麦克斯韦方程组,电磁场是由电流和电荷等时变源产生或产生的。如果这些场是由时变源产生的,并且被限制为在波导内或沿传输线传播的波,那么这种波通常被称为导波。

当这些有限大小的源产生一种波,然后在无界介质中从它们(与源没有联系)传播出去时,一个辐射系统就形成了。这种辐射集体形成的过程称为电磁波的辐射。

下图显示了电磁波谱从10m到0.1µm的波长范围,并给出了相应的频率范围。

电磁波谱

根据工作的频率和波长,这些电磁波通过不同的介质,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,因此波的频率一般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,同轴电缆损耗适中,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,因此导电表面积减少。为了减少这种影响,我们使用了波导,这种波导基本上是中空的,电磁波在其内部传播。

中空金属管、同轴电缆和光纤电缆都是波导的例子。而为了以辐射的形式发射或接收电磁波,我们通常使用天线。

介绍了波导

用于输送电磁波的任何导体和绝缘体的系统被称为波导。它是一种空心导电介质或管,其从源到目的地透射高频电磁波。

一种特殊设计的空心类金属管用作波导。这种构造的波导提供了一种衰减传输线,以传输微波频率的电能。在波导内部,电场和机械场的任何构型都必须有一个麦克斯韦场方程的解。

此外,这些场还必须满足导杆壁面施加的边界条件。
有不同的模式,字段配置满足需求。这些模式包括横向电模式或TE模式或H模式。

在这种模式中,电场横向于引导件的轴线并且除了在相关磁场的位置之外,在引导件的方向上没有部件。

在另一个特定情况下,磁场到处横向于准则轴,并且一些位置电场在传播方向上具有组件。这种类型的模式称为TM或横向磁模或E模式。

波导的分类

通常,波导被分为两种主要类型,即金属波导和介电波导。

金属波导

这些波导是封闭金属管的形式。通过从导电壁的反射,波传播的特征在于金属波导内。

它们被用于微波炉、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,连接微波接收器和发射机到它们的天线。

介质波导

这些波导仅由电介质组成。为了沿着波导传播电磁波,它采用介电接口的反射。

电介质波导而不是具有空心管,而是采用固体介电棒。实际上,光纤是设计成在光学频率下工作的介电波导。

同样,这些波导又分为两种类型,即矩形波导和圆形波导。

矩形waveguidE,电场随时间变化,中心最大,而磁力线与壁面相切。

这两者都是弯曲的,并通过指导。该波导的区域以矩形方式为单位。这些以超高频率用于与传输线的交替用于传输电能。

圆波导沿其长度具有均匀的圆形截面。这些被用作矩形波导的替代品。这些通常被用来喂锥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

波导传播模式

考虑时变电磁辐射源,电磁波在具有磁导率µ和介电常数є的介质中传播时必须满足无源麦克斯韦方程。并且被给出为

叔× E̅=−jwµH̅

叔× H̅= jw є E̅

为了获得电源和磁场,可以操纵这些麦克斯韦方程式作为波动方程

叔2 e̅+ k2 e̅= 0

叔2 h̅+ k2 h̅= 0

其中K = w√µє,为无损介质的真实值,为有损介质的复值。

电磁波(电、磁)沿z-平面方向传播,无论是非导波(平面波)还是导波(透射或波导)通过具有传播常数ɣ的任意介质传播的场,具有e-ɣz依赖的特征。

矩形坐标的这些字段可以写成

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为波相常数。当波在纯介质或损耗较小的介质中传播时,传播常数是纯虚的,而在有耗介质中传播常数是复数。

横场对z的导数是

E̅∂x /∂x和∂z = -ɣE̅̅y /∂z = E -ɣE̅y

同样,∂H̅x /∂z = -ɣH̅x和∂H̅y /∂z = -ɣH̅y

如果我们将矢量组件等同于两个麦克斯韦尔卷曲方程的每一侧,我们得到

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

JWєe̅y = - ɣH̅x - (∂H̅z/∂x).....................(1b)

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

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

-JWμH̅Y= - ɣɣx - (∂∂z /∂x).....................(2b)

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

为了得到纵向场分量,我们可以用横向磁场分量解1和2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,由什么定义

H2 =ɣ2+w2μl=ɣ2+ k2

ɣ=√(h2 - K2)

需要注意的是,在上述方程中,E̅和H̅的所有横向分量均可由E̅z和H̅z的唯一轴向分量确定。

因此,在纵向场方面的横向场的等式描述了用于引导和非所示波的不同可能模式。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

在横向电磁(TEM)模式下,E̅z = 0和H̅z = 0。因此,E̅场和H̅场都与波的传播方向是横向的。当E̅z = 0和H̅z = 0时,横场非零的唯一途径是H = 0,给出

ɣ=√(0 - k2)

= JK =α+ Jβ

β= K.

这意味着瞬变电磁波的衰减常数为零(α = 0)。这意味着在所有频率大于零的情况下,瞬变电磁波在两个完美导电平面之间传播没有任何衰减。

因此,对于通过无损介质传播的非导TEM波或通过传输线传播的导TEM波,其传播常数为ɣ= j β。矩形波导不能支持TEM模式,因为方程中的所有场在E̅z和H̅z = 0时都为零。

TE和TM模式

在横电(TE)模式下E̅z = 0和H̅z≠0,而在横磁(TM)模式下E̅z≠0和H̅z = 0。在TE模式下,电场的E̅x和E̅y与波的传播方向是横向的。
TE模式下的字段

在横向磁场(TM)模式下,H̅场与波的传播方向是横向(或垂直)的。

TM模式下的字段

这两种模式称为波导模式。对于这些模态,h不可能为零,因为它会给出横向场的无界结果。因此,对于波导ɣ≠j β。波导的传播常数可得如下

ɣ=√(h2 - K2)

√(- K2 (1 - h2 / K2))

= jK√(1 - (h / K) 2)

因此,在TE或TM模式或波导模式中,波的传播常数具有比TEM模式中的传播常数不同的特性。可以根据截止频率fc写入上述波导模式的上述传播常数方程中的H / K中的比率,并给出

h / K = h / (w√µє) = h / (2πf√µє)

h / K = fc / f

其中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)

从上述传播恒定方程我们可以说,如果频率小于截止频率,则传播常数纯粹是真正的值i.e.,ɣ=α,从而,E-ɣz = e-αz。这意味着当频率小于波导模式中的切断频率时,波浪变衰减。

根据e-ɣz的指数衰减,即使相位角保持不变,场振幅也会随着距离z迅速减小。

同样,如果频率大于截止频率,传播常数价值纯粹是虚构的价值,也就是说,ɣj =β从而e -ɣz = e - jβz。所以没有任何衰减波传播,因此这些模式被称为传播模式在这个频率。然而,由于平面的导电性,在实际中波会有一些衰减。

最后,我们可以得出结论,源必须以高于截止频率的频率操作,以用于将波浪传播通过波导以用于该特定模式。

如果波导光源的频率小于截止频率,那么该波在该特定模式下在光源附近迅速衰减。对于矩形波导和圆形波导也可以推导出这些模。

天线理论

正如我们在简介中所讨论的,当时变源产生一种波,并在无限介质中传播时,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。传输线在50或60Hz频率下所辐射的功率很小,因此不被认为是辐射系统。但传输线的功能是引导波场沿线路的长度,它不是作为天线设计的。

这就是高频传输线使用同轴电缆的原因,因为同轴电缆不辐射任何频率。

由于电荷的作用,电磁波在传输线内通过天线持续传播,但一旦它们进入自由空间,就会形成闭环并辐射,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。它将从一个源(主要是一个振荡器)接收到的部分能量以自由电磁波的形式辐射出来。实际上,天线是由来自信号源的传输线馈电的。

源利用时变电压馈送天线,使得源将发送天线作为复杂域中的复杂阻抗Z,如图所示。该阻抗被称为传输天线阻抗,其是工作频率的函数。

在忽略天线损耗的情况下,传递给天线的平均功率等于辐射功率Io2 RRad,其中Io为通过天线的电流的均方根值,RRad为天线阻抗的实部。

传输天线

通常,透射天线具有特定的辐射性质,使得它们不会在所有方向上均匀地辐射。因此,取决于应用,它们在特定方向上辐射电磁波。

天线辐射方向图及其指向性是决定天线方向性的两个基本量。天线发出的辐射电磁波或能量携带一种特定的信号,该信号由要发送到一个或多个接收器的信息组成。

接收天线

在接收端提取电磁波的能量和信号。用来捕获辐射能量的天线称为接收天线。

因此,接收天线从入射电磁波中将一部分能量以电压的形式(在天线终端之间)传递给负载。在复表示法和频域内,接收天线充当具有内部阻抗的电压发生器。

接收天线的符号表示可以描述为Thevenin的等效,如图所示。发射天线(Thevenin 's generator)的内部阻抗与天线在发射时的阻抗相同,如果其端子处不存在电动势。

因此,接收天线的特性可以通过同一天线在发射时所具有的特性来评估。最常见的是,相同的天线可以用于接收和发送,例如在移动电话的情况下,相同的天线用于双向通信。

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。

事件波的方向和偏振大大影响接收天线中诱导的EMF,尽管接收天线的阻抗取决于天线特性。因此,接收天线还具有定向性,其与用于传输时的定向性能。

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,额定在不同的频率。根据频段、电磁设计、物理结构等因素,天线可以分为几种类型,具体分类如下。

基于频率和尺寸

如果天线有效地发送,并且在相对窄的频率范围内接收频率的波,则据说这种天线是窄带。类似地,如果天线以更宽的频率范围操作,则这种类型的天线被称为宽带天线。另外,天线具有使用它们的频率范围。这些都是

  • 低频天线:30 kHz至300 kHz
  • 中频天线:300 kHz至3 MHz
  • 高频天线:3 MHz至30 MHz
  • 甚高频天线:30 MHz至300 MHz和
  • 超频率天线:300 MHz至3000MHz

基于方向性

这些又被分为三种类型

全向天线

这类天线包括四分之一波天线和半波偶极子天线。这种天线在发射时将能量均匀地向天线周围的各个方向辐射,并在接收端接收来自各个方向的信号。全向天线越长,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。这些是用于有限的距离约5至6公里。最好的例子就是移动通信中的Wi-Fi网络。

指示天线

这些被称为方向或光束天线,其在天线周围的一个或多个方向上辐射电力。这些允许在接收和传输信号中减少不需要的源的干扰来增加性能。

由于其最高增益,这些天线用于长距离。一些常见的指示天线包括Yagi-UDA天线,喇叭天线,双四天线,贴片天线,螺旋天线,抛物线天线等许多。

类型的天线

根据申请

根据应用,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(集中在一个有限的区域)或全向天线(向所有方向均匀辐射)。

点对点天线用于连接两个单独的位置在这种情况下,使用定向天线。

基于孔径

孔径天线从孔径接收和传递能量。这些类型包括

线天线

它只是长度L / 2的电线(是偶极天线),L / 4(这是单极天线),其中L是发送的信号波长。这些天线可以是循环天线,例如矩形环天线,圆环天线等。线天线的最佳示例是鞭状天线。

喇叭天线

这些天线被认为是张开的或张开的波导。基于扩口,扇形喇叭,或锥体喇叭,或锥形喇叭型天线在各自的波导中形成。

抛物面反射天线

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。天线的这种布置意味着反射器可以将平行光线聚焦到焦点上;从焦点发出的辐射可以产生平行的光束。

卡塞格伦天线

在这个天线中,不是将主馈电散热器放在焦点上,而是将其放置在靠近抛物面顶点的开口周围。与简单的抛物面天线相比,这些天线不易产生后向散射。

微带贴片天线

这些天线是为特定的应用而专门设计的,如飞机或航天器应用,以满足规格,如尺寸,性能,重量,安装等。但这些天线的主要缺点是效率低,带宽很窄。

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