电磁波辐射

根据Maxwell等式,通过诸如电流和电荷的时变源产生或产生电磁场。如果这些字段由时变源产生并且被限制在波引导件内或沿传输线内传播或沿传输线传播,则波通常称为引导波。

当这些有限大小的源产生一种波,然后在不受边界限制的介质中传播(与源没有联系),就形成了一个辐射系统。这种辐射的集体形成过程称为电磁波的辐射。

下图显示了电磁光谱从10m至0.1μm的波长变化,并指示它们对应的频率范围。

电磁波谱

根据工作频率和波长的不同,这些电磁波通过不同的介质进行传输,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增加到更高的水平。

对于低频应用(如传输和电话线),电磁波通过具有中等损耗和低电磁干扰的同轴电缆传输。

但对于非常高的应用,同轴电缆的中心导体具有足够的损耗,因此降低了导电表面区域。为了减少这种效果,使用波导,其基本上是中空管道,电磁波传播。

空心金属管、同轴电缆和光纤电缆都是波导的例子。为了发射或接收以辐射形式存在的电磁能量,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。

专门设计的空心金属管用作波导。这种构造的波导提供传输线的衰减,以在微波频率下传输电能。在波导内,电气和机械字段的任何配置都必须具有Maxwell的现场方程的解决方案。

另外,这些领域必须必须满足由引导件的壁施加的边界条件。
有不同的模式,现场配置满足要求。这些模式包括横向电气或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。

它们用于微波炉、微波无线电链路、卫星通信、雷达装置等,作为微波频率的传输线,将微波接收器和发射器连接到它们的天线上。

电介质波导

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,这些波导分为两种类型,即矩形波导和圆形波导。

矩形波导E,电场随时间变化,在中心处最大,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横截面。这些用作矩形波导的交替。这些通常用于馈送锥形喇叭,圆形横截面使其易于机器。这些波导支持横向磁性(TM)和横向电气(TE)模式。

波导的分类

波导传播模式

考虑一个时变的电磁辐射源,电磁波通过磁导率和介电常数为特征的介质的传播必须满足无源麦克斯韦方程组。给出为

∇× E̅=−jwµH̅

∇× 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

∇2e̅+ k2e∈= 0

∇2h̅+ k2 h = 0

其中k = w√μє是无损媒体的实际值,并且是有损媒体的复杂值。

通过具有传播常数ψ的任意介质的z平面方向传播的波(电磁和磁)的字段在z平面方向上传播(在平面波)或引导(透射或波导)波传播,其特征是z依赖性e-ɣz。

矩形坐标的这些字段可以写成

E -̅(x, y) = E -̅(x, y

H̅(x,y,z)=h̅(x,y)e-ɣz

式中ɣ= α + j β, α为波的衰减常数,β为波的相位常数。当波通过纯介质或损耗较小的介质时,传播常数为纯虚数,而在损耗介质中,传播常数为复值。

横向场相对于z的衍生物是

E̅∂x /∂x和∂z = -ɣE̅̅y /∂z = E -ɣE̅y

类似地,∂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)

JWєe̅z =∂h̅y/∂x - (∂h̅x/ sy).....................(1c)

-jwμh̅x=(∂e̅z/ sy)+ɣe̅y .....................(2a)

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

-jwμh̅z=∂e̅y/∂x - (∂e x / sy).....................(2c)

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。

通过解决

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

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

H̅x=(1 / h2)[(jwє∂e z / sy) - (ɣh̅z/∂x)]

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

其中H是常数并定义

H2 =ɣ2+w2μl=ɣ2+ k2

ɣ=√(H2 - K2)

重要的是要注意,在上方等式中,E̅和H∞的所有横向组件可以由e≥Z和H∞Z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)模式中,E̅z = 0和H̅z = 0。因此,E̅和H̅场都是横波传播方向。当E̅z = 0和H̅z = 0时,横向场非零的唯一方法是当H = 0时,它给出

ɣ=√(0 - k2)

= JK =α+ Jβ

β= K.

这意味着TEM波的衰减常数为零(α= 0)。这意味着TEM波传播而不在零高于零的所有频率的完全导电平面之间传播。

因此,对于通过传输线传播的无损介质或引导TEM波传播的非控制TEM波具有传播常数ɣ=Jβ。矩形波导不能支持TEM模式,因为等式中的所有字段为零,如Z Z和H∞Z = 0。

TE和TM模式

在横向电气(TE)模式中E≥Z= 0和H≠Z≠0,而在横向磁(TM)模式中,在TE模式下,在TE模式下,e̅x和e y y电场横向于波传播方向。
TE模式下的字段

在横向磁(TM)模式下,H∞场是波传播方向的横向(或正常)。

TM模式下的字段

这两种模式称为波导模式。对于这些模式,H不能为零,因为它将为横向区域提供无限的结果。因此,对于波导ɣjβ。可以获得波导传播常数

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是波导切断频率并且等于H /(2π√μє)

因此,在切断频率方面,给出波导传播常数

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。

即使相位角保持恒定,基于E-△Z的指数衰减,场幅度也会随着距离Z的距离Z而非常快速地降低。

此外,如果频率大于截止频率,则传播常数值是纯粹的虚数值,即ɣ= Jβ,从而Z = e-Jβz。因此,波传播而不衰减,因此这些模式被称为在此频率上的传播模式。然而,由于平面的电导率,在实践中将存在一些衰减。

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。

如果波导源的频率小于截止频率,那么对于该特定模式,波在源的附近会迅速衰减。这些模式也可以推导出矩形和圆形波导。

天线理论

如我们在引言中讨论的,当时变源产生远离其在未绑定的介质中传播的波时,形成电磁感应的辐射。因此,以电磁波的形式,天线发射或接收信号。

这些天线由传输线供给。由50或60Hz频率操作的传输线辐射的功率小,因此不被认为是辐射系统。但传输线的功能是引导波条沿线的长度,并且它不设计为天线。

这是在高频下使用传输线中的同轴电缆的原因,因为它们不会辐射任何频率。

电磁波由于电荷而通过天线在传输线内部持续,但一旦它们进入自由空间,它们就能形成闭合环并如图所示的辐射辐射。

来自天线的辐射

传输天线

放置在辐射系统的末端的装置被称为发射天线。它以自由电磁波的形式辐射从源极(主要是振荡器)接收的能量部分。实际上,由来自源的传输线馈送天线。

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。

在忽略天线损耗条件下,发送到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RMS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。

天线辐射模式及其方向性是两种基本数量决定天线的方向性。来自天线的辐射电磁波或能量承载特定信号,该信号包括传输到一个或多个接收器的信息。

接收天线

在接收端能量和来自电磁波的信号处被提取。天线用于捕获辐射能量被称为接收天线。

因此,从入射的电磁波,接收天线将一部分能量以电压的形式(在天线终端之间)传递给负载。在复杂表示法和频域中,接收天线充当具有内阻抗的电压发生器。

可以描述接收天线的符号表示,如图所示。发射天线(紫色发电机)的内部阻抗与当在其终端存在的EMF时发送时的天线的阻抗相同。

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。最常见的情况是,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。

穿过接收天线终端的戴文宁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

用于不同目的的各种天线,该目的在不同的频率下额定值。天线可以分为频带,电磁设计,物理结构等的几种基于类型的因素,并且在下面给出这种分类。

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
  • 非常高的频率天线:30 MHz至300 MHz和
  • 超频率天线:300 MHz至3000MHz

基于方向性

这些再次分为三种类型

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天线。在变速器的情况下,这种天线在天线周围的所有方向上辐射能量,并且在接收端拾取来自所有方向的信号。如果是更长的全向天线,则越好是天线性能。

扇形天线

这些天线主要在特定区域中辐射能量。扇区天线的光束可以像60度一样窄,宽至180度。这些用于限量范围距离约为5到6公里。最好的例子是移动通信中的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。

天线的类型

根据申请

基于应用,天线主要分为两种类型;即基站天线和点对点天线。基站用于多点访问,为此目的,它使用扇区​​天线(其聚焦在有限区域上)或全部天线(在所有方向上均匀地辐射)。

点对点天线用于将两个单个位置连接在一起,在这种情况下,使用指示天线。

基于光圈

孔径天线从孔径接收和传递能量。这些类型包括

电线天线

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

这些天线被认为是打开或漂流的波导。基于喇叭形,扇形喇叭或金字塔喇叭或锥形喇叭型天线形成在各个波导中。

抛物面反射天线

该天线由诸如位于抛物面反射器的焦点处的喇叭或偶极子等主天线组成。这种天线的这种布置意味着反射器可以将平行光线焦于焦点或另一方面;它可以从源自焦点的辐射产生平行光束。

Cassegrain天线

在该天线中,代替将初级馈送散热器放置在焦点上,它位于抛物面顶点附近的开口周围。与简单的抛物线天线相比,这些天线不太容易发生散射。

微带贴片天线

这些天线是为特定应用如飞机或航天飞行器应用而专门设计的,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和带宽非常窄。

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