电磁波辐射

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,并且被限制在波导内或沿传输线传播,那么这个波通常被称为导波。

当这些源极有限的尺寸时形成辐射系统产生波浪,然后在无界介质中从它们传播远离它们(没有连接到源)。该辐射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。

电磁频谱

取决于操作的频率和波长,这些电磁波通过不同的介质如同轴电缆,波导,光纤等。在较大的带宽下,我们可以传输更多信息,从而传输波浪的频率通常增加到更高的波浪水平。

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

但对于非常高的应用,同轴电缆的中心导体有足够的损耗,因此导体表面积减少。为了减少这种影响,人们使用了波导,它基本上是电磁波在里面传播的空心管道。

中空金属管,同轴电缆和光纤电缆是波导的实例。并且用于以辐射形式传输或接收我们通常使用天线的形式。

波导简介

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。

一种特别设计的中空金属管用作波导。这种构造的波导提供了一个衰减的传输线,以传输微波频率的电能。在波导内部,任何电场和机械场的配置都必须有麦克斯韦场方程的解。

此外,这些场还必须满足由导轨壁施加的边界条件。
现场配置满足需求有不同的模式。这些模包括横向电模或TE模或H模。

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,雷达组等,作为微波频率的传输线,以将微波炉接收器和发射器连接到其天线。

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,这些波导被分为两种类型的矩形波导和圆形波导。

矩形波导E,电场随着中心最大的时间而变化,而磁力线与墙壁相切。

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。

圆形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

考虑到电磁辐射的时变源,通过通过渗透性μ和介电常数的介质传播与电磁场和磁场的电磁波的传播є必须满足无源极麦克斯韦方程。并被给予

∇×e̅= - jwμh̅

∇×h̅= jwєe̅

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

∇2 e̅+ k2 e̅= 0

∇2h̅+ k2 h̅= 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

E̅(x,y,z)=e∈(x,y)e-ɣz

H̅(x,y,z)=h̅(x,y)e-ɣz

其中ɣ=α+ Jβ和α是波衰减常数,并且β是波相恒定。当波浪通过纯净或损失较少的介质时,传播常数纯粹是虚构的,而在有损介质的情况下,它是一种复杂的夸张。

横场对z的导数是

∂e̅x/∂z= - ɣe̅x和∂e̅y/∂z= - 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

JWєe̅x =(∂h̅z/ sy)+ɣh̅y.....................(1a)

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

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

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

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

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

为了获得纵向场部件,我们可以根据横向磁场分量来解决1和2方程。

通过求解

e̅x =(1 / h2)[( - ɣ∂̅z /∂x) - (jwμs∂h̅z/ sy)]

e y y =(1 / h2)[( - ɣ∂̅z / sy)+(jwμ∈H̅z /∂x)]

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

H̅Y=(1 / h2)[( - JWє∂e̅z /∂x) - (ɣ∂H̅z/ sy)]

其中H是常数并定义

H2 =ɣ2+w2μl=ɣ2+ k2

ɣ=√(h2 - K2)

需要注意的是,在上述方程中,E̅和H̅的所有横向分量都可以由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E≠Z = 0和H≠Z = 0.因此,e̅和h̅字段横向于波传播方向。使用e∈z= 0和h∈z= 0,横向字段为非零的唯一方法对于H = 0表示

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(TE)模中E̅z = 0, H̅z≠0;在横向磁(TM)模中E̅z≠0,H̅z = 0。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(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为波导截止频率,h / (2π√є)

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。

即使相位角保持不变,基于e-ɣz的指数衰减,电场振幅会随着距离z迅速减小。

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,则WAVE快速衰减在该特定模式的源附近。这些模式也可以用于矩形和圆形的波导类型。

天线理论

正如我们在导论中所讨论的,当时变源产生一种在无界介质中传播的波时,电磁感应辐射就形成了。因此,天线以电磁波的形式发送或接收信号。

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

放置在辐射系统末端的装置称为发射天线。它以自由电磁波的形式辐射从一个源(主要是一个振荡器)接收的部分能量。实际上,天线是由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。

在天线中的忽略损耗条件下,传送到天线的平均功率等于辐射功率,其中IO2 RRAD,其中IO是通过天线的电流的RMS值,并且RRAD是天线阻抗的真实部分。

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。

天线的辐射方向图和方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特定的信号,该信号由要传送到一个或多个接收器的信息组成。

接收天线

在接收端,从电磁波中提取能量和信号。用来捕捉辐射能量的天线称为接收天线。

因此,从入射电磁波中,接收天线以电压(天线端子之间)的形式传送到负载的一部分能量。在复杂的符号和频域中,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用图中所示的戴文宁等效来描述。发射天线(戴文宁发生器)的内部阻抗与天线发射时的阻抗相同,如果在其终端没有电动势存在。

因此,可以通过相同天线在发送时可以保持的特性来评估接收天线的特性。在接收和发送的情况下,最常相同的天线可以用作接收和发送,例如用于双向通信的相同天线的情况下的示例。

接收天线的端子跨越的近距离的EMF取决于天线的形状和令人兴奋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
  • 甚高频天线:30 MHz至300 MHz及
  • 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。

扇区天线

这些天线主要在特定区域辐射能量。扇形天线的波束可窄至60度,宽至180度。这些是用于大约5到6公里的有限射程。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。

天线的类型

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。基站用于多点接入,为此目的,它使用扇形天线(集中在有限的区域)或全方位天线(向所有方向均匀辐射)。

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。

基于孔径

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

这些天线被认为是开口的或喇叭的波导。基于喇叭形,扇形喇叭,或金字塔喇叭,或锥形喇叭类型的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镜焦点处的喇叭或偶极子等主天线组成。这种天线的布置意味着反射器可以将平行光线聚焦到焦点上或其他方向;它可以从焦点发出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

这些是专门设计的天线,用于特定应用,如飞机或空间工艺应用,以满足尺寸,性能,重量,安装等的规格,但这些天线的主要缺点是低效率和非常窄的带宽。

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