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电磁辐射的基础知识及其在环评中的应用 电磁辐射的基础知识及其在环评中的应用,,主要内容,2,1. 电磁辐射基础知识2.常用数据3. 电磁辐射环境管理的技术依据4. 雷达实例,1.电磁辐射的基本概念,3,电磁辐射(ElectroMagnetic Radiation),基本定义：能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。 摘自《电磁辐射防护规定(GB)》第6.1条。,4,什么是电磁波？电磁场的一种运动形态。由互相垂直、同相振荡的电场和磁场所构成，传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。,电磁波的发现,麦克斯韦(Maxwell)1865年预测了电磁波，推演了著名的电磁波方程组，推论光波也是电磁波，统一了电和光。,5,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家，经典电动力学的创始人。,海因里希·鲁道夫·赫兹，德国物理学家。,赫兹(Hertz)于1887至88年间，利用莱顿瓶放电产生了电磁波信号，证实了电磁波的存在。,电磁波是客观存在的,电磁波是能量的一种形态，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，温度越高，放出的电磁波波长就越短。举例：左图是宇宙的微波背景辐射，被称为“创世遗迹”等同于2.725k的黑体辐射。频率4080MHz，波长7.35cm。可推断：宇宙的年龄137±1亿年宇宙的组成成分：4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。,6,电磁波谱(ElectroMagnetic Spectrum),基本组成：无线电波(Radio)长波（1000m以上）中波（m）短波（100m~1m）微波（1m~1mm）红外线(Infra-red)可见光(Visible)780nm~380nm肉眼可见的电磁波紫外线(Ultraviolet)x 射线(x-Rays)? 射线(? -Rays),7,电磁波的量子能量,电磁辐射的量子能量：普朗克常数 ? 电磁辐射频率单位是电子伏特(eV)光子能量：100eVx射线能量：103~105ev,8,非电离辐射(Non-ionizing Radiation),基本定义：是指量子能量不能使物质原子或分子产生电离的辐射。紫外线、可见光、红外线和无线电波都属于非电离辐射，即狭义上的电磁辐射。辐射效应：物理效应：改变分子或原子的旋转、振动或价层电子轨态。生物效应：热效应(升温)、非热效应(扰动体内电磁场)和累积效应(长期损害)等。,9,电磁辐射源（天然）,宇宙射线太阳黑子雷电等等……,10,电磁辐射源（人工）,电磁泄漏型,11,微波加热频率为2450MHz,电磁辐射源（人工）,主动辐射型（辐射功率较低）,12,,,电磁辐射源（人工）,主动辐射型（辐射功率较高）,13,广播电视塔,卫星地球站,通信基站,气象雷达站,海事雷达,航管雷达,天线的作用,天线是为了有效地将传输线送来的高频传导电流转变成空间的电磁波或反变换，将空间的电磁波转变成传输线中的信号功率；或者说将发射机的输出功率有效地转换成在自由空间传播的电磁波或将自由空间传播的电磁波有效地转换成接收机输入端的功率。对于简单的便携式移动通信设备，天线往往直接和收发信设备装在一起。在移动通信系统组网中，天线所占的比重虽然不大，但其作用却非常重要。,14,定义：能有效地向空间某特定方向辐射电磁波，或能有效地接收来自空间某特定方向电磁波的装置。作用：能量转换：高频电流?空间电磁波定向辐射/接收： 具有一定的方向性,天线的基础知识—基本概念,15,电流元辐射示意图,天线的基础知识—电流元辐射,电流元（又称电基本振子、电偶极子）它是抽象出来的天线最基本构成单元。其长度l 远小于工作波长? ，其上的电流等幅同相。不同幅度、相位、排列方式的电流元可以构成形形色色的天线。e-jkr称为波动因子，表示沿+r方向的传播。k为相位常数，k=2?/?。,16,,1. 感应场区,特点：①.仅保留了最高阶项。②. e-jkr消失，场与静态电、磁场完全类似。③.电场与磁场相位相差90?，坡印廷矢量为0，无能量向外辐射。,天线的基础知识—电流元辐射,17,2. 远场区,特点：①.天线有方向性。在离开天线一定的距离处，场量随角度变化的函数称为天线的方向性函数，电流元的方向性函数是sin?，如下图所示。②.仅有E?和H?两个场分量，它们相互垂直且相位同相，其坡印廷矢量不为0，表明能量可以向外辐射。。③.电场与磁场都含有e-jkr ，因此辐射为球面波。,天线的基础知识—场区划分,天线场区划分：感应场区辐射近场区辐射远场区,18,特点：感应场区（微波段很小）辐射近场区：电磁场随角度的分布与离开天线的距离有关；天线方向图尚未完全形成。辐射远场区：场的大小与到天线的距离的平方成反比；方向图已完全形成，其形状与距离无关；,方形或圆形口面天线,近场与远场区的分界点：R=2D2/?其中，D是天线孔径的最大线尺寸。,电磁场的远场和近场划分,电磁辐射的测量和评价与点位和辐射源的距离有关，即，所进行的测量是远场测量还是近场测量。由于远场和近场的情况下，电磁场的性质有所不同，因此，要对远场和近场测量有明确的了解。 电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。,19,近场区,近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。即：E= 377H。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。 近区场的电磁场强度比远区场大得多。从这个角度上说，电磁防护的重点应该在近区场。 近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。,20,远场区,在远区场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。在远区场，电场强度与磁场强度有如下关系：在国际单位制中，E=377H，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。 远区场为弱场，其电磁场强度均较小,21,远场和近场的划分,在远区场（辐射场区），可引入功率密度矢量（波印廷矢量） ，电场矢量 、磁场矢量 、波印廷矢量 三者方向互相垂直，波印廷矢量的方向为电磁波传播方向。在数值上，E=377H，S=EH=E2/377。其中电场强度E的单位是(V/m)，磁场强度H的单位是(A/m)，功率密度的单位是（W/m2）,全部是国际单位制(SI)。由公式可看出，在远场区，电场与磁场不是独立的，可以只测电场强度，磁场强度及功率密度中的一个项目，其他两个项目均可由此换算出来。一般情况，关于远场和近场的测量问题可以简化为：国标规定，当电磁辐射体的工作频率低于300MHz时，应对工作场所的电场强度和磁场强度分别测量。当电磁辐射体的工作频率大于300MHz时，可以只测电场强度。300MHz频率相应的波长为1米，λ/6为16cm，16cm之外辐射场占优势。如按3λ的划分界限，距辐射源3米之外可认为是远场区。,22,天线的基础知识—基本参数,方向图分为立体方向图E面方向图H面方向图表征方向性函数F(?,?)3dB波瓣宽度旁瓣电平前后比,23,天线方向性阵图,定向天线：是一种在空间特定方向上具有比其他方向上能更有效地发射或接受电磁波的天线。全向天线：是指在水平面内具有无方向性的、均匀的辐射强度特性，而在垂直面内则具有定向的辐射特性的天线。天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方向辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。通常用垂直平面及水平平面表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示水平波束宽度及垂直波束,24,25,3dB波瓣宽度,,,水平方向波束图 垂直方向波束图天线波束图,天线的基础知识—基本参数,方向性系数天线在远场区最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，一般用D表示。通常取对数乘以10来表示，其单位为dBi（其中字母i表示isotropy）也有以dBd为单位的，dBi=dBd+2.15。,26,天线的基础知识—基本参数,增益天线方向性系数与天线效率的乘积，一般用G表示。通常取对数乘以10来表示，其单位为dB。（注：天线效率是天线辐射功率与输入功率之比。）极化最大辐射方向上电场矢量方向随时间变化的规律。按轨迹形状，可分为线极化（水平和垂直极化）、圆或椭圆极化（右旋和左旋极化）。,27,天线增益,天线增益指天线在最大辐射方向的辐射强度与输入功率相同、理想的无方向性点源天线在同一点的辐射强度之比的对数与10的乘值，通常用dBi表示。天线方向图与增益天线有着密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。,28,天线的基础知识—基本形式,线状天线（全向或定向）,29,天线的基础知识—基本类型,面状天线（定向的）,30,板状天线,抛物面天线,2.常用数据,31,备注：K：103； M：106； G：109,1常见频率范围名称,常用数据及单位换算,33,常见电磁辐射源的频率范围 GSM移动通信基站：900/1800MHz中波广播：535-1605KHz短波广播：4-19 MHz内的部分频段调频（声音）广播：88-108MHz电视：50-92，168-223，471-566，607-958 MHz五个频段家用微波炉：2450 MHz，工业微波炉：915，2450 MHz高压电力设备：工频50Hz，电磁噪声干扰中短波（测量范围0.5-30 MHz）高频感应加热设备（如熔炼炉、淬火炉等）：工作频率几百kHz高频介质加热设备：工作频率几MHz至几十MHz。如塑料热合机27.12，40.68MHz。超短波电疗机：40.68 MHz国际电信联盟(ITU)分配给工科医（ISM）设备的自由辐射频率为13.56MHz，27.12 MHz，40.68 MHz，2.45GHz等。在这些频率范围内的电磁辐射强度不受限制。,,,,2、单位换算（1）,,,,2、单位换算（2）,36,基站的天馈系统,37,说明：前述RFU放大的信号功率要经历DUP（双工合路器）、多级馈线、防雷保护器等的衰减，实际到达天线的信号功率要小于PA的标称功率。,基站的收发天线—天线方向图,38,水平方向图,垂直方向图,1.水平波瓣宽度：60?~90 ?2.垂直波瓣宽度：9?~15 ?3.天线增益：13dB~18dB,基站的收发天线—天线下倾,天线在垂直方向上的适度下倾，可以调节基站信号的覆盖范围。天线下倾方式：机械下倾、电下倾,39,无下倾情况,有下倾情况,机械下倾,40,41,3.电磁辐射环境管理的技术依据,42,技术标准、导则和规定,国家标准：GB，《电磁辐射防护规定》行业标准和规定：HJ/T 10.2-1996，《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器与方法》 HJ/T 10.3-1996，《辐射环境保护管理导则-电磁辐射环境影响评价方法与标准》,43,GB8702标准颁布,环境保护部公告公告 2014年 第63号 为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，保护环境，保障人体健康，防治电磁污染，现批准《电磁环境控制标准》为国家环境质量标准，并由我部与国家质量监督检验检疫总局联合发布。 标准名称、编号如下： 《电磁环境控制限值》（GB ） 按有关法律规定，本标准具有强制执行的效力。　　 该标准自日起实施，由中国环境科学出版社出版，标准内容可在环境保护部网站（bz.）查询。 自本标准实施之日起，《电磁辐射防护规定》（GB 8702-88）和《环境电磁波卫生标准》（GB 9175-88）废止。 　　 特此公告。 　　 环境保护部 日,
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射频电磁场有哪些危害，对人的安全距离是多少？
电磁场对人体健康方面的危害分为躯体效应和种群效应：躯体效应 躯体效应分为热效应和非热效应关于热效应的机理已经了解得比较清楚,人体接受电磁辐射后,体内的水分子会随电磁场的方向的转换快速运动而使机体升温.如果吸收的辐射能很多,靠体温的调节来不及把吸收的热量散发出去,则会引起体温升高,并进而引发各种症状。对非热效应的机理了解还不充分,但确实存在这种效应:即吸收的辐射能不足以引起体温升高但确出现生物学的变化或反应.这类效应包括神经衰弱症候群.据报道电磁辐射也会引起癌症. 种群效应 种群效应不是短时间可以观察到的,也许会使人类变得更加聪明,也许相反使人类的发展受到影响. 电磁场对人体的影响应不同频率的电磁场产生不同的后果，问题中的射频电磁场通常是指电磁辐射中量子能量最小(10-10～10-3ev),与红外线相接的一个电磁辐射波段。射频电磁场对神经系统的影响：接触高频电磁场辐射后，较早便出现嗅阈值增高及暗适应事件延长。据报道长时间接触较高强度的射频电磁辐射后，可能引起脑电图的某些改变。 对心血管系统的影响 ：长期接触高频电磁场，低血压或血压偏低发生率较高。 对内分泌系统的影响 ：上海市对某塑料厂160名接触较高场强的高频介质加热作业的女工进行卫生学调查，发现女工非脯乳性泌乳症状显著增加，月经周期异常明显增多。主要是由于神经-体液的混乱引起。 这些影响的大小关键是射频的能量，通常手机的辐射最大能量为1-2瓦，而基站的辐射一个射频端最大60w。而全向天线的辐射能随距离的3次方成反比，因此衰减是很快的。手机因为贴近躯干，因此对人体的影响远大于基站。
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高频的东西，总会有不少危害的，虽说有人说不危害人体，但被有一个80多岁的国际级老专家跟我们上课时说过，高压输电线都有辐射的，更不用说近距离的电磁波辐射了
射频辐射不同的频率和辐射功率，距离是不同的，你可以看看这篇文章
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中国科技大学：电磁场理论：chap6[1]
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第六章 电磁波的辐射作为信息的载体应用于 通信、广播、电视电磁波作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控研究设计产生能满足各种应用要求的电磁波 能量存在的一种形式时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波电磁波辐射问题主要内容：电磁波的辐射及其计算公式电磁波辐射基本单元的辐射特性天线的一般概念及其主要参数广义 Maxwell方程组及其应用雷达概念及其工作原理6.1 辐射场及其计算公式电荷电流电磁场的分布电磁场、源和边界条件作为整体求解1 电磁场的计算公式GPS卫星天线系统为了突出电磁场辐射的本质，设无界自由空间区域V 上存在随时间简谐变化的电流和电荷，在空间激发随时谐变的电磁场可通过势函数方法获得。rrJ、 Vk&#39;&#39;V dje x pπ4 0 r&#39;rrr rJrA?2j kAArErArBr&#39;rtVV&#39;Va&#39;t&#39;&#39;Va&#39;t,&#39;t,j00edje x pπ4dπ4rArrrrrJrrrrrJrArArBrArrErArBrArrE jt,t,t,tt,t, 0j0 0000 rrArrA t t,t,rrrrrrrrrrrrtVVe&#39;Va&#39;t&#39;Va&#39;t,&#39;&#39;t,j00dje x pπ41d1π410000 jAAtrHrErArH0200j1s ins ins in11ArrAAre?re?re?rrr对于辐射问题，场点远离源区，源激发的电场可利用其与磁场的关系计算。采用球坐标系，源激发电磁场的计算公式为：源在空间激发的电磁场由两部分组成：其一是电荷和电流源直接激发的电磁场，它们与电荷和电流分布相联系。其二是变化的电场与磁场之间相互激发而产生的电磁场，与电场和磁场时间变化率相联系。总电磁场 ＝ 源所激发的电磁场 ＋ 电磁场相互激发的电磁场静态电磁场特点场量与 r 2成反比不能有静态电磁场特点场量只能与 r成反比drddRe21d2?rσσrHrEσrS2 电磁场的三个区域及其特点三个尺度概念：源区的尺度：电磁波的波长：场点至原点的距离 Vk&#39;&#39;V dje x pπ4 0 r&#39;rrr rJrA?&#39;rr 1r&#39;r1r&#39;r1r&#39;r①这说明在源区附近，磁矢势蜕变为静态电磁场的磁矢势。由磁矢势计算得到的磁场必然具有静态场的特点。因此在源区的附近，源激发的电磁场可以采取静态电磁场方法进行计算。这也意味着在源区附近，源直接产生的静态电磁场远大于电磁场相互激发所产生的电磁场。场量与 r2 成反比12 r&#39;rr&#39;rk V&#39;&#39;Vk&#39;&#39;VV dπ4dje x pπ4 00 rr rJr&#39;rrr rJrA10jj ee k r&#39;r②场点与源区的距离大约在一个波长的数量级，在这个范围中，源直接产生的场与变化电磁场相互激发所产生的电磁场同时并存，量级上相当。在这个区域中，既有变化的电磁场相互激发形成的电磁波，将源的能量以电磁波形式辐射出去。同时也存在不向外辐射的静态场，将源提供能量的一部分存储在空间中，这一区域称为感应区。1 r&#39;r③,场点远离源区。由于源直接激发的电磁场与 r2成反比，所以 在这个区域中，源直接激发的静态场远小于电磁场相互激发而形成的电磁场。电磁场主要以波动形式将源的能量辐射出去。这一区域称为远场区，或者称为辐射区域。 场量只能与 r成反比。1r&#39;r 1111 rrrr,3 磁矢势的多极矩展开首先分析磁矢势被积函数中各因子对势函数贡献的大小。 振幅项 相位项r&#39;rrrrJrA k&#39;V&#39;Vje x pdπ4 0?xkkxxxxkxxxkxxkxxxδj1je x p1δje x p1δ11je x p1je x pδ1 振幅项微小变化导致误差的量级相位项微小变化导致误差的量级结论：对远场区（ r很大）振幅的微小变化对最后结果影响很小，而相位项的微小变化对结果影响大。所以在磁矢势中，对于振幅因子取零级的近似，对相位因子保留一级近似kr?krrk&#39;kr&#39;&#39;&#39; r&#39;rrrrrrrje x pc o s2je x pje x p1122?rArArArrrrr&#39;Jr&#39;JrA rr2102j0jj0dj21j14d4V...&#39;?k!&#39;?kreVereVkr&#39;?kVkr得到： krer j00 π4j PrA PPrrrJ?jdddddd tVqnt &#39;V&#39;Vii iV mrDrJr&#39;rrr&#39;r&#39;rJr&#39;rr&#39;rrr&#39;r&#39;rJ r &#39;Jr&#39;J r &#39;Jr&#39;rJr&#39;rr&#39;rJV?VtV?VttV?V?V?VVVVVVV61d21d3dd61d21ddddd21d21dd其中 DrmrDrmrrA61jπ4jdd61π4j jj1erkt?erk krkr上述结果说明：小区域时变电流体系在远的电磁场为源中电多极矩和磁多极矩激发电磁场的叠加。电四极矩与磁偶极矩激发电磁场的能力为同一量级。进一步还可证明，电多极矩激发电磁场的能力高于同级的磁多极矩。利用求得的磁矢势可以求得体电流激发的电磁场，其辐射场在计算过程中必须把静态电磁场部分分离出来。6.2 电偶极子天线1 电偶极子天线结构能向空间辐射和接收电磁波的装置称为天线，是无线电设备的一个重要部件。天线通过其上随时间变化的电流在空间激发的变化的电磁场，从而辐射电磁波。发射机（时变电信号）导体rJ导体上电流的大小和相位分布是不均匀的和时变的接 地偶极子天线结构LLa作为一种近似的处理，设导线元上的电流只有z分量，其分布函数为,根据电流连续性原理，在电偶极子天线的两个端点，将同时积累大小相等符号相反的时变电荷，利用电荷与电流之间的关系得到,202je x p0Lz,Lz,tIe?t,z?rJ 0LIze? zrJLQz?ttLtQe?tLtIe?IQeIeQttQdttIeezztt0000j0j0ddddjdddPP2 电偶极子天线的电磁场设天线位于自由空间的坐标原点，其磁矢势为：krr LIe?Vk zVje x pπ4d4 je x p 000 rr rrrJrA krekrkrLkIe? j22001jπ4s in1rArHkrkrrekrkrkrLkIe?ekrkrLkIe?j32030j320300j1jπ4c o s2j1π4c o s2j1rHrE近场电磁场区 1je x p1 kr,kr2020300300300300π4s i nπ4s i nπ4s i njπ4s i nπ4c o s2jπ4c o s2rLIrLIHrLIrPErLIrPEeerLILQP e?000 j记电磁场相位差 0Re21 rHrErS 为虚数从近区电磁场的表达式看到，电场与磁场始终保持的 相位差，其 Poynting矢量的平均值恒为零，没有能量向外部输运。因此在源区附近，电磁场为静态电磁场的特点 。π50.这正是电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场。因此尽管电偶极子上的电流是时变的，它在近区激发的电磁场仍具有静态电磁场特点。这说明，在电偶极子附近，时变电磁场之间相互激发是产生具有波动特点的电磁场，比电荷和电流直接激发不具有波动特点的静态场要小得多。3 远区辐射场及其特点当场点位于远场区，其电磁场的结果为：这是一个与近区具有完全不同性质的电磁场krrLIEkrrLIHje x ps in2jje x ps in2j000020300300π4s i nπ4s i nπ4c o s2rLIHrPErPEeer远区的辐射场有如下特点：① 电磁场的瞬时表达式为：其等相位面方程为球面，其方程是：在等相位面上，电场和磁场的幅度相同，相位为同一常数，且 为沿径向向外传播的球面波。波在空间传播的速度为：2πc o ss i n22πc o ss i n20000krtrLIEkrtrLIHCkrtcktrv tp000Δ1ΔΔlim② 电磁波在空间传播方向上既没有电场分量、也没有磁场分量，电场、磁场和传播方向相互垂直，为横电磁波（ TEM）在与传播方向相垂直的平面内，电场或磁场矢量末端的轨迹为直线，是线极化（偏振）地面电磁波。传播方向 HE1 2 0000HE③ 电偶极子远区辐射场具有方向性。在同一半径的球面上，不同方向辐射场的强度随方位的不同而变化，所以电偶极子远区场是非均匀的球面波。场强度随方向变化的曲线（归一化）：sin天线辐射场规一化了的方向图为什么在电偶极子轴线方向没有电磁波的辐射？④ 利用 Poynting 矢量的定义，求得周期内平均能流密度矢量为：r?rLIEr?HEr?HE220220201s i n2211Re2Re2Re21S能流密度矢量沿球面径向向外传输，具有方向性，不同的方向能流密度不同，这意味着空间的某些方向上能流密度大，另一些方向上能流密度小，甚至某些方向上能流密度为零。4.天线的辐射功率与辐射电阻在单位时间内通过半径为 r的球面向外传播的电磁能为：P 是一个与球面半径无关的常数，即在单位时间通过任意半径球面向外传输的能量（功率）是相同的。根据能量守恒定律，这部分能量的确是天线以电磁波的形式所辐射 。222040220π8021dds i n221dLILI,,rPSsσS由于能量不断向外辐射，要保证辐射进行下去，必须提供能源，如发射机。设天线是理想的天线(没有损耗 )，发射机与天线匹配，发射机供给的能量全部被天线辐射出去，天线可以看作一个两端网络，其辐射能力可应用二端网络的等效电阻表征，称为天线的辐射电阻，是衡量天线辐射电磁场能力的重要参量。发射机发射机rR|in 理想天线ZrR在实际中，输入阻抗并不完全等于辐射电阻，这是因为输入到天线上的能量并不完全被辐射，还包括天线导体的热损耗、天线近场储存的能量，使得输入阻抗并非是纯电阻。只有理想天线：2220ininin π802|?LIPRIUZr理想天线22222250π802501LR,.L;LR,.Lrr、、例：6.3 小电流环 ― 磁偶极子天线1 小电流环天线结构电流环上通有随时间谐变的电流，电流的振幅为恒量，数学上可表示为：如果电流环半径很小，考虑到是随位置变化的，将其在球坐标系中表示，即磁矢位&#39;e?&#39;e?&#39;e?azIazIe?rc o ss inc o ss ins in00rJ &#39;Re&#39;e?aI&#39;Re&#39;e?&#39;e?&#39;e?aI,,r kRkRrdc o sπ4dc o ss i nc o ss i ns i nπ4jπ2000jπ2000Ae?e?e?re?&#39;errkareRe krkrkR c o ss i n1j j2jj s in1jπ4 2j00 rrkesI,,r krA2j20j201j11π4s i nj11π2c o sjkrkrerskIHkrerskIHkrkrrkrerskIEEEkrrj11π4s in0j2000?rArH01rHrE 0j1近场区电磁场 远场区的辐射场 1je x p1 kr,kr203030π4s i njπ4s i nπ4c o s2rskIErsIHrsIH rkrkrerskIHerskIEj20j0020π4s inπ4s in1kr其磁场正好是第三章中小电流圆环（即磁偶极子）产生磁场的表达式与电偶极子远区场相比，除电场和磁场的极化方向互为置换外，特性类似利用辐射电阻的定义，得到小电流圆环（磁偶极子）的辐射电阻是2242π0202020π320ds i nπ2Re1d22srHEI,,rIIPRsr sS【 例 】 设导线的长度为 1米，求制作成圆环和电偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为 1MHz222 10880π80,LRr? 8224201,sI PR r?电偶极子天线 小圆环天线计算结果表明，同样频率、同样长度的导线制作成小电流环天线的辐射阻抗远小于制作电偶极子天线的辐射阻抗。这说明小电流环天线辐射电磁波的能力远小于电偶极子天线。其原因何在？4 小电流环与磁偶极子等效在静态电磁场中，恒定小电流环可用磁偶极子等效。在时变电磁场中，置于坐标原点的磁偶极子的磁矢势 〔 参考（ 6-1-12)式 〕 为： s inπ4jπ4j j0j0 krkr ermke?er?k,,r mrAme? z?m其远区电磁场为：krkr ermkHermkE j2j002π4s inπ4s inkrkr erskIHerskIE j20j0020 π4 s inπ4 s in小电流环6.4※ 天线的一般概念天线是专门用于发射和接收电磁波的装置。为了适应各种不同要求的电磁波发射和接收，必须对天线发射和接收电磁波的特性进行设计 ― 天线理论与设计。① 天线发射和接收电磁波方向特性② 天线发射和接收电磁波的阻抗特性③ 天线发射和接收电磁波的极化特性④ 天线的电磁兼容性1 半波长振子天线电偶极子是理想的天线模型，因为实际工程应用中不存在幅度恒定的电流元。半波振子天线是实际天线模型。所谓半波振子天线是长度为半个波长的线天线。2馈电点zIzdcoszRrz电流分布曲线当天线在馈电点加上时变电信号时，实验表明天线上的电流近似为驻波分布，两端点为电流的节点，中心点电流幅值最大。天线上电流幅度函数近似为：由于电流是空间位置的函数，所以不能简单的把它当为电偶极子天线来看待 。 但天线上任一小微元 上的电流可视为常量，该微元可视为电偶极子。因此整个半波振子天线可以分割为多个首尾相联的电偶极子天线的叠加。 4c o s0 zkzIzI,zdkRRzs k zI je x ps in1dco2jd000EkRRkzzIjE je x ps i n1c o sd24400krrIE je x ps i nπ22π c o sc o sj 00?co sZrRrR ；相位项：对振幅项：krrθIH je x ps i nπ22π c o sc o sj 0?场强度的归一化函数（方向图）是2π c o sc o ss in1?F s i n?F由于干涉效应，在有些方向上，叠加得到加强。有另外一些方向上，叠加结果减弱。使得半波振子辐射场的能量更为集中。单位时间内辐射的能量（功率）为：π4221dc o s18ds in2π c o sc o sπ8200π20200π20π0222200I.yyyIΩIP 734)42(30π42 020.I PR r?2 天线的基本特性参数电偶极子、小电流圆环和半波振子天线辐射场具有共同的基本特性。对于一般的天线，无论其结构如何复杂，它们都有与电偶极子相类似的辐射场结构，即：krrLI? jje x ps in121 000E电偶极子任意天线 ＝ 极化 &#183;幅度 &#183;电流 &#183;结构 &#183;距离 &#183;方向性 &#183;相位其中极化因子：表示天线辐射场的偏振方向幅度因子：表示辐射场的常数因子电流：为馈电点的电流幅度，与发射功率相联系结构因子：天线体空间几何结构距离因子：是指天线相位中心点到场点的距离，表征球面波能量的扩散方向因子：表示天线辐射场的空间分布的特性相位因子：表示天线与场点之间的相位差（ 1）天线方向性函数 D天线在空间辐射电磁波具有方向特性，在某些方向上辐射能力强，而在另外一些方向上，辐射能力弱。利用天线的这一特点实现电磁波信号的定向传输。天线的方向性函数 D定义为：单位立体角辐射功率与单位立体角平均辐射功率之比。ΩPddπ4Ps,Fdds i nπ42,F,F,Fr,Sr,SPΩP,Dss22222dds i nπ4dds i nπ4π4dd方向性系数是天线在空间辐射电磁波能量最强的方向在单位立体角所辐射电磁波能量与单位立体角平均辐射电磁波能量之比表征天线在空间不同方向上辐射电磁能量强弱程度方向性系数(2)天线的增益函数 G对理想天线，输入功率也等于天线的辐射功率。但在实际工程应用上，输入能量并不完全被天线辐射出去，真正用于电磁波辐射的能量是输入功率的一部分。如果天线天线的效率为,天线辐射的功率为,天线的增益函数 G定义 为,F,DP P,G 2in π4ddinPP天线输入功率不完全被辐射的主要原因有：① 天线阻抗与发射机不匹配，导致电磁波被反射回发射机；② 部分变为天线近场的电磁能量；③ 部分被天线体的非理想导体而热耗散；发射机输入总功率辐射电磁波总功率inPP（ 3）波束宽度天线的方向性图呈现许多花瓣形状，一般由主波束和若干个副波束组成。定义主波束两侧方向性函数为最大值一半（ 称为半功率点）的两点之间的夹角为波束宽度π02222222ds i n2π c o sc o ss i n2π c o sc o s2ds i n2π c o sc o ss i n2π c o sπ c o s4sΩ,D641ds in2π c o sc o s21π02.?半波振子天线：0H P B W 78（ 4）天线的输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线的输入阻抗一般为复数，实部称为输入电阻，与天线辐射电阻和热耗散相关；虚部为输入电抗，与储存在天线近区中电磁场的功率相关。AAA XRIVZ | j输入端VI3 互易性原理 ― 天线有效截面积天线既可以用作电磁波的辐射器，也可以用作电磁波的接收器。 理论上可以证明同一副天线，其发射和接收具有相同的方向图。 即天线的辐射和接收具有互易性。天线用作接收时，设天线从来波中截取电磁波能量的功率为 P，来波的能流密度为,其比值相当于天线从来波中截获电磁能量的面积，是衡量天线作接收时一个重要的参数。,S 4,DSP,A e ＝,D,A e π4 2?6.5 广义 Maxwell方程1 Maxwell方程组的对偶性质无源区中的 Maxwell方程组，按如下方式组合ttEHHHEE00，t,tEHHEHH,EHEE00数学上称这种具有相同形式，并能够通过变量相互替换从一组方程得到另一组方程的两组方程为对偶方程，对应的量称为对偶量。容易证明两组互为对偶的方程，其解也具有对偶性。因此利用对偶原理可以使对偶问题的求解得以简化。2 广义 Maxwell方程在有源区,Maxwell方程是不对称的，其原因是自然界还没有发现类似于电荷的磁荷，也没有发现类似于电流的磁流。如果引入假想的,磁荷,和,磁流,,其激发的电磁场与电荷和电流激发的电磁场相互对偶，则推广后所得到的 Maxwell方程就具有对偶性。m? mJ：假想的磁荷密度,假想磁流密度 0mm t,tt,rrJ?磁荷守恒定律：ttEJHHHJEEemme，，ssssn?n?n?n?e12m12m12e12JHHBBJEEDD，，广义Maxwell方程假想的,磁荷,和,磁流,不可能是随意的，必须建立在合理的理论基础之上。3 广义 Maxwell方程的对偶性meme HHHEEE,t,t,eeeeeeee0EJHHHEEssen?n?n?n?ee1e2e1ee1e2e12e00JHHEEBBDD2t,t,mmmmmmmm 0EHHHJEE00m1m2ms1m2ms1mm2m1m2HHJEEBBDDn?n?n?n?m,memememe,JJ,EH,HEQLe? z?eP3e3eπ4s i nπ4c o s2rPe?rPe?r?E 3m3mπ4s inπ4c o s2rPe?rPe?r?Hmm Pe? z?PeQeQ?mQmQ?在谐变电磁场中，坐标原点 z向电偶极子的辐射场为通过对偶变量替换，得到置于坐标原点的 z向磁偶极子的辐射场为：krrLIEkrrLIHje x ps in2jje x ps in2j000e0ekrrLIHkrrLIEje x ps in2jje x ps in2j00m0m0LI 0eLI 0m将磁偶极子辐射场公式与小电流环辐射场公式比较，其极化、结构、距离,方向性、相位等因子完全相同，具有完全相同的辐射场特性。因此小电流圆环与磁偶极子的等效，比较幅度常数得：krkrerskIHerskIEj20j0020π4s inπ4s inkrrLIHkrrLIEje x ps in2jje x ps in2j00m0m0sILI 00m j4 时变电磁场的镜像原理镜像方法是求解静态电磁场十分有效的方法，当电磁场是时变的，镜像原理是否仍然有效？tEit将时变电磁场在时间上离散，在每个很小的时间间隔中，场的变化很小，可视为时不变电磁场。每一瞬时电磁场可视为稳态电磁场，稳态场中的镜像方法完全可以应用。把时变电磁场分解为由不同瞬时电磁场的叠加，就像电影中一个时间连续变化的动作由多个静态的镜头组合一样，而每一个瞬时电磁场可视为稳态电磁场，稳态场中的镜像方法完全可以应用 。电偶极子 磁偶极子电偶极子为相距一定距离的正负电荷磁偶极子为小电流矩形环，矩形电流环为首尾相接的四个电偶极子系5 广义 Maxwell方程的应用 ― 缝隙天线磁荷和磁流的引入完全是数学上的假设。要使这种假设具有实际应用价值，必须给磁荷和磁流以实在的意义。如前面例子中利用小电流圆环与假想的磁偶极子等效，得到了空间磁偶极子概念。但在等效的过程中，一个自始至终的原则是两者激发电磁场的结果是相等的。这也是获得等效磁荷与磁流的基本方法。下面我们通过缝隙天线的例子介绍磁荷与磁流的等效方法。缝隙天线：tUU?jex p0?,dLtEe? x?jex p0?E 00 UdE?导体上半空间yz0j0j000y,,EHHHEE222200 Ly,dx,dUe?Ly,dx,n?zELd假设缝隙天线在上半空间的辐射场可以等效为磁流在上半空间产生的场，它满足的方程应为：t,t,mmmmmm00EHHHEE 0m1m2ms1m2 HHJEE n?,n? m由于上半空间无源，导体平板表面缝隙在上半空间的辐射场可以等效为导体平板面缝隙处的磁流在上半空间的辐射。00m Ue?dEe?e?Ie? zxxyl LIe? z 0mm?PkrrLUHkrrLUEje x ps injje x ps inj0000krrLIHkrrLIEje x ps in2jje x ps in2j00m0m0置于坐标原点的 z向磁偶极子的辐射场缝隙天线在上半空间辐射场6.6※ 雷达（ Radar）的基本概念1 雷达的基本概念1922年，意大利科学家 G&#183;马可尼发表了无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的基本概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。雷达的英文RADAR是 Radio Detection And Ranging的缩写，意为,无线电探测和测距,。雷达系统由发射机、天线、接收机、信号处理机和显示系统。雷达天线把发射机按照一定目的要求产生的电磁波能量射向空间某一方向，空间目标被雷达波照射并反射或散射电磁波。这些载有目标的信息（如距离、方位角、运动速度等）反射或散射波被雷达天线接收，送至雷达接收机进行处理，提取有用信息。2 最大探测距离和目标的距离测量目标的距离由雷达发射电磁波脉冲与接收目标散射回波的时间差 和电磁波传播速度确定tcR 21最大探测距离：由脉冲时间间隔与电磁波速度确定。TcTR 21m a x?3 目标方位与相控阵天线概念目标在空间的方位由雷达天线接收空间电磁波的方位或者通过阵列信号处理方法确定。要想准确测量目标的方位，方法之一是使雷达接收天线具有很窄的方向特性，它只能接收空间某个确定方位内的散射回波，而在该方位以为外，雷达天线接收能力很弱小或不能接收。方法一：形成很的窄的波束方法二：通过天线接收目标回波信号处理相控阵天线是获得窄的辐射或接收波束的关键技术，它由多个天线单元（如振子天线）组成。通过对不同单元天线初始相位和幅度的控制，实现多单元天线发射或接收的电磁波在某个方位上干涉叠加得到加强，另一些方位上干涉叠加减弱，从而实现天线的窄波束，并通过单元天线初始相位和幅度的控制，实现波束在空间的扫描。光栅光强分布图形1j2j3j21NN eeerErErErErE N...,,nnn 321jex p0rErE单元天线接收到的电场相控阵系统对单元天线 n 产生的控制相位雷达接收 方向散射电磁波的电场是所有单元天线接收电场的叠加： 0s i n1 kdnnXNNeXNXNNeee21j01j2jj02s in2s in1 000rErΕrE如果希望波束的指向为 0使 s i ns i nπ2 0 dX2s in2s inXNXNf?当,,0 0?X 10f天线在0 方向接收电磁波能流密度为：rrHrEr 02ma xRe21 SNSf0 707021,f波束宽度LNd.504 目标运动速度的测量 ― Doppler原理当波源与观察者之间存在相对运动时，观察者接收电磁波的频率与不存在相对运动时电磁波的频率不同。当它们相互靠近时，频率增加；相互远离时，频率减小。这一现象称为 Doppler效应，频率改变量称 Doppler频移。如果目标处于静止，雷达接收目标回波信号的时间完全由目标的位置确定，雷达接收机检测到的相位改变量是：tftkckR 02200π2? ftRv tfftvftvckRt rr 00 π22π222rvf 2 00π2 ffttv?tc?21根据相对论原理，波源与观测者存在相对运动时，不同惯性坐标系中，波传播的相位保持不变性 。v tfftvftvckkRt rr 00 π22π222rvf 200π2 ffttv tvc 221
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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.}