|
电磁波的测量
十八世纪到十九世纪，随着许多新的电磁现象的发现，人们开始将原以为互不相关的电和磁联系了起来，思索各种电磁现象和规律间是否存在必然的联系，有着共同的本质和统一的规律性，这一工作最终由麦克斯韦完成。他通过一套电磁学的完整的数学方程式，精确和严格的表述了这些电磁规律，并预言了电磁波的存在：只要存在一个交变电场，该电场即会产生交变的磁场，交变的磁场又会激发交变的电场，依次下去，空间中就有一变化的电磁场以波的形式由近及远的传播。1887年，赫兹以实验证实了电磁波的存在，此后电磁波进入实际应用，并产生了一个新的技术――无线电电子技术。
任何无线电技术设备都是通过电磁波来传送信号的，它必须借助天线来辐射或接收电磁波，同时天线的辐射（或接收）性能并不是在所有的方向都一样，即具有方向性。
偶极子辐射的方向特性
空间电磁波的场源是天线上的时变电流和电荷。天线分线天线和面天线，其中线天线的辐射体由横截面半径远小于波长的金属导线构成。对称振子是最基本的线天线形式，类似于取消 限制的电偶极子，故也称偶极天线，其周围空间按场点与场源的距离分近区场和远区场。近区场是距离远小于波长的区域，该区域内没有电磁能量向外辐射，也称束缚场或感应场；远区场是远大于波长的区域，该区域电磁能量向外辐射，辐射方向为半径方向，故该场也称辐射场。
实验原理
1 对称振子的电流分布与远区场
对称振子由一对等长度的直导线的构成，在中间的两个端点馈电。导线单长 ，全长 。当在中间点馈以高频电动势时，在振子的两臂产生一定的电流分布，由此在周围空间激发电磁场。令z轴与振子重合，取馈电点为坐标原点，高频电流在细对称振子上的分布为：
 ( )
即振子上的电流为驻波分布（ 为常数），不同的点，不同的电流振幅，两端点处( )电流等于零。振子上电流的瞬时表达式是
在球坐标中，其辐射场可表示为
磁场与电场的关系：
对称振子中常用的是全长 的半波振子，其远区辐射场为：
其中 ， 为媒质的介电常数。可见，对称振子的辐射场是一个球面波，其等相位面是以振子中心为球面，半径为常数的球面；电场只有 分量，磁场只有 分量，是横电磁波（TEM波）； 不同，辐射场强值不同，在垂直于天线轴的方向（ ，辐射场最强，沿着天线轴的方向（ ，辐射场为零，即天线的辐射具有方向性。
2 对称振子的方向性函数及方向图
天线的作用是辐射和接收电磁波，任何实际天线的辐射都具有方向性。离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁强度在空间的相对分布情况的数学表达式，称为天线的方向性函数。用图形表示，即为天线的方向图。天线的辐射场分布于整个空间，在球坐标系中，场强随 、 变化，要画出整个的方向图是困难的，通常只画出两个平面的方向图，对于线天线，即为包含振子的平面（称为E平面）和通过振子中心并垂直于振子轴的平面（称为H平面）。
取远区场电场强度表达式中与方向有关的因子作为对称振子的方向性函数，称为未归一化的方向性函数
实际中为了便于绘制方向图，定义场强振幅的归一化方向性函数为
对于半波振子，即为
其E面、H面的方向图如下：
图2.4.1-1 半波振子天线E面、H面的方向图
（左）E面 （右）H面
可以看出半波振子E面的方向图有两个瓣，称为波瓣。通常天线的方向图可能包含多个波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣。如图2.4.1-2所示。主瓣就是包含有最大辐射方向的波瓣，除主瓣外的其它波瓣统称为副瓣，位于主瓣正后方的副瓣也称后瓣。其中主瓣宽度是考虑天线方向性时通常提到的一个电参数。
主瓣宽度，即主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半，或场强下降为最大值的 ）的失径之间的夹角。主瓣宽度越小，说明天线辐射的电磁能量越集中，定向性越好。
图2.4.1－2 天线方向图的波瓣
对于对称振子，由于辐射场的电力线落在子午面内，任一子午面都可视为E平面，而赤道面xoy为H平面，在H面上， ， 是常数，故H面方向图为一圆，即均匀辐射。E面上的方向图则要受到振子长度的影响（如图2.4.1-3），在 的方向（沿z轴）始终没有辐射。
图2.4.1－3 不同臂长的对称振子的E，面方向图
（a）L= （b）L= （c）L= （d）L= （e）L= 
可见，增加振子长度，对方向性的增强是有好处的，全波振子 的主瓣要比半波振子的尖锐，但随着振子长度的进一步增加 ，出现了副瓣，若振子长度继续增加 ，主瓣反而变小，副瓣变大了。原因为1，振子上出现了反向电流，即振子电流的瞬时方向不一致；2，波的干涉效应，反向电流与正向电流再主瓣方向的波发生抵消性干涉。
对称振子的辐射是有方向性的，但它的方向性较弱(主瓣宽度较大)，调整电长度虽然能改变它的方向图，但产生的副瓣使方向性反而变坏。改善的方法通常是采用增加副对称振子，组成天线阵来得到所需要的辐射图形。
3引向天线
引向天线又称八木天线，通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成。有源振子一般为半波振子，在其后面加一个稍长于有源振子的金属管，构成反射器；在其前面，加一个或几个稍短于有源振子的金属管构成引向器，反射器和引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且互相平行。天线的最大辐射方向在垂直于各振子且由有源振子指向引向器的方向。其原因可用定向辐射原理来解释：尽管引向器和反射器是无源振子，但因为有源振子上有电流流动，感应出反电动势，引向器长度比有源振子短，其上因感应电动势产生的电流要比有源振子的电流落后一定的相位，反射器的情况相反，它的长度比有源振子长，因感应电动势产生的电流要比有源振子的电流超前一定的相位，加上具体到空间的一点，电流具的空间行程差，使得合成场强增强或减弱。
通过调整发射振子或引向振子的长度及相邻振子的间距，使各振子电流相位从反射振子到最前一个引向振子依次滞后，从而实现引向天线在前向产生最大振幅。
实验内容
将高频信号调制后，由喇叭形天线向空间发射；一定距离远处放置被测试的天线。在天线所在平面内旋转测试天线，依据接收到的信号，实绘出天线的方向图。该实验理论依据是天线的互易原理，（一个天线用作发射和用作接收时，其方向图、增益和输入阻抗都是相同的）。
思考题
1. 实验中场源为什么是喇叭形天线？
2. 实际使用的天线的外形尺寸比理论值小，分析原因。
3. 将高频信号调制后再进行发射，其原因是什么。
参考资料
电磁场与电磁波 作者： 王家礼等编著 出版日期：2000年12月第1版 页数：287
天线 作者： 朱崇灿 黄景熙 鲁述 出版日期：1996年10月第1版 页数：373
（孙晴） （姚焜 审核）
|
