【文章內(nèi)容簡介】 導(dǎo)中的傳播 ? (3).波導(dǎo)中電磁場的分布 ? 電磁波在波導(dǎo)中反射疊加，使波的結(jié)構(gòu)具有明顯的特點。圖中畫出了某一瞬間合成波的分布圖。 ? 電場的分布規(guī)律 ? 電場是垂直于波導(dǎo)寬壁的，但電場中間密，兩邊稀，在靠近窄壁處電場等于零，即沒有平行于窄壁的電場，這是符合邊界條件的。 ? 磁場的分布規(guī)律 ? 磁場為封閉的環(huán)形曲線，所構(gòu)成的平面與波導(dǎo)壁相平行，也符合邊界條件。磁場始終是與電場相垂直的。 TE10 ? (4)橫電波與橫磁波 ? 在圖中所示的電磁場中，電場始終是與傳播方向垂直的，而磁場則既有與傳播方向相垂直的分量，又有與傳播方向相平行的分量，這樣的電磁波稱為橫電波，記為 TEmn。 ? 這里下標(biāo) m表示電磁場沿寬邊分布的半波數(shù)， n表示沿窄邊分布的半波數(shù)。在圖中（ a）中，電場沿寬邊為半波分布，所以 m為 1；沿窄波沒有變化，所以 n為 0。因此，這種波稱為TE10波． TE10波是矩形波導(dǎo)中最簡單也是最常用的一種波型。 4. 常用波導(dǎo)器件與諧振腔 ? 一、阻流接頭 ? 阻流接頭是兩節(jié)波導(dǎo)之間的連接裝置，俗稱為法蘭盤。它的作用是在連接導(dǎo)體并不直接接觸的情況下，保證兩節(jié)波導(dǎo)之間電氣上的良好接觸。 ? (3)定向耦合器 ? 定向耦合器用以從傳輸能量的主波導(dǎo)中耦合很小一部分能量到副波導(dǎo)中去，以輸往測量儀器或?qū)崿F(xiàn)其他目的。定向耦合器必須保證只有在主波導(dǎo)中的能量按一定的方向傳輸 (例如由發(fā)射機輸往天線 )時，才把能量耦合到副波導(dǎo)中去。而當(dāng)能量傳輸方向相反時 (由天線輸往接收機時 )沒有能量輸往副波導(dǎo)一端的測量儀器，因此稱為定向耦合器。 除了傳輸線之間的電力線以外，還有磁力線存在，圖中“實線”表示電力線，“虛線”表示磁力線。 無線電波的傳播與天線 終端開路的傳輸線上會產(chǎn)生電壓和電流的駐波，電壓駐波在傳輸線之間形成電場，當(dāng)傳輸線的終端不斷張開時，位于邊緣的電力線將發(fā)生弓形彎曲。 在高頻交流電壓不斷作用下，新的電力線環(huán)出現(xiàn)，并將舊的電力線環(huán)推向遠(yuǎn)方，結(jié)果一個攜帶電磁能量的連續(xù)波鏈從張開的傳輸線上產(chǎn)生，并輻射向空間，這就是 電磁波的輻射 。 1．電磁波的相關(guān)術(shù)語 (1)電場、磁場與傳播方向的關(guān)系 空間電磁波在空間任意點處的電場向量與磁場向量始終是互相垂直的，并與傳播方向相垂直，這種電磁波稱為 橫電磁波 。它的傳播方向可以用右手定則來確定：伸出右手，四指指向電場方向，再使四指彎曲向磁場方向，則拇指指向就是電磁波的傳播方向 (2）電磁波相角 在電磁波傳播的途徑上，一個波長的范圍內(nèi)同一時刻的電場強度是不相同的。某點場強的強弱、方向和變化趨勢的瞬時狀態(tài)叫電磁波的相位。 電磁波的相位通常用角度來表示，稱為相角（相位角），常用字母 Φ 表示。波長 λ之間的距離的相位差為 360o。 (3）波陣面 電磁波中相位相同的各點組成的面稱為波陣面。電磁波的波陣面是球面波。在距天線遙遠(yuǎn)的地方，波陣面可以看成是一個平面。 (4）電磁波的傳播速度 電磁波在真空中的傳播速度等于光速 c。電磁波在空氣中的傳播速度略小于光速，但可近似認(rèn)為等于光速。 (5）波的極化 電磁波在空間傳播時，其電場向量是按照一定的規(guī)律變化的，這種現(xiàn)象稱為 電磁波的極化 。電磁波的電場方向稱為它的極化方向。電磁波的極化波有：線性極化與圓極化波、水平極化與垂直極化波等。 2．電磁波傳播的基本規(guī)律 無線電磁波是無色、無味，但又是客觀存在的物質(zhì)，它在均勻媒質(zhì)中以恒定的速度沿直線傳播。在不均勻的媒質(zhì)中（相對介電系數(shù)和相對導(dǎo)磁系數(shù)不等的兩種或兩種以上的媒質(zhì)），不僅電磁波的傳播速度會發(fā)生變化，而且電磁波的傳播方向也會發(fā)生變化，產(chǎn)生反射、折射、繞射及散射 現(xiàn)象。 在電磁波傳播的過程中，電磁波之間將發(fā)生疊加，使電磁波得到加強、衰減或相互抵消。 ? 由于能量的擴散和媒質(zhì)的吸收，電磁波在傳播過程中，能量將逐漸減小，場強逐漸減弱。如電磁波在真空中傳播時，隨著波陣面的增大，將造成能量的擴散；在媒質(zhì)中傳播時，由于媒質(zhì)中帶電粒子在交變電場的作用下同其他粒子相互碰撞發(fā)熱而吸收電磁能等。媒質(zhì)對電磁波吸收的多少，與媒質(zhì)的電性質(zhì)和電磁波的頻率有關(guān)。通常媒質(zhì)的導(dǎo)電性越好，電磁波頻率越高，則吸收越多；反之，則吸收少。 ? 此外，電磁波只能在絕緣體中傳播而不能穿過導(dǎo)體。因為導(dǎo)體內(nèi)部不可能存在交變電場和交變磁場，所以，電磁波不能在導(dǎo)體中存在，當(dāng)電磁波射向?qū)w時將全部被反射。 1）地波傳播 低于 HF頻段（＜ 3MHz）的無線電波沿著地球表面(或海面 )傳播到接收點，因此也稱之為地波（表面波）。中 長 波主要利用地波傳播。 3．電磁波傳播的方式 無線電波的傳播方式可分為 天波、地波、空間波和散射波 。 ? 當(dāng)電磁波沿地面?zhèn)鞑r，地面在電磁波電磁場的作用下會產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于地面是不良導(dǎo)體，所以感應(yīng)電流的流動會使電磁波損耗一部分能量，即地面吸收了電磁波的部分能量。 ? 地面的導(dǎo)電系數(shù)越小，地面損耗越大；另一方面，電磁波頻率越高，損耗也越大。因此，若利用地面來傳播電磁波，則電磁波的頻率應(yīng)盡量低。海水的導(dǎo)電系數(shù)比陸地大，所以電磁波沿海面可以傳播較遠(yuǎn)的距離。 ? 地波（表面波）的最佳輻射波是垂直極化波，使用頻率一般低于 2 MHz。 （ 2）天波傳播 天波射到 60～ 200英里高空的電離層時，將發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。電離層可以將天波反射到地球上的幾百英里之外?？蓪崿F(xiàn)了無線電信號的長距離傳播。 工作于 HF頻段（ 3MHz～30MHz）的無線電波 (短波 )主要利用天波傳播。 ? 大氣外層中的氣體分子在陽光中的紫外線照射下，將電離成自由電子和正離子而形成電離化大氣層，稱之為電離層。白天時分為 D, F, F1和 F39。1四層，黑夜 D, E層消失， F1，和 F2合并為 F層。 ? 由于電離層中含有較多的電子和正離子，所以具有一定的導(dǎo)電性，對電磁波傳播會產(chǎn)生較為明顯的影響。 ? 由于不同高度上大氣的成分小同。受陽光照射的程度不同，所以電離層中的電子密度是不均勻的，且該密度隨時間、季節(jié)及太陽黑子的活動向變化。 ? 電磁波進入電離層后，由于電離層的電子密度是不均勻的，因而引起電磁波的折射、連續(xù)折射的結(jié)果可能使電磁波回地面，也可能使電磁波穿透電離而進入外層空間。電離層對電磁波折射的程度與電滋波頻率、電離層的電子密度及入射角有關(guān)。一般講，頻率越高，越不易折射。甚高頻及頻率更高的電磁波幾乎可以直接穿過電離層而進人宇宙空間。電子密度越大，電磁波越易折射回地面；入射角越大，電磁波也越易折射回地面。 ? 電離層密度越大，電離層對電磁波的衰減越大。因此，依靠電離層的折射而傳播的短波白天衰減較大。電磁波頻率越高，具有一定慣性的電子振動的振幅反而較小，所以吸收作用也越小。 （ 3）空間波傳播 工作頻率在 30MHz以上 (VHF 、 UHF頻段 ) 的電磁波 ,由于頻率高，電波會穿透電離層，不發(fā)生反射現(xiàn)象 。同時沿地面?zhèn)鞑p耗大。因此，只能以 直線的路徑傳播 ,稱為直達(dá)波。 也稱為視距傳播。 電視、衛(wèi)星等通訊信號就采用這一傳播方式 (4)電磁波傳播的特點 ① 超長波和長波 （ VLF, LF頻段）：繞射能力很強，地面的吸收很小，所以地波傳播距離遠(yuǎn)；同時，長波和超長波可以有效地被電離層反射，電離層的吸收也很小。利用電離層和地面對電波的多次反射，可使電波傳播到很遠(yuǎn)的地方。因此，超長波和長波的傳播方式以表面波和天波為主。它們傳播穩(wěn)定，傳播距離遠(yuǎn)。 ② 中波 （ MF頻段）：白天電離層對中波吸收較大，因此，白天中波不能用來有效地傳播信號。夜間中波的天波可以比地波傳播得更遠(yuǎn)。中波以地波傳播方式為主。 ③ 短波 (HF頻段）：以天波傳播方式為主。受電離層變化的影響特別明顯，會嚴(yán)重影響電磁波傳播的穩(wěn)定性和通信系統(tǒng)的可靠性。 另外，短波的傳播有時會出現(xiàn)靜區(qū)。 ④ 超短波 ( VFIF頻段）：它的頻率很高，只能以空間波方式傳播。 超短波受天線干擾較小，直線傳播方式的保密性也較好。甚高頻通信與甚高頻導(dǎo)航的信號就是以直達(dá)波的方式在地面設(shè)備與機載設(shè)備之間傳播的。 當(dāng)天線上載有交變電流時，天線就會向空間輻射電磁能，而且通過交變電場和交變磁場的互相轉(zhuǎn)化不斷將電磁波傳向遠(yuǎn)方 天線 天線是輻射和接收無線電波的導(dǎo)體 ,可以等效成張開的的開路線。 ? 從高頻傳輸線的知識中我們知道， λ /4的開路線相當(dāng)于串聯(lián)諧振，其阻抗為零，它本身不消耗能量，最利于電磁波的輻射?？梢姡瑥埥菫?80186。的 λ /4開路線能最有效地向外輻射電磁波。因此，我們把張角為 180186。的 λ /4開路線作為天線或組成天線的基本單元，它是輻射電磁能量的裝置，用于輻射或接收電磁能量。 ? 如果把上述關(guān)于輻射分析中的傳輸線長度定為，那么一對張開的導(dǎo)線就是構(gòu)成了最基本的天線單元。實際上，天線向外輻射的基本原理與電波輻射的過程一樣，其更形象的輻射圖形如圖。 天線的名稱也基本上描述了它的工作特性。例如， 半波振子天線、垂直天線、環(huán)形天線、引向天線 和 平板縫隙天線 等 在不同的無線電系統(tǒng)中，有單獨的發(fā)射天線和接收天線，也有集發(fā)射與接收功能于一身的收發(fā)天線 飛機天線被安裝在機身結(jié)構(gòu)和飛機蒙皮上 天線的長度一般為所接收和發(fā)射電磁波的波長 λ 的 1/41/2 1 1．天線的接收 ? 天線接收電磁波，實際上是輻射的逆過程。輻射電場在一與其平行的天線導(dǎo)體感應(yīng)出高頻電流；輻射磁場在與其垂直的天線導(dǎo)體上感應(yīng)出高頻電流，天線上感應(yīng)出的高頻電流被接收電路接收。 ? 發(fā)射天線和接收天線的外形尺寸完全相同。發(fā)射時完成的是電壓和電流源向電場和磁場的轉(zhuǎn)化過程，接收時完成的是電場和磁場向電壓和電流的轉(zhuǎn)化過程。 ? 發(fā)射天線和接收天線的擺放方向應(yīng)該在同一極化方向上，這樣接收信號最強。 2．天線的輻射方向圖 ? 由于電磁波是無色、無味的物質(zhì)，人的眼睛看不到，因此，為了更好地分析其傳播特點，我們需要借助于方向圖。 ? 如果測量天線周圍各點的輻射電平就會知道，每一點的輻射電平都是不一樣的。通過測量并加以整理就可以找到天線周圍電場的分布情況，我們把這