辐射
E=−∇φ−∂t∂A=4πε01∫[r2ρ(x′,tr)r^+crρ˙(x′,tr)−c2rJ˙(x′,tr)]dV′
B=∇×A=4πμ0∫[r2J(x′,tr)+crJ˙(x′,tr)]×r^dV′
其中,rho˙=∂t∂ρ,J˙=∂t∂J
考虑在导体球壳表面上求他的总辐射功率:
P=R→∞lim∮RE×H⋅dS
dS∝R21,E×H包含R21,R31,R41等项
只有ρ˙,J˙(电荷,电流随时间的变化)才会产生电磁辐射
*时谐场的辐射
ρ(x,t)=ρ(x)e−iωt,J(x,t)=J(x)e−iωt
φ(x,t)=φ(x)e−iωt,A(x,t)=A(x)e−iωt
电荷量守恒定律:
∇⋅J+∂t∂ρ=0⇒∇⋅J−iωρ=0
ρ,J是不独立的
Lorentz规范:
∇⋅A+c21∂t∂φ=0⇒∇⋅A−c2iωφ=0
φ,A不独立
只需考虑J,A
A(x,t)=4πμ0∫rJ(x′,tr)dV′=4πμ0∫rJ(x′)e−iω(t−cr)dV′=[4πμ0∫rJ(x′)eiωcrdV′]e−iωt
其中A(x)=4πμ0∫rJ(x′)eikrdV′,eikr代表由源点x′传播到场点x的相移
- 近似1:场点远离J分布区域,∣x∣>>∣x′∣
记∣x∣=R,r=∣x−x′∣≈∣x∣−x′⋅∇R=R−R^⋅x′
R1=∣x−x′∣1≈∣x∣1−x′⋅∇R1=R1+R2R^⋅x′
A(x)≈4πμ0∫(R1+R2R^⋅x′)eik(R−R^⋅x′)J(x′)dV′
- 近似2:J分布区域的尺度远远小于电磁波的波长
max{∣x′∣}<<λ=k2π
∣kx′∣<<1
e−ikx′⋅R^≈1−ikx′⋅R^
A(x)=4πRμ0eikR∫[1+(R1−ik)x′⋅R^+⋯]J(x′)dV′
第一项:
A(x)=4πRμ0eikR∫J(x′)dV′
*电偶极辐射:
∫J(x′)dV′=dtdP(t)=−iωP(t)
J(x′,t)=Je−iωt,P(t)=P0e−iωt
∫J(x′)dV′=−iωP0
A(x)=4πRiωμ0eikRP0
电磁场:
BE=∇×A=−−iωμ0ε01∇×B=ikc∇×B
在球坐标系下:
BE=−4πε0cP0k3[(kR)2i+kR1]sinθei(kR−ωt)ϕ^=−4πε02P0k3[(kR)31−(kR)2i]cosθei(kR−ωt)R^+4πε0P0k3[(kR)31−(kR)2i−kR1]sinθei(kR−ωt)θ^
- 近区:R<<λ=k2π,kR<<1
BE≈−4πε0cR2iP0ksinθeiωtϕ^≈−4πε0R32P0cosθeiωtR^+4πε0R3P0sinθe−iωtθ^=4πε01R53(R⋅P)R−R2P
与静场分布类似
2. 远区:R>>λ=k2π,kR>>1
BE≈−4πε0cRP0k3sinθei(kR−ωt)ϕ^≈−4πε0RP0k2sinθei(kR−ωt)θ^
以辐射场为主
H=R^×ηE,其中η为真空波阻抗
平均能流:
<S>=Re{2E×H∗}=32π2ε0c3R2∣P0∣2ω4sin2θR^∝sin2θ
考虑总辐射功率
P=∮<S>⋅dS=12πε0c3∣P0∣2ω4∝ω4
- 过渡区:R∼λ
E,B介于近区和远区之间
*短天线(L<<λ)
这里应该有一张图
I(z,t)=I0(1−L2∣z∣)e−iωt,∣z∣<2L
电偶极矩振幅:
P0=−iω1∫J(x′)dV′=2ωiI0Le^z
总辐射功率:
P=12πηI02(λL)2=2I02Rrad
其中Rrad=6πη(λL)2为辐射阻抗
不妨设λL=0.01,Rrad=0.02Ω
*半波天线(L=2λ)
I(z,t)=I0coskze−iωt
其中∣z∣≤2L
A(x)=4πμ0∫rJ(x′)eikrdV′
在远场区,r≈R−zcosθ
A(x)≈2πkRμ0I0eikRsin2θcos(2πcosθ)e^z
辐射能流:
<S>∝sin2θcos2(2πcosθ)
垂直于天线方向辐射最大
辐射阻抗:
Rrad≈2.444πμ0c=73.2Ω