磁偶极子天线的近区场计算

磁偶极子天线辐射场磁偶极子天线是一种用来辐射电磁波的天线类型。

它由一个磁体偶极子和一根导线构成，通过电流的流动在天线上产生磁场，从而辐射出电磁波。

磁偶极子天线辐射场具有一定的特性和特点。

磁偶极子天线辐射场具有方向性。

由于磁偶极子天线是通过电流产生磁场来辐射电磁波的，因此其辐射场的方向与电流流动的方向相关。

根据右手定则，当电流流动方向与磁偶极子天线的轴线方向相同时，辐射场沿着轴线方向辐射；当电流流动方向与轴线方向相反时，辐射场则沿着轴线相反方向辐射。

这使得磁偶极子天线可以实现辐射方向的控制。

磁偶极子天线辐射场的辐射强度与频率有关。

根据辐射功率的表达式，辐射功率与电流的平方成正比。

而电流的大小与频率有关，当频率较低时，电流较大，辐射功率也较大；当频率较高时，电流较小，辐射功率也较小。

这说明磁偶极子天线辐射场的强度与频率之间存在一定的关系。

磁偶极子天线辐射场的辐射范围也是有限的。

根据辐射场的传播特性，辐射场的功率密度随着距离的增加而减小。

当距离远离天线时，辐射场的强度会逐渐减小，直至无穷远处，辐射场的强度非常微弱。

因此，在实际应用中，磁偶极子天线的辐射范围是受限的，需要根据需求进行合理的布置和设计。

磁偶极子天线辐射场还具有极化特性。

极化是指电磁波的电场振动方向。

对于磁偶极子天线辐射的电磁波来说，其电场和磁场振动方向垂直于辐射方向，因此其极化方式为垂直极化。

这种极化特性在通信和雷达等领域中具有重要应用价值。

磁偶极子天线辐射场具有方向性、与频率有关、辐射范围有限以及具有特定的极化特性等特点。

在无线通信、雷达系统等领域中，磁偶极子天线的辐射场特性对于信号的传输和接收起着重要的作用。

因此，对于磁偶极子天线辐射场的研究和应用具有重要意义。

围绕着天线的场可以划分为两个主要的区域：接近天线的区域称为近场或者菲斯涅耳（Fresnel）区，离天线较远的称为远场或弗朗霍法（Fraunhofer）区。

参考下图，两区的分界线可取为半径R=2L2/λ (m)其中，L是天线的最大尺寸（米），λ是波长（米）。

在远场或弗朗霍法（Fraunhofer）区，测量到的场分量处于以天线为中心的径向的横截面上，并且所有的功率流（更确切地说是能量流）都是沿径向向外的。

在远场，场波瓣图的形状与到天线的距离无关。

在近场或者菲斯涅耳（Fresnel）区，电场有明显的纵向（或者径向）分量，而功率流则不是完全径向的。

在近场，一般来说场波瓣图的形状取决于到天线的距离。

如果如下图所示用想象的球面边界包裹住天线，则在接近球面极点的区域可以视为反射器。

另一方面，以垂直于偶极子方向扩散的波在赤道区域产生了穿透球面的功率泄漏，就好像这个区域是部分透明一样。

这导致了天线附近的能量往返振荡伴随赤道区域的向外能量流的情况。

外流的功率决定了天线辐射出去的功率，而往返振荡的功率代表了无效功率——被限制在天线附近，就像一个谐振器。

对于一个二分之一波长的偶极子天线，某一个瞬间能量被储存在靠近天线末端（或最大电荷区）的电场中；而过了半个周期后，能量被储存在靠近天线中点（或者最大电流区）的磁场中。

注意：虽然有时使用“功率流”一词，实际上是“能量”在流动。

功率是能量流对时间的变化率。

这就像常说的付功率账单，其实是为电能买单。

通常，天线周围场，划分为三个区域：无功所场区，辐射近场区和辐射远场区。

射频信号加载到天线后，紧邻天线除了辐射场之外，还有一个非辐射场。

该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。

在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。

超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。

无功近场区：又称为电抗近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。

目录目录 (1)1、课程设计的目的与作用 (2)1.1、设计目的： (2)1.2、设计作用： (2)2、设计任务及所用Maxwell软件环境介绍 (2)2.1、设计任务 (2)2.2、Maxwell软件环境： (3)3、电磁模型的建立 (4)3.1、建模 (4)3.1.1、创建线圈 (4)3.1.2.创建计算区域sphere1 (6)3.1.3.创建激励电流加载图 (7)3.2.设置激励 (8)3.2.1.设置辐射边界Radiation Boundary (10)3.2.2.将sphere1的半径表示为l的函数 (10)3.2.3.设置表面剖分的近似原则 (12)3.2.4.Maximun surface deviation (12)3.2．5.Maximun normal deviation (13)3.2.6、Aspect ratio (13)3.2.7、创建计算区域的外表面 (13)3.3、设置计算参数 (13)3.4、设置自适应计算参数 (14)3.5、Check & Run (14)3.6、计算辐射电阻 (15)3.6.1、创建平均Poynting矢量的计算表达式 (15)3.6.2、求边界上的辐射功率 (16)3.6.3、计算辐射电阻 (17)3.7、查看辐射边界上的Poynting矢量图 (18)4、电磁模型计算及仿真结果后处理分析 (18)5、设计总结和体会 (19)6、参考文献 (20)1、课程设计的目的与作用1.1、设计目的：电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算复杂，将Maxwell软件引入教学中，通过对典型电磁产品的仿真设计，并模拟电磁场的特性，将理论与实践有效结合，强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用，提高教学质量。

1.2、设计作用：磁偶极子天线的近区场计算。

让我们更好的理解与掌握Maxwell这个软件的作用，提高了我们的耐心，同时能看见电场线仿真出来的效果，使我们更加清楚电场线的分布。

电磁场与电磁波实验报告实验四班级：通信2班姓名：闫振宇学号：1306030222日期：实验4 涡流场问题实例：磁偶极子天线的近区场计算1. 实验目的和任务a.学习软件Ansoft maxwell 软件的使用方法；b.通过软件的学习掌握运用Ansoft Maxwell 进行边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻计算的流程；c.理解并掌握辐射边界的使用。

2. 实验内容1)磁偶极子线圈的近区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻；2)会用Ansoft Maxwell 后处理器和计算器对仿真结果分析；3)恒定磁场力矩计算。

3. 实验原理磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。

具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子。

磁偶极子受到力矩的作用会发生转动，只有当力矩为零时，磁偶极子才会处于平衡状态。

利用这个道理，可以进行磁场的测量。

但由于没有发现单独存在的磁单极子，故我们将一个载有电流的圆形回路作为磁偶极子的模型。

利用磁偶极子模型计算给定区域内的涡流场问题。

4 实验步骤4.1 建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D Design选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Eddy current设置几何尺寸单位：Modeler > Units > Select Units: m (meters)4.2 创建线圈Draw>Torus中心点：（0,0,0）输入线圈的内径：（0.0095,0,0）输入线圈的外径：（0.001,0,0）将材料设置为Copper重命名为：coil4.3 创建计算区域RegionDraw>Sphere中心点：（0,0,0）输入球形计算区域的半径：（0.06,0,0）材料设为vacuum图4-1 仿真模型4.4 创建激励电流加载面（Create Section）Select coilModeler > Surface > SectionSection Plane: YZ平面Modeler > Boolean > Separate Bodies（分离两Section面）Del 删除1个截面将剩下的1个截面重命名为“current”4.5 设置激励（Assign Excitation）选中线圈截面：currentMaxwell 3D> Excitations > Assign > CurrentValue: 1.414Type: soild4.6 设置涡流效应和位移电流存在区域Maxwell > Excitations > Set Eddy Effects图4-2 设置涡流效应和位移电流存在区域4.7设置辐射边界Radiation Boundary将region的半径表示为的函数选中Region下的Create sphere将半径radius改为：lambda/4+0.01 (m)添加变量lambda的定义为：c0/frequ这里c0表示真空中的光速添加变量frequ的定义为：1.5GHz图4-3 设置变量结果图按f 键，改为面选择4.8 选中Region的外表面Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation…4.9 设置表面剖分的近似原则选中外表面Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation…Maximum surface deviation：ignoreSet maximum normal deviation (angle)：15 degSet aspect ratio：104.10 创建计算区域的外表面选中Region区域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face将该面重命名为Outside4.11 设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix4.12 设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup最大迭代次数：Maximum number of passes ：5误差要求：Percent Error: 10%频率设置：Solver > Adaptive Frequency: 1.5GHz5.检查并运行Check & Run6.计算结果6.1 计算辐射电阻创建平均Poynting 矢量的计算表达式⎭⎬⎫⎩⎨⎧*⨯=→→→H E p Re 21Maxwell 3D > Fields > Calculator…Quantity > E Quantity > HComplex > Conj （取H 矢量的共轭） Cross （叉乘操作）Complex > Real （取实部） Number > 0.5 *点击Add…Named expressions > PP DoneIp R rmsavr 2=Maxwell > Fields > Calculator在Named Expressions 栏中选中PoyntingCopy to stack （将pp 的计算设置copy 到Calculator 堆栈中） Geometry > Surface > Outside Normal （保留pp 的法向分量）⎰积分Eval （查看结果）6.2 查看阻抗矩阵Maxwell > Results > Solution Data图6-1 阻抗矩阵结果图6.3 查看辐射边界上的pp 矢量图选中Region的外表面Maxwell > Fields > Fields > Named Expression…选中pp图6-2 辐射边界上的pp矢量图7.心得体会本次的实验，感觉真的好麻烦，中间遇到很多的困难，有些地方的一个符号，一个字母不对，就会影响之后的结果，然后只能重来。

6.3 电偶极子天线（二）自强●弘毅●求是●拓新（1）近区电磁场近6.场2 电偶极子kr 天 1线,exp jkr 1对于近区场，因 r ，kr 2π r 1 ，则低次项 1 可以忽略，且令 e jkr 1 ，那么 kr 记Pe0 Q0LjI0L Er 2 Pe 0 cos 4π 0r 3 j 2 I 0 L cos 4π 0r 33-1-22式 EPe 0 sin j I 0 L sin 4π 0r 3 4π 0r 3 HI 0 L sin 4πr 2 I 0 L sin 4πr 2电磁场 相位差（1）近区电磁场这正是电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场。

因此尽管电偶极磁子场上特的点电。

S流这r是说 时明12 变，Re的在E ，电r 它偶 H在极 近子r 区附 激近0 发，的时电变磁电场磁仍场具之有间静相态互电激发是产生具有波动特点为的虚电数磁场，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。

从近区电磁场的表达式看到，电场与磁场始终保持 1 π 的相位差， 其Poynting矢量的平均值恒为零，没有能量向外部输2运。

因此在源区附近，电磁场为静态电磁场的特点。

（2）远区辐射场及其特点当场点位于远场区， kr 1 其电磁场的结果为： Hj I0 2Lsin r方向因子exp jkr Ej I0 2Lsin r 0 exp jkr 0这是一个与近区具有完全不同性质的电磁场近区： Er2 Pe 0 cos 4π 0r3 EPe 0 sin 4π 0r3 HI 0 L sin 4πr 2（2）远区辐射场及其特点远区的辐射场有如下特点：① 电磁场的瞬时表达式为： HI0 2Lsin rcos t krπ 2 EI0 2Lsin r0 0cos tkrπ 2 其等相位面方程为球面，其方程是：t kr C在等相位面上，电场和磁场的相位为同一常数，为沿径向向外传播的球面波。

波在空间传播的速度为：vplimΔ t0Δr Δtk1 c00即光速（2）远区辐射场及其特点远场区的电磁场离偶极子足够远， r >> 的波场区，波阵面趋于球形（ a）电场线（ b）磁场线图 波场区的电场和磁场线（2）远区辐射场及其特点图 远场区电流元周围电-磁力线的瞬时分布（2）远区辐射场及其特点② 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， 是线极化电磁波。

天线近场与远场换算公式天线近场与远场换算公式1. 什么是天线近场与远场天线近场和远场是天线工作区域的两个不同区域。

近场是指离天线较近的区域，远场是指远离天线的区域。

在天线的近场区域，电磁场具有复杂的结构和强度分布，电磁场随距离的变化较大。

而在天线的远场区域，电磁场的结构和强度变化相对较小，满足一定的辐射远场条件。

2. 天线近场与远场换算公式天线近场与远场之间的换算可以使用下面的公式：1.近场到远场距离（D）计算公式：D = 2 * D² / λ其中，D是天线距离远场的距离，λ是天线工作的频率对应的波长。

2.天线辐射场的相对距离（R）计算公式：R = 2 * D² / λ其中，R是天线工作频率对应波长下的天线辐射场的相对距离，D是天线距离远场的距离，λ是天线工作的频率对应的波长。

3. 举例说明以一个工作频率为 GHz（对应波长为 m）的Wi-Fi天线为例，假设天线距离远场的距离为10 m，我们可以利用上述公式计算近场到远场的距离和辐射场的相对距离。

根据第一条公式：D = 2 * 10² / = 320 m即天线的近场到远场距离为320 m。

根据第二条公式：R = 2 * 10² / = 320即天线工作频率对应波长下的天线辐射场的相对距离为320。

综上所述，对于这个Wi-Fi天线来说，在距离天线10 m处，可以视为远场区域，并且辐射场的相对距离为320。

4. 近场与远场的特点及应用近场和远场在天线工程中有着不同的特点和应用。

近场特点及应用：•近场是离天线较近的区域，电磁场的结构和强度变化较大。

•近场区域主要发生电场和磁场的耦合和传输，电磁场存在复杂的衰减和散射现象。

•近场电磁场对物体的影响较大，适用于无线能量传输、近距离通信等应用。

远场特点及应用：•远场是离天线较远的区域，电磁场的结构和强度变化较小。

•远场区域主要体现为电磁波的辐射，电场和磁场呈正交关系。

•远场电磁场具有较远的传播距离和较强的穿透能力，适用于无线通信、无线定位等应用。