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低损耗地面上方垂直赫兹偶极子

低损耗地面上方垂直赫兹偶极子 微波工程仿真
2025-08-13
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导读:垂直电偶极子 (VED) 辐射在半空间上的问题对于理解天线和地面上的波传播至关重要。



垂直电偶极子 (VED) 辐射在半空间上的问题对于理解天线和地面上的波传播至关重要。Sommerfeld 对这个问题进行了第一个严格的表述传统方法通常假设在高损耗地面的问题,Krzysztof A. Michalski和Juan R. Mosig在2021年研究了低损耗或无损介质上的问题。

目录



  • 垂直电偶极子(VED)的场
  • 在低损耗介质半空间
  • 参考资料



*

As shown below👇

*垂直电偶极子(VED)的场

经典的 Sommerfeld 问题(即在有损半无限接地存在下的偶极子辐射的研究) 可能是电磁学中最具讨论性的话题之一。这可以追溯到两方面,一为,存在与问题的谱域(Sommerfeld 积分)解决方案中固有的复杂分析微妙之处相关的非平凡数学问题,另一方面,在寻求一种有效的计算程序时,出现了许多数值挑战,该程序可以为各种实际情况产生可靠的数值结果。

主要解的形式

垂直电偶极子(VED)的场

直接场:

图片

反射场(含 Fresnel 反射系数 R TM ):

图片


表面波(Zenneck 波):
图片



*在低损耗介质半空间

垂直赫兹偶极子在低损耗介质半空间上的辐射场模式中的2个关键现象包括: 

界面场消失(interface pattern extinction)

在辐射场模式图中,当观测点从上半空间(空气)跨越界面进入下半空间(介质)时,场强会出现一个 锐减(sharp dip),类似于“消失”的现象。

这种现象在均匀介质(ε1 =ε2 )中不会出现,但在介质对比明显时(如空气-地面)尤为显著。


在界面附近,几何光学场消失,但 二阶场分量 仍然存在,主要包括:

表面波(Evanescent Wave, B):在上半空间沿界面传播,但场强随垂直距离指数衰减,相位速度由下半介质决定。

侧向波(Lateral Wave / Head Wave, D):在下半空间沿临界角方向传播,相位速度由上半介质决定。

这些二阶场分量在界面处形成 驻波(standing wave),导致场强随距离按 ρ^−2  衰减(而非几何光学场的 r^−1 ),因此辐射模式在界面处出现“锐减”。


地下场波纹(subsurface pattern scalloping)

在下半空间(介质)的辐射场模式中,当观测角度介于 临界角(θc )和界面(θ=90° ) 之间时,场强会出现 周期性波纹(ripples)。

这种现象在传统几何光学分析中无法解释,因为几何光学仅预测平滑的场分布。





参考文献



[1] Sommerfeld, A. (1909), Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie. Ann. Phys., 333: 665-736. https://doi.org/10.1002/andp.19093330402

[2] K. A. Michalski and J. R. Mosig, "On the Complete Radiation Pattern of a Vertical Hertzian Dipole Above a Low-Loss Ground," in IEEE Journal of Microwaves, vol. 1, no. 3, pp. 747-762, July 2021, doi: 10.1109/JMW.2021.3084947. 

        



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微波工程仿真
关注数学、电磁理论、微波射频、电路、工业设计等内容以及相关的仿真、设计工具软件。
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