Антенны

РАСПРОСТРАНЕНИЕ БЕГУЩИХ РАДИОВОЛН 1.1. Бегущие волны в линии передачи

Упрощенная схема радиолиний передачи информации представлена на рис. 1.1. Элементами схемы являются: антенны, линии передачи, устройства для оптимального соединения линии передачи с антенной, передатчиком и приемником, а также естественная среда (в основном ею служит атмосфера Земли) между передающими и приемными антеннами.

В линиях передачи распространяются так называемые направляемые электромагнитные волны, т. е. волны, энергия которых движется вдоль искусственных направляющих систем.

Для объяснения процесса распространения бегущих волн в качестве направляющей системы возьмем линию передачи из двух прямолинейных параллельных проводов круглого сечения, размещенных в однородной среде. Будем полагать, что линия имеет бесконечную длину, а расстояние d между проводами линии во много раз меньше (рис. 1.2), где ?v - длина волны.

В сечениях линий, находящихся на расстоянии от генератора, напряжение будет отличаться от напряжения на выходе генератора потому, что на распространение электромагнитной энергии требуется определенное время, интервал которого зависит от скорости распространения электромагнитной энергии вдоль линии и расстояния от генератора (или, что одно и то же, - от входа линии).

Напряжение, приложенное к проводам линии, создает между ними электрическое поле, а ток, текущий по ним, - магнитное (рис. 1.3). Линия обла-

Рис. 1.1. Упрощенная схема радиолинии:

1 - передатчик; 2 -линия передачи (фидарвая линия); 3 - устройство, согласующее линию передачи с антенной; 4 - передающая антенна; 5 - среда распространения свободных радиоволи; 6 - цриемная антенна; 7 - приемник

Рис. 1.2. Бесконечная двухпроводная линия передачи:

/ - генератор высокой часугсты; 2 - линия передачи

Рис. 1.3. Структура электрического и магнитного поля в сечении двухпроводной симметричной линии передачи:

1 - цроводники линии передачи; 2 - линии электрического поля (---); 3 -линии магнитного поля (--)

дает емкостью и индуктивностью. Кроме того, провода линии имеют электрическое сопротивление, а если в пространстве между проводами среда поглощает электромагнитную энергию, то это эквивалентно наличию между ними электрической проводимости.

Для воображаемой линии передачи бесконечной длины имеются выражения для напряжепия и тока в произвольном сечении линии:

UxUmo~sm(2nft-x): (1.1)

ta; = /moe-"sin(23t/<-px); (1.2)

ZB = Umo/Imo. (1-3)

где Ux и ix - напряжение и ток в сечении линии, находящемся на расстоянии x от генератора; Umo и /то - амплитуды напряжения и тока на входе линии в сечении, где подключен генератор (л:=0); Zb - волновое сопротивление линии, равное отношению амплитуды напряжения к амплитуде тока; а -коэффициент затухания, характеризующий уменьшение амплитуд тока и напряжения на единицу длины линии; f - частота колебаний, возбуждаемых генератором в линии; р - коэффициент фазы, равный изменению фазы колебания на единицу длины линии. Величины Zb, а и р называют волновыми параметрами линий, так как они характеризуют распространение волны в линии.

Если линия без потерь находится в космическом безвоздушном пространстве, относительная диэлектрическая проницаемость которого равна единице (е, = 1), то скорость распространения волны вдоль нее равна скорости света (с=300 000 000 м/с). Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха 8г= 1,000059, и поэтому скорость распространения в линии, расположенной в атмосфере, будет примерно на 0,03% меньше скорости распространения в вакууме. Поскольку различие в скоростях невелико, будем полагать, что в воздухе скорость распространения волны равна скорости распространения в вакууме. В этом случае длина волны в линии равна скорости света, деленной на частоту. Так как затухание отсутствует, амплитуды напряжения и тока остаются постоянными вдоль линии.

1.2. Бегущие радиоволны в свободном пространстве

В отличие от линии передачи, направляющей электромагнитные волны, возбуждаемые генератором, вдоль проводов, в однородной безграничной среде, т. е. среде, одинаковой во всех направлениях и простирающейся в бесконечность, электромагнитные волны, возбуждаемые передающей антенной, распространяются по радиальным направлениям. Допустим, что существует источник, который равномерно излучает во всех направлениях (рис. 1.4). Такой источник называется изотропным. Излучаемая им мощность Р, Вт, равно-

Рис. 1.4. Волны, излучаемые изотропным источником

Рис. 1.5. Взаимная ориентация векторов напряженности поля и вектора плотности потока Мощности (вектора ПойнтИнга):

Е - напряженность электрического поля; Н - напряженность магнитного поля; Я - вектор Пойнтинга (совпадает по направлению с направлением распространения волиы)

Рис. 1.6. Плоский фронт электромагнитной волны на большом расстоянии от

источника излучения:

у - источник излучения; 5 - направление распространения волны; 5 - сферический волно-1В0й фронт; 4 - участок сферического волнового фронта, в пределах которого его можно

полагать плоским

мерно распределяется по всем направлениям. Если бы в среде отсутствовали потери, то вся излучаемая мощность проходила бы, например, через сферическую поверхность произвольного радиуса г. Как бы ни был велик радиус этой поверхности, проходящая через нее мощность будет равна Р,.

Введем понятие плотности потока мощности, как мощности, проходящей через поверхность, площадь которой равна 1 м. Обозначим ее буквой П. Поскольку площадь сферической поверхности равна 4яг, м, то плотность потока мощности, Вт/м\ равна

П = Р1Ыт. (1.4)

В среде с потерями энергии, например в воде или горных породах, часть энергии, излучаемой источником, преобразуется в тепловую.

Электрические и магнитные поля характеризуются не только величиной, но и направлением. Они выражаются векторными величинами - напряженностью электрического поля Е и напряженностью магнитного поля Н. Вектора напря-женностей электрического и магнитного полей на достаточно большом расстоянии от антенны лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, и одновременно перпендикулярны друг другу (рис. 1.5).

Напряженность электрического поля выражается в вольтах на метр (В/м). напряженность магнитного поля - в амперах на метр (А/м).

Отношение амплитуды напряженности электрического поля к амплитуде напряженности магнитного поля равно волновому сопротивлению свободного пространства

го = £,„/Я,„= 120я Ом. (1.5)

Мгновенное значение напряженности электрического поля, создаваемого идеальным (гипотетическим) всенаправленным источником, может быть выражено через излучаемую этим источником мощность с помощью формулы

£* = -y66Prsin(2n/f -Рл). - (1.6)