Напрабление распространения элетро-тгнитной болны

Напрабление распрсстранетя - эпентротгнит-

ной ЙОПНЫ

Пробод

Рис. 3.1. Упрощенная картина образования ;Электромагнитной волны

Рис. 3.2. Картина силовых линий электрического поля вблизи диполя

Рис. 3.3. Взаимное расположение векторов напряженности электрического Е и магнитного Я полей в дальней зоне, электрического диполя

"Как следует из теории диполя Герца, расположенного в свободном пространстве, мгновенное значение напряженности электрического поля, создаваемого на больших (по сравнению с длиной волны) расстояниях, т. е. в дальней зоне, определяется выражением

30/ р/

sin 6 sin (to f - P r).

(3.1)

Здесь все величины даны в системе единиц СИ; /т -амплитуда тока диполя; Р - коэффициент фазы, называемой также волновым числом; p=2ixA; I - длина диполя, г - расстояние от диполя до точки наблюдения; 6 - угол между осью диполя и направлением на точку, в которой определяется поле; © - угловая (или круговая) частота изменения электрического поля, равная соответствующей угловой частоте синусоидального тока питания диполя; t - время.

Выражение (3.1) определяет поле волны, распространяющейся в пространстве.

Множитель sin 6 определяет зависимость напряженности поля от направления в пространстве. Он показывает, что вдоль оси (6=0) поле равно нулю, е. диполь вдоль своей оси не излучает; в экваториальной плоскости (6=90°) напряженность поля получается максимальной. Множитель sin(cu/--pr) пока-

зывает, что по мере распространения волны поле убывает по фазе на угол рг, т. е. запаздывает на время, необходимое волне, чтобы дойти до рассматриваемой точки пространства.

Направления силовых линий Е и Я перпендикулярны друг к другу и направлению распространения волны, образуя правовинтовую систему. Взаимное расположение этих полей показано на рис. 3.3. Линии Eq лежат в плоскости, проходящей через ось диполя, а линии Я - в плоскости, параллельной плоскости хоу. Направление распространения П совпадает с радиусом л Такая картина поля является характерной для поперечной электромагнитной волны (называемой волной Т).

В заключение отметим, что многие простейшие антенны, применяемые в диапазонах длинных, средних и коротких волн, имеют электрические свойства и параметры, похожие на соответствующие параметры диполя Герца.

3.2. Малый виток провода с током (рамка)

Другим простейшим излучателем является небольшой виток провода (рамка) с переменным электрическим током. При размерах витка, малых по сравнению с длиной волны (соответствующей частоте переменного тока), амплитуду н фазу тока во всех точках провода практически можно считать неизменными.

Из теории такого излучателя следует, что магнитное поле горизонтальной рамки идентично по структуре электрическому полю вертикального элементарного электрического диполя; аналогично электрическое поле горизонтальной рамки идентично магнитному полю вертикального электрического диполя. Поэтому горизонтальную рамку можно трактовать как некоторый эквивалентный вертикальный магнитный диполь.

Мгновенное значение напряженности электрического поля, создаваемого указанным рамочным излучателем в свободном пространстве в дальней зоне в произвольном направлении, определяется выражением, аналогичным выражению (3.1);

30/ / 6

Et=--sinecos((u< -Рг). (3.2)

Здесь /р -амплитуда тока в проводе рамки; h - длина эквивалентного магнитного диполя, равная /э=Р5, где S-площадь, охватываемая витком провода рамки; 6 - угол между осью рамки (осью диполя) и направлением на точку, в которой определяется поле.

Следует обратить внимание на то, что при одинаковых фазах токов электрического диполя (/) и рамки (/р) поля излучения их будут сдвинуты между собой по фазе на 90° (на это указывают множители sin (tof-r) и cos (toi-r).

Ha рис. 3.4 для сравнения показаны направления силовых линий электрического Е и магнитного Я полей, а также направление распространения радиоволны П в точке, находящейся в плоскости чертежа для электрического диполя (рис. 3.4,0:) и рамки (рис. 3.4,6).

Направление распространения волны в обоих случаях совпадает с направлением радиуса г. Линии магнитного поля рамки Я* и электрического поля диполя £g лежат в плоскости чертежа, т. е. в плоскости, проходящей через ось рамки (н диполя), и перпендикулярны г. Линии электрического поля рам-22

Злешршести

0Ш1ОЛЬ

Пагнитшй диполь

Рис. 3.4. Направления векторов электрического Е и магнитного Н полей, а также направление распространения радиоволны П в дальней зоне электрического диполя (а) и рамки (б)

ки (£" ) и магнитного поля электрического диполя направлены перпендикулярно плоскости чертежа.

Окружности (на рис. 3.4) около каждого диполя изображают (в полярных координатах) относительное изменение амплитуды напряженности поля в плоскости каждого из диполей в зависимости от угла 6 (относительно оси диполей). Это изменение поля определяется множителем sin 6. Вдоль оси рамки, так же как вдоль оси электрического диполя, излучение отсутствует (sin 6=0). Максимум излучения получается в плоскости рамки (в экваториальной плоскости диполя).

3.3. Электрические параметры антенн

Рассмотренный выше элементарный электрический диполь Герца является прототипом простейших проволочных антенн. На рис. 3.5,о: показана вертикальная заземленная антенна, подобная первым антеннам, использованным А. С. Поповым. На рис. 3.5,в показан горизонтальный симметричный вибратор, часто называемый диполем.

Антенны можно классифицировать по различным признакам: диапазонам волн, назначению (для радиосвязи, для радиовеш,ания, для радиоастрономии, телевизионные и др.). Но наиболее целесообразно их классифицировать по типу излучающих элементов. По этому призраку антенны делятся на три группы:

1. Антенны с линейными токами--это антенны, у которых поперечные размеры излучающих элементов малы по сравнению с продольными и с длиной волны, к ним относятся проволочные антенны, в частности вибраторные.

2. Апертурные антенны - это антенны, излучающие через раскрыв (рупоры, рефлекторы и т. п.); такие антенны используются преимущественно в диапазоне СВЧ.

3. Антенны поверхностных волн - это антенны, которые возбуждаются электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль антенны и излучающими преимущественно в направлении распространения; к ним относятся стержневые диэлектрические антенны и др.

Все три типа антенны - линейные, апертурные и поверхностных волн - Могут применяться как одиночные антенны, а также группироваться в много-ЗДементные системы.