ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР — ИЗЛУЧАТЕЛЬ РАДИОВОЛН

Краткое содержание лекции

Электромагнитные поля и волны

Лекция 8.

Контрольные вопросы

1. Поясните требования, предъявляемые к антеннам РРЛ.

2. Как влияют фазовые искажения на ДН антенны?

3. Как влияет распределение фаз и поля в раскрыве на ДН антенны?

4. Каковы недостатки и преимущества рупорных антенн?

5. С какой целью применяют рупоры с ребрами внутри?

6. От чего зависит ширина ДН в плоскости Е?

7. От чего зависит ширина ДН в плоскости Н?

8. Как получить ДН с одинаковой шириной в поскости Н и Е?

9. Какой рупор называется секториальным, пирамидальным, коническим?

10. От чего зависят диапазонные свойства рупорных антенн?

1. Какую из диаграмм направленности имеет параболическая антенна?

2. Почему на РРЛС наиболее часто применяют параболические антенны (ПА)?

3. Какой из параболоидов является длиннофокусным?

4. Почему иногда параболоид выполняют сетчатой конструкции?

5. Какой из параболоидов является короткофокусным?

6. Какой из параболоидов является осенесимметричным?

 

В электромагнитном поле электрическая и магнитная составляющие не­разрывно связаны друг с другом. Эта связь между электричес­ким и магнитным полями была обнаружена в начале XIX века Эрстедом и Фарадеем. Опыты показали, что вблизи движущихся зарядов (вблизи проводника с током) обнаруживается магнитное поле, а, в свою очередь, всякое изменение магнитного поля вы­зывает появление электрического поля. До работ Максвелла (1864 г.) предполагали, что магнитное поле появляется только вблизи движущихся зарядов. Максвелл теоретически показал, что магнитное поле появляется при любом изменении электрическогополя, в частности и тогда, когда изменение не связано с движением зарядов. Согласно теории Максвелла изменение электрического поля следует рассматривать как особую форму тока — ток смещения. Ток смещения протекает в пространстве, где из­меняется электрическое поле. Так, при заряде или разряде кон­денсатора в пространстве между его обкладками протекает ток смещения. При этом не обязательно наличие вещества между обкладками. В мощных радиопередатчиках применяют вакуум­ные конденсаторы, ток смещения протекает и в вакууме.

Используя понятие тока смещения и обобщив известные экс­периментально установленные законы электромагнетизма, Мак­свелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно этой те­ории электромагнитное поле распространяется в виде волн. Свет, как показал Максвелл, также является электромагнитной вол­ной. Теория электромагнитного поля была подтверждена опыта­ми Г. Герца и П. Н. Лебедева. Радио, изобретенное А. С. Попо­вым, также является одним из подтверждений справедливости те­ории электромагнитного поля.

Распространяясь в различных средах, радиоволны в общем случае вызывают в этих средах токи смещения и токи проводи­мости. От значений плотности этих токов за­висят особенности распространения радиоволн. Из теории элект­рических цепей плотность тока проводимости

где — удельная проводимость. Найдем выражение для плотнос­ти тока смещения. Рассмотрим ток смешения между обкладками плоского конденсатора (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Возникновение тока смещения меж­ду обкладками конденсатора при его заряде

Емкость кон­денсатора , где — диэлектри­ческая проницаемость среды между обкладками; S — площадь пластин; l- расстояние между ними.

В однородном поле напряжение между обкладками конденса­тора Uc = Е l. Ток, протекающий через конденсатор,

Величина Е называется вектором электрического смещения D. Используя вектор D, формулу можно записать в виде

Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара, находящиеся на расстоянии L, друг от друга (рис. 1.4). Такая система называется электрическим диполем. После включения генератора шары будут заряжаться и разря­жаться. При этом по проводу Lпротекает ток заряда и разряда емкости, образованной шарами. Емкость шаров много больше емкости отрезков аb и cd провода L, поэтому током смещения между отрезками провода можно пренебречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий в проводе L, замыкается через ток смещения, протекающий в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока вдоль провода Lостается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца.

Рисунок 1.4 - Возникнове­ние электромагнит­ной волны, излучае­мой диполем Герца

 

На рис. 1.4 графически изображено распределение амплитуды тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые линии электрического поля диполя для момента времени, когда шары заряжены. Линии тока смещения расположены в пространстве так же, как и линии электри­ческого поля. При работе генератора переменный ток смещения вызывает появление переменного магнитного поля, силовые ли­нии которого окружают линии тока смещения. В свою очередь, переменное магнитное поле по закону электромагнитной индук­ции вызывает в окружающем пространстве появление переменно­го электрического поля и ответствующего тока смещения и т. д. Рассмотренный процесс распространяется в окружающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить генератор, пита­ющий диполь, то в окружающей среде продолжает распростра­няться возникшая электромагнитная волна — ток смещения будет вы­зывать переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, будет соз­давать переменное электрическое поле и ток смещения в соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону, тоэлектромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с той же частотой. Как извест­но, определенное состояние колебания, например максимум, назы­вают фазой. Скорость распространения фазы электромагнитной волны называют фазовой скоростью. Фазовая скорость электро­магнитной волны в диэлектрике

В свободном пространстве , и . Эта ф-ла была теорети­чески получена Максвеллом. Равенство фазовой скорости света навело Максвелла на мысль о том, что свет является элек­тромагнитной волной.

Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний Т, называется длиной волны:

Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях rот диполя при вы­полнении условия r>>фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической.

Электромагнитная волна, излучаемая источником, уносит в ок­ружающее пространство энергию. Мощность, переносимая волной, характеризуется вектором Пойнтинга. Направление вектора Пойнтинга показывает направление перемещения энергии. Модуль этого вектора равен мощности, переносимой волной через еди­ничную площадку, перпендикулярную вектору. Математический анализ показывает, что вектор Пойнтинга

Определим зависимость модуля вектора Пойнтинга от рассто­яния rдо излучателя. Предположим, что излучатель излучает мощ­ность во всех направлениях с одинаковой интенсивностью. Такой излучатель называется ненаправленным. В этом случае излучае­мая мощность равномерно распределяется по сфере, площадь которой равна . Отсюда следует, что модуль вектора Пойн­тинга

В действительности все излучатели радиоволн обладают на­правленностью действия, т. е. в одних направлениях излучают больше, чем в других. При этом мощность излучения неравномер­но распределяется по сфере, окружающей излучатель, но квадра­тичная зависимость вектора Пойнтинга от расстояния сохраня­ется.

Диполь Герца обычно в качестве антенны не применяют. Од­нако, любую проволочную антенну можно представить состоящей из элементарных отрезков провода, в пре­делах каждого из которых амплитуда тока может считаться не­изменной. Такой отрезок называют элементарным электрическим вибратором. Диполь Герца также можно рассматривать как эле­ментарный электрический вибратор. Определим поле, излучаемое элементарным электрическим вибратором. Расположим вибратор в начале сферической системы координат (рис. 1.5).

Рис. 1.5. К определению составляющих элект­ромагнитного поля элементарного вибратора

 

Пусть виб­ратор возбуждается генератором гармонических колебаний и в нем протекает ток

Математический анализ показывает, что в точке пространства, для которой выполняются условия r>> L и r>>, поле диполя опре­деляется формулами:

 

Множитель указывает на то, что поле распростра­няется в виде волны. Фаза напряженности поля зависит от рас­стояния до излучателя r. Величина k называется волновым чис­лом и показывает, насколько изменяется фаза волны при прохо­ждении ею пути в единицу длины и означает, что при прохождении волной пути фаза изменяется на 2, а на еди­нице пути она изменяется на . Величина W называется вол­новым сопротивлением среды. В свободном пространстве ,и . Индексы и показывают положение век­торов Е и Н в пространстве (рис. 1.5). Векторы Е и Н радиоволны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения радиоволны. Напряженность поля убывают пропорционально первой степени расстояния г до излучателя. Модуль вектора Пойнтинга при этом убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, вибратор излучает сферическую волну.

Необходимо обратить внимание на то, что излучаемое поле тем больше, чем больше отношение длины вибратора к длине волны. Эту зависимость можно пояснить, рассматривая поле ко­леблющегося в диполе заряда. При колебаниях заряда измене­ние его поля распространяется в окружающем пространстве не мгновенно, а со скоростью света. В результате силовые линии электрического поля деформируются при колебаниях заряда так, как показано на рис. 1.6,б.

Рис. 1.6. Электрическое поле неподвижного заряда (а) и деформация электри­ческого поля, возникающая при колебаниях заряда (б)

 

Чем больше размах колебаний и чем больше частота колебаний заряда то, тем сильнее деформиру­ется поле, тем больше переменное поле излучения. Элементарный излучатель обладает на­правленностью излучения, так как амплитуда излучаемого поля зависит от угла . Наибольшее излучение происходит в направ­лении, перпендикулярном оси диполя (= 90°). Это направление называется главным. В направлении своей оси (= 0) диполь не излучает. Направленность излучения вибратора также можно по­яснить рис. 1.6,б. Как видно из рисунка, в направлении оси ви­братора его поле не деформируется, наибольшая деформация поля происходит при =90°. Зависимость напряженности поля излучателя от направления на точку измерения при неизменном расстоянии до этой точки называется характеристикой направленности излучателя. Графически эту характеристику изображают в виде диаграммы направленности.

Определим среднюю мощность, излучаемую диполем при пи­тании его гармоническим током. Среднее во времени значение вектора Поинтинга

,

где Ет и Нт — амплитудные значения напряженностей полей в данной точке пространства. Эта ф-ла аналогична формуле для определения средней мощности в электрической цепи при за­данных амплитудах напряжения и тока. Если бы диполь не обла­дал направленностью излучения, то мощ­ность излучения определялась бы выражением

Математический анализ показывает, что учет направленности из­лучения приводит к формуле

где Ето и Нто — амплитуды напряженностей электромагнитного поля в направлении максимального излучения (= 90°).

Подставив (1.17) в (1.16) с учетом формулы (1.11) после под­становки численного значения и заменив на k , по­лучим

Выразим напряженность поля элементарного вибратора через излучаемую мощность . Из (1.18)

Подставив (1.19) в (1.10), получим

В направлении наибольшего излучения (при = 90°)

Для сравнения определим напряженность поля, создаваемую не­направленным излучателем. Из (1.15) с учетом того, что в сво­бодном пространстве , получим

Сравнивая полученные соотношения, видим, что при одинаковых условиях элементарный вибратор в главном направлении создает напря­женность поля, в раза большую, чем ненаправленный излучатель. Чтобы с помощью ненаправленного излучателя получить ту же напряженность поля, которую дает элементарный вибра­тор в главном направлении, необходимо увеличить излучаемую ненаправленной антенной мощность в 1,5 раза. Число, показыва­ющее, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при замене направленной антенны на ненаправленную, чтобы при этом сохранилась прежняя напряженность поля в главном на­правлении, называется коэффициентом направленного действия антенны (КНД). У элементарного вибратора КНД равен 1,5, тогда

Эту формулу можно использовать при любых типах антенн, если известен их КНД.

Элементарный вибратор, как и любую другую антенну, можно использовать не только для излучения, но и для приема радио­волн. Если вибратор поместить в поле радиоволны (рис. 1.7), то в нем будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС), на его зажимах появится напряжение, которое можно подвести ко вхо­ду радиоприемника.

Рис. 1.7. К определению ЭДС, наводимой в приемной антенне

Величина ЭДС Э, наведенной в вибраторе, зависит от длины вибратора L, напряженности электрического поля волны Е и угла между вектором Е и вибратором:

Приемный вибратор обладает теми же направленными свойст­вами, что и излучающий. Наибольшая ЭДС наводится в вибра­торе, расположенном параллельно вектору Е принимаемой радио­волны (= 0). Если вибратор расположен вдоль вектора Пойнтинга падающей на него волны, то ЭДС в вибраторе не наво­дится. При этом напряженность электричес­кого поля перпендикулярна проводу вибрато­ра и заряды в нем под влиянием радиоволны не смещаются.