Випромінювання і прийом радіохвиль

Випромінювань е ня і прийом радіов про лн. Випромінювання радіохвиль - процес збудження біжать електромагнітних хвиль радіодіапазону в просторі, що оточує джерело коливань струму або заряду. При цьому енергія джерела перетвориться в енергію поширюються в просторі електромагнітних хвиль. Прийом радіохвиль є процесом, зворотним процесу випромінювання. Він полягає в перетворенні енергії електромагнітних хвиль в енергію змінного струму. І. і п. Р. здійснюються за допомогою передавальних і приймальних антен .

Випромінювання радіохвиль. Джерелом первинних електричних коливань можуть бути змінні струми, що течуть по провідникам, змінні поля і т. П. Однак змінні струми відносно низької частоти (наприклад, промислової частоти 50 гц) для випромінювання непридатні: на цих частотах не можна створити ефективний випромінювач. Дійсно, якщо електричні коливання відбуваються, наприклад, в котушці індуктивності, розміри якої малі в порівнянні з довжиною хвилі l, відповідній частоті коливань струму, поточного в котушці, для кожної ділянки з одним напрямом струму, наприклад А (рис. 1), існує інший ділянку в, віддалений від А на відстань, меншу, ніж l / 2, в якому в той же момент часу напрям струму протилежно. На великих відстанях від витка хвилі, що випромінюють елементами А і В, послаблюють одна одну. Так як виток складається з таких пар протифазних елементів, то він, а отже вся котушка, випромінює погано. Також погано випромінює коливальний контур , Що містить котушку індуктивності і конденсатор. У кожен момент часу заряди на обкладинках конденсатора рівні за величиною, протилежні за знаком і віддалені один від одного на відстань, значно менше, ніж l / 2.

Зі сказаного випливає, що для ефективного випромінювання радіохвиль необхідна незамкнутая (відкрита) ланцюг, в якій або ні ділянок з протифазні коливаннями струму або заряду, або відстань між ними не мало в порівнянні з l / 2. Якщо розміри ланцюга такі, що час поширення змін електромагнітного поля в ній порівняно з періодом коливань струму або заряду (швидкість розповсюдження збурень кінцева), то умови квазістаціонарності не виконуються (див. квазістаціонарний процес ) І частина енергії джерела йде у вигляді електромагнітних хвиль. Для практичних цілей зазвичай застосовують електромагнітні хвилі з l <10 км.

Випромінювачі. Найпростіший випромінювач радіохвиль складається з двох відрізків А і В прямолінійного провідника, приєднаних до кінців OO 'двухпроводной лінії, уздовж якої поширюється електромагнітна хвиля (рис. 2). У відрізках А і В під дією електричного поля хвилі виникає рух зарядів, т. Е. Змінний струм. У кожен момент часу заряди в точках О і О 'рівні за величиною і протилежні за знаком, т. Е. Відрізки А і В утворюють електричний диполь, що визначає конфігурацію створюваного їм електричного поля. З іншого боку, струми в відрізках А і В збігаються за напрямком, тому силові лінії магнітного поля, як і в разі прямолінійного струму, - кола (рис. 3). Таким чином, в просторі, що оточує диполь, виникає електромагнітне поле, в якому поля Е і Н перпендикулярні один одному. Електромагнітне поле поширюється в просторі, віддаляючись від диполя (рис. 4).

Хвилі, що випромінюються диполем, мають певну поляризацію. Вектор напруженості електричного поля Е хвилі в точці спостереження Про (рис. 3) лежить в площині, що проходить через диполь і радіус-вектор r, проведений від центру диполя до точки спостереження. Вектор магнітного поля Н перпендикулярний цій площині.

Змінне електромагнітне поле виникає у всьому просторі, що оточує диполь, і поширюється від диполя у всіх напрямках. Диполь випромінює сферичну хвилю, яку на великій відстані від диполя можна вважати плоскою (локально-плоскою). Однак амплітуди напруженостей електричного і магнітного полів, створюваних диполем, а отже і випромінювана енергія, в різних напрямах різні. Вони максимальні в напрямах, перпендикулярних диполю, і поступово зменшуються до нуля уздовж осі диполя. В цьому напрямку диполь практично не випромінює. Розподіл випромінюваної потужності по різних напрямах характеризується діаграмою спрямованості. Просторова діаграма спрямованості диполя має вигляд тороїда (рис. 5).

Повна потужність, яку випромінює диполем, залежить від потужності, що підводиться і співвідношення між його довжиною l і довжиною хвилі l. Для того щоб диполь випромінював значну частку підводиться до нього потужності, його довжина не повинна бути мала в порівнянні з l / 2. З цим пов'язана складність випромінювання дуже довгих хвиль. Якщо l підібрано правильно і втрати енергії на нагрів провідників диполя і лінії малі, то переважна частка потужності джерела витрачається на випромінювання. Таким чином, диполь є споживачем потужності джерела, подібно включеному в кінець лінії активному опору, що споживає потужність, що підводиться. У цьому сенсі диполь володіє опором випромінювання R і, рівним тому активному опору, в якому споживалася б така ж потужність.

Описаний вище диполь є найпростішою передавальною антеною і називається симетричним вібратором. Вперше такий вібратор використовував Г. Герц (1888) в дослідах, які виявили існування радіохвиль. Електричні коливання в диполі Герца (див. Герца вібратор ) Порушувалися за допомогою іскрового розряду - єдиного відомого в той час джерела електричних коливань. Поряд з симетричним вібратором застосовується (для довших хвиль) несиметричний вібратор (мал. 6), що порушується у підстави і випромінюючий рівномірно в горизонтальній площині.

Поряд з дротяними антенами (дротяними вібраторами) існують і інші види випромінювачів радіохвиль. Широке застосування отримала магнітна антена. Вона являє собою стрижень з магнітного матеріалу з високою магнітною проникністю m, на який намотана котушка з тонкого дроту. Силові лінії магнітного поля магнітної антени повторюють картину силових ліній електричного поля дротяного диполя (рис. 7, а, б), що обумовлено принципом подвійності.

Якщо в стінках радіохвилеводу або об'ємного резонатора , Де течуть змінні поверхневі струми надвисоких частот, прорізати щілину так, щоб вона перетнула напрямок струму, то розподіл струмів різко спотворюється, екранування порушується і електромагнітна енергія випромінюється назовні. Розподіл полів щілинного випромінювача подібно розподілу полів магнітної антени. Тому щілинний випромінювач називається магнітним диполем (рис. 7, в, г; див. Також щілинна антена ). Діаграма спрямованості магнітного і щілинного випромінювачів, так само як і електричного диполя, є тороид.

Більш направлене випромінювання створюють антени, що складаються з декількох дротяних або щілинних випромінювачів. Це - результат інтерференції радіохвиль , Випромінюваних окремими випромінювачами. Якщо струми, що живлять їх, мають однакові амплітуду і фазу (рівномірне синфазное збудження), то на досить далекій відстані в напрямку, перпендикулярному поверхні, що випромінює, хвилі від окремих випромінювачів мають однакові фази і дають максимум випромінювання. Поле, створене в інших напрямах, значно слабкіше. Деяке збільшення напруженості поля має місце в тих напрямках, де різниця фаз хвиль, що приходять від крайніх випромінювачів, дорівнює (n + 1) p / 2, де n - ціле число. В цьому випадку перетин діаграми спрямованості площиною містить ряд пелюсток (рис. 8), найбільший з яких називається головним і відповідає максимуму випромінювання, інші називаються бічними.

У сучасній антеною техніці застосовуються антенні решітки, що містять до 1000 випромінювачів. Поверхня, на якій вони розташовані, називається апертурою (розкривом) антени і може мати будь-яку форму. Ставлячи різний розподіл амплітуд і фаз струмів на апертурі, можна отримати будь-яку форму діаграми спрямованості. Синфазное збудження випромінювачів, що утворюють плоску решітку, дозволяє отримати дуже високу спрямованість випромінювання, а зміна розподілу струму на апертурі дає можливість змінювати форму діаграми спрямованості.

Для підвищення спрямованості випромінювання, яке характеризується шириною головної пелюстки, необхідно збільшувати розміри антени. Зв'язок між шириною головної пелюстки q, найбільшим розміром апертури L і випромінюваної довжиною хвилі l визначається формулами:

для синфазного збудження і

якщо випромінювачі розташовані уздовж деякої осі, а зрушення фаз в них підібраний так, що максимум випромінювання направлений уздовж цієї осі (рис. 9). С - постійні, залежні від розподілу амплітуди струмів по апертурі.

Якщо радіохвилевід поступово розширюється до відкритого кінця у вигляді воронки або рупора (рис. 10), то хвиля в хвилеводі поступово перетвориться в хвилю, характерну для вільного простору. Така рупорна антена дає направлене випромінювання.

Дуже висока спрямованість випромінювання (до часток градуса на дециметрових і більш коротких хвилях) досягається за допомогою дзеркальних і лінзових антен. У них завдяки процесам віддзеркалення і заломлення сферичний фронт хвилі, випромінюваної електричним або магнітним диполем або рупорним випромінювачем, перетвориться в плоский. Однак через дифракції хвиль в цьому випадку діаграма також має головний і бічні пелюстки спрямованості. дзеркальна антена являє собою металеве дзеркало 1, частіше у вигляді частини параболоїда обертання або параболічного циліндра, у фокусі якого знаходиться первинний випромінювач (рис. 11). Лінзи для радіохвиль є тривимірні решітки з металевих кульок, стерженьков і т.п. (Штучні діелектрики) або набір прямокутних хвилеводів.

Прийом радіохвиль. Кожна передавальна антена може служити приймальні. Якщо на електричний диполь діє розповсюджується в просторі хвиля, то її електричне поле збуджує в диполі коливання струму, які потім посилюються, перетворяться по частоті і впливають на вихідні прилади. Можна показати, що діаграми спрямованості диполя в режимах прийому і передачі однакові, т. Е. Що диполь приймає краще в тих напрямках, в яких він краще випромінює. Це є загальною властивістю всіх антен, що випливають з принципу взаємності: якщо розташувати дві антени - передавальну А і приймальню В - на початку і в кінці лінії радіозв'язку, то генератор, який живить антену А, перемкнутий в прийомну антену В, створює в приймальному пристрої, перемикання в антену А, такий же струм, який, будучи включеним в антену А, він створює в приймачі, включеному в антену в. Принцип взаємності дозволяє по властивостях передавальної антени визначити її характеристики як приймальні.

Енергія, яку диполь витягує з електромагнітної хвилі, залежить від співвідношення між його довжиною l, довжиною хвилі l і кутом y між напрямком v приходу хвилі і диполем. Істотний також кут j між напрямом вектора електричної хвилі і диполем (рис. 12). Найкращі умови прийому, при j = 0. При j = p / 2 електричний струм в диполі не порушується, т. Е. Прийом відсутній. Якщо ж 0 <j <p / 2, то очевидно, що енергія, яку видобувають приймальні антеною з поля ~ (Ecos j) 2. Іншими словами, ця енергія пов'язана з поляризацією хвилі, що приходить. Зі сказаного вище випливає, що в разі випромінює і приймає диполів для найкращих умов прийому необхідно, щоб обидва диполя лежали в одній площині і щоб приймальний диполь був перпендикулярний до напрямку поширення хвилі. При цьому приймальний диполь витягує з хвилі, що приходить стільки енергії, скільки несе з собою ця хвиля, проходячи через перетин у формі квадрата зі стороною рівною

Шуми антени. Приймальна антена завжди знаходиться в таких умовах, коли на неї, крім корисного сигналу, впливають шуми. Повітря і поверхня Землі поблизу антени, поглинаючи енергію, відповідно до Релея - Джинса законом випромінювання створюють електромагнітне випромінювання. Шуми виникають і за рахунок джоулева втрат в провідниках і діелектриках підвідних пристроїв.

Всі шуми зовнішнього походження описуються так званою шумовий, або антеною, температурою T A. Потужність Р ш зовнішніх шумів на вході антени в смузі частот Dn приймача дорівнює:

Р ш = k T A Dn

(K - Больцмана постійна ). На частотах нижче 30 МГц переважну роль відіграють атмосферні шуми. В області сантиметрових хвиль вирішальний вклад вносить випромінювання поверхні Землі, яке потрапляє в антену зазвичай за рахунок бічних пелюсток її діаграми спрямованості. Тому для слабонаправленних антен антенна температура, обумовлена ​​Землею, висока; вона може досягати 140-250 К; у гостронаправлених антен вона складає зазвичай 50-80 До, а спеціальними заходами її можна знизити до 15-20 К.

Про конкретні типи антен, їх характеристики і застосуванні см. В ст. антена .

Літ .: Хайкін С. Е., Електромагнітні хвилі, 2 видавництва., М. - Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Електромагнітні поля і хвилі, М., 1956; Рамо С., Уїннері Дж., Поля і хвилі в сучасній радіотехніці, пер. з англ., 2 вид., М. - Л., 1950.

За редакцією Л. Д. Бахража.

Мал. 11. Схема дзеркальної антени: 1 - параболічний відбивач; 2 - хвилевід, що з'єднує двохщілистими випромінювач 3 з генератором; 4 - утворений випромінювачем сферичний фронт хвилі; 5 - плоский фронт хвилі після відображення від дзеркала.

Мал. 1. Виток котушки індуктивності.

Мал. 8. Перетин діаграми спрямованості антени площиною.

Мал. 3. Структура електричного Е і магнітного H полів поблизу диполя: пунктир - силові лінії електричного поля; тонкі лінії - силові лінії магнітного поля; Про - точка спостереження.

Мал. 4. Миттєві картини електричних силових ліній поблизу диполя для проміжків часу, віддалених один від одного на 1/8 періоду Т коливань струму.

Мал. 12 до ст. Випромінювання і прийом радіохвиль.

Мал. 2. Електричний диполь.

Мал. 10. Cxeмa рупорного випромінювача. Стрілками показані силові лінії електричного поля; точки - силові лінії магнітного поля, перпендикулярні площині малюнка, що виходять з його площини (хрестики - йдуть за площину).

Мал. 7. Зіставлення електричного диполя (а), магнітного (6) і щілинного (в, г) випромінювачів; 1 - провідник з струмом; 2 - стрижень з матеріалу з високою магнітною проникністю; 3 - металевий екран, в якому прорізана щілина; 4 - провідники, що йдуть від генератора високочастотних електричних коливань; 5 - силові лінії електричного поля; 6 - силові лінії магнітного поля.

Мал. 6. Несиметричний вібратор; Г - генератор електричних коливань.

Мал. 5. Просторова діаграма спрямованості електричного диполя.

Мал. 9. Принцип дії антени, яка випромінює вздовж осі системи диполів; S - шлях, пройдений хвилею, на якому відставання фази компенсується випередженням фази випромінюючого струму.