Учебное пособие: Основы радиосвязи

,

,

.

Мгновенные значения проекций векторов напряженности  и  могут быть записаны в следующем виде:

,

,

,

где

- амплитуда колебаний напряженности магнитного поля.

Расположение проекций векторов  и  в пространстве показано на рис.3.4

Суммарный вектор  перпендикулярен вектору  и колебания  и  сдвинуты во времени на 90o.

Мгновенный вектор Пойнтинга в ближней зоне

Как видим, плотность потока мощности электромагнитного поля в ближней зоне излучателя колеблется около нулевого значения, уходя от антенны и возвращаясь обратно. Среднее во времени значение вектора Пойнтинга

.

Итак, в ближней зоне излучения энергии нет.

Особенности ближней зоны

1.Электромагнитная волна не распространяется в пространстве, а колеблется около антенны, причем амплитуды колебаний напряженностей  и  быстро падают с ростом расстояния r: Hm Em - падает обратно пропорционально r2, а Em – обратно пропорционально r3;

2.Колебания H(t) и E(t) имеет постоянный фазовый сдвиг, равный 90o, в результате чего средняя во времени плотность мощности электромагнитных колебаний равно 0; антенна в ближней зоне эквивалентна реактивному элементу электрической цели (емкости или индуктивности), у которого, как известно, ток и напряжение колеблются в квадратуре.

Ближнюю зону иначе называют зоной индукции.

Дальняя зона

При достаточно больших расстояниях от антенны, где  () не учитывать сомножитель в выражениях для ,  и  нельзя. Пренебрегая малыми членами в скобках выражений (2.1), получим

,

,

.

Мгновенные значения напряженностей H и E:

,

,(3.2)

где

,

 – амплитуды колебаний напряженностей поля.

Как видим, векторы  и  перпендикулярны в пространстве и их значения колеблются синфазно во времени. Из (3.2) следует, что выражения для H и E представляют собой волны, бегущие вдоль оси r.

Среднее значение вектора Пойнтинга в дальней зоне

(3.3)

В радиосистемах прием электромагнитных колебаний происходит на расстояниях, существенно больших длины волны, т.е. в дальней зоне.

Особенности дальней зоны

1.Напряженности H и E колеблются синфазно, их амплитуды уменьшаются обратно пропорционально расстоянию r;

2.Плотность мощность электромагнитного поля определяется квадратом амплитуды тока генератора Im, растет с увеличением отношения длины вибратора l к длине излучаемой волны λ и падает обратно пропорционально квадрату расстояния;

4.Излучаемая мощность зависит от угла места θ и максимальна в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

Из выражения (2.3) следует, что для эффективного излучения геометрические размеры антенны должны быть соизмеримы с длиной волны. Этот вывод справедлив для всех антенн.

3.3 Диаграмма направленности антенны

Как видно из (3.1) и (3.3), комплексные амплитуды и плотность мощности электромагнитного поля, излучаемого диполем Герца, зависят от угла места θ. Для других антенн эти величины зависят и от азимутального угла φ В общем случае от θ и φ зависят амплитуды и фазы  и . Поскольку H и E жестко связаны, обычно используют зависимость .

Зависимость амплитуды напряженности электрического поля E в дальней зоне от углов места θ и азимута φ при постоянном расстоянии r называется амплитудной диаграммой направленности. Зависимость фазы комплексной амплитуды  от θ и φ называется фазовой диаграммой направленности.

Зависимость E от θ для диполя Герца определяется множителем sinθ, поэтому диаграмма направленности имеет вид баранки (тороид вращения) – рис. 3.5

Диаграмму направленности изображают в полярных или декартовых координатах в 2-х плоскостях:

- в плоскости φ = const – рис. 3.6, а;

- в плоскости θ = const - рис. 3.6, б.

Другим простейшим излучателем является круглая проволочная рамка радиуса a, по которой протекает переменный ток I(t). Допустим, ток меняется во времени по гармоническому закону, т.е.

.

Если рамка расположена в горизонтальной плоскости, как показано на рис. 3.7, то решение уравнения Максвелла дает существование 3-х проекций векторов напряженностей поля: ,  и . Значения комплексных амплитуд соответствуют выражениям (3.1) для,,, полученным для диполя Герца, причем

= -,

=,

=.

В дальней зоне векторы  , и  ориентированы в пространстве так, как показано на рис. 3.7

Максимум излучения оказывается в горизонтальной плоскости, т.е. в плоскости рамки. Таким образом, диаграмма направленности рамочной антенны такая же, как и у диполя Герца, только векторы  ипоменялись местами.

3.5 Излучение плоскости

Предположим, что имеется плоская поверхность в виде прямоугольника со сторонами a и b, по которой равномерно распределены векторы  и, как показано на рис.3.8.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12