Теория: понемногу - обо всем

Журнал "Радио", номер 1, 1999г.
Автор В.Поляков, г.Москва

    Структура получившейся электромагнитной волны показана на рис. 10,а. Волна распространяется по направлению оси х, и путь, проходимый волной за один период колебаний, называется длиной волны l = сТ. Поскольку период обратно пропорционален частоте (T = 1/f = 2p/w), легко получить еще одно, часто используемое выражение для волнового числа: k = w/c = 2p/l. Величина kх составляет фазовое запаздывание колебаний, прошедших путь х. Когда волна проходит расстояние, равное l, ее фазовое запаздывание равно 2p (здесь и далее p - число "пи").

    А теперь небольшое отступление. В публикуемых теоретических статьях встречаются формулы, поясняющие те или иные процессы. Они окажутся доступными и понятными тем, кто обладает соответствующими знаниями математики и желает более углубленно осваивать электронику. При недостаточных знаниях математики такого уровня можно рекомендовать опускать описания расчетов. Суть описываемых явлений будет понятна и без них.

    Разумеется, плоская волна содержит много "лучей", подобных изображенному на рис. 10,а и распространяющихся параллельно друг другу. Если во всех лучах соединить точки, колеблющиеся в одинаковой фазе, получится поверхность, называемая волновым фронтом. Для плоской волны это плоскость, перпендикулярная оси х. Когда же волны расходятся из одной точки во все стороны, как показано на рис. 10,б,в, волновой фронт имеет сферическую форму и тогда говорят о сферической волне.

    Амплитуды колебаний электрического E m и магнитного H m полей в решениях уравнений Максвелла могут быть любыми - они зависят от мощности источника. Куда же девается эта мощность? Она уносится электромагнитной волной! Поток мощности, переносимый волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, называется вектором Пойнтинга: П = Е х Н.

    Обратите внимание на размерность: если Е измеряется в В/м, а Н - в А/м, то для П получаем Вт/м 2 . Например, поток мощности электромагнитного излучения Солнца у поверхности Земли составляет в среднем 600 Вт/м 2 , правда, большая его часть приходится не на радиодиодиапазон, а на оптический и инфракрасный. Такого же порядка может быть поток мощности в радиодиапазоне, создаваемый антеннами мощных радиолокационных и радиовещательных станций.

    Поскольку, в соответствии с уравнениями Максвелла, электрическое поле порождает магнитное и наоборот, между амплитудами полей должна быть прямо пропорциональная зависимость. Так оно и есть, и уравнения дают простую связь: Е = W . H, где W - волновое сопротивление пространства; W 2 = mm0 /ee0 . Это соотношение полностью эквивалентно закону Ома в электротехнике. Размерность волнового сопротивления - омы, и для свободного пространства, где W 2 = m0 /e0 , оно составляет 120p, или 377 Ом.

    Диапазон электромагнитных волн огромен, длина волны может составлять от многих километров до миллионных долей миллиметра. К радиодиапазону относят волны длиной более 0,1 мм. Более короткие волны с длиной от 100 до 0,7 мкм попадают в инфракрасный (ИК) диапазон. Видимый свет имеет длину волн от 0,7 мкм (красный) до 0,35 мкм (синий). Максимальную чувствительность человеческий глаз имеет на длине волны около 0,5 мкм (зеленый цвет). Еще более коротковолновое электромагнитное излучение относится к ультрафиолетовому, рентгеновскому и гамма-излучению.

    Радиодиапазон также делят на участки-диапазоны. Раньше широко пользовались длинами волн, теперь же почти исключительно частотой, поскольку она определяется передатчиком (генератором) и может быть измерена гораздо более точно, чем длина волны.

    2.4. ....и практически

    Исторически первым излучателем электромагнитных волн был диполь Герца, показанный на рис. 11,а. Он состоит из двух стержней с шарами или дисками на концах, обладающих некоторой емкостью. В то же время стержни, как и любой проводник, обладают индуктивностью. Следовательно, диполь представляет собой последовательный колебательный контур и имеет некоторую резонансную частоту. Если генератор, подключенный в точках хх, настроить на ту же частоту, то генератор "увидит" нулевое реактивное сопротивление и отдаст в диполь максимальный ток. Этот ток, текущий по стержням, будет перезаряжать концевые емкости шаров или дисков, одновременно создавая вихревое магнитное поле (на рис. 11,а показано штриховыми линиями).

    Заряды на концах диполя создадут электрическое поле, и в пространство будут излучаться электромагнитные волны. Лучше всего они излучаются в направлениях, перпендикулярных оси диполя и совсем не излучаются вдоль его оси.

    Если отложить на графике (рис. 11,б) относительную напряженность поля E(j), создаваемого диполем, в зависимости от угла между осью диполя и направлением на приемник, получится диаграмма направленности. Она описывается очень простой функцией: E(j) = cos j. В любом сечении, плоскость которого проходит через диполь, она напоминает восьмерку, а в пространстве похожа на тороид, или "бублик" без отверстия в середине.

    Любопытно, что если перпендикулярно диполю поместить проводящую плоскость, проходящую через его середину, структура поля нисколько не изменится, поскольку силовые линии электрического поля будут перпендикулярны плоскости. Теперь нижнюю половинку диполя можно вообще убрать, а генератор подключить между верхней половиной диполя и плоскостью, как показано на рис. 11,в. Напряженность поля вблизи проводящей плоскости даже возрастет, поскольку энергия передатчика теперь будет излучаться только в верхнее полупространство.

    Именно так устроены длинноволновые передающие антенны-мачты с верхней емкостной нагрузкой, причем проводящей поверхностью служит Земля - на низких частотах токи проводимости в ней намного превосходят токи смещения, и она обладает неплохими проводящими свойствами. Еще лучшим проводником оказывается морская вода.

    Для таких антенн необходимо хорошее заземление. Верхнюю емкость антенны конструктивно трудно выполнить в виде шара, да и не нужно - не менее эффективно работают "диски", выполненные из ряда радиальных проводников (как спицы у колеса) или системы горизонтальных проводников, так называемое "полотно" антенны.

    В первые годы развития радиовещания увлекались длинными волнами - считалось, что чем длиннее волна, тем дальше она распространяется вдоль поверхности земли. А поскольку для эффективного излучения размеры антенны должны быть сравнимы с длиной волны, строились гигантские антенные сооружения. В качестве примера на рис.12,а схематически изображена деревянная (!) антенна-башня высотой 140 м, построенная в начале 30-х годов в Бреславле. На вершине башни на изоляторах был закреплен емкостный "зонтик", от которого вертикально вниз спускался излучающий провод.

    Самая же мощная радиостанция тех лет (им. Коминтерна) была построена под Москвой (вблизи Ногинска) и имела горизонтальное полотно, подвешенное на высоте около 200 м на четырех опорах с тремя снижениями (рис.12,б). Внизу под снижениями располагались павильоны с устройствами настройки и согласования антенны. Собственная (резонансная) длина волны антенны составила 1970 м. При излучаемой мощности 500 кВт антенна обеспечивала радиовещанием всю европейскую часть Союза. После некоторой модернизации антенна работает до настоящего времени.

    Излучаемые электромагнитные волны поляризованы, направлением поляризации считают направление вектора электрического поля Е. Наши антеннымачты излучают вертикально поляризованные волны, и у поверхности Земли они имеют структуру, как на рис. 10,а. Собственно, только такие волны и могут распространяться вдоль поверхности Земли, так как вектор Е обязательно должен быть перпендикулярен проводящей поверхности (вспомните граничные условия к уравнениям Максвелла), поэтому на длинных и средних волнах используют исключительно вертикальную поляризацию. Диаграмма направленности антенны-мачты тоже весьма благоприятна для радиосвязи и радиовещания, поскольку максимум излучения направлен на горизонт (см. рис.11,в).

    По мере укорочения длины волны и соответствующего повышения частоты поверхность Земли постепенно теряет проводящие свойства и вблизи нее могут распространяться волны уже с любой поляризацией. Это относится к диапазонам коротких волн (КВ) и в еще большей степени ультракоротких (УКВ). Антенны этих диапазонов также уменьшаются в размерах. О них мы расскажем позже.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.