|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Излучение электромагнитных волн антенной |
 | |
Анимация
0
Описание
Излучение электромагнитных волн осуществляется с помощью антенны (от лат. antenna - мачта, рей). Антенна - устройство для излучения (или приема) радиоволн. Антенна оптимально преобразует подводимые к ней электромагнитные колебания в излучаемые электромагнитные волны (передающая антенна) или, наоборот, оптимально преобразует падающие на нее электромагнитные волны в электромагнитные колебания, которые воздействуют на приемник (приемная антенна).
В 1887 г. немецкий физик Г. Герц, использовав дипольную антенну, получил электромагнитные волны с длиной волны l = 0,6 - 10 м, тем самым подтвердив выводы теории Максвелла. В 1895 - 96 гг. А. С. Попов и независимо от него итальянский инженер Г. Маркони создали антенны, впервые использовавшиеся для практических целей. Антенна Попова в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила Земля. Первоначально функции передатчика (приемника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.
Излучение радиоволн. Простейшие излучатели. Излучение электромагнитных волн связано с процессом излучения осциллирующими электрическими зарядами. В классическом представлении поле такого осциллятора аналогично полю элементарного электрического диполя длиной 1 Ј l, колеблющегося с частотой w. На расстояниях 1 < l поле можно считать квазистатистическим, быстро убывающим с расстоянием как r -2и r -3 (поля индукции). С такими полями не может быть связано излучение энергии. Поток энергии, протекающей через единичную площадку в единицу времени, выражается составляющей Пойтинга вектора:
P = [EH],
перпендикулярной этой площадке. В квазистатистических полях Е и Н сдвинуты по фазе на p/2 поэтому вектор Пойнтинга, осциллируя с удвоенной частотой, в среднем за период точно равен 0. Отличие Н от 0 может быть обусловлено лишь полями Е и Н, колеблющимися с одинаковой фазой и убывающими пропорционально 1/r (P ~ 1/r2). Это непосредственно следует из закона сохранения энергии, т.к. при отсутствии потерь в среде полный поток энергии в пространство не должен изменяться с расстоянием, а поскольку площадь охватывающих диполь замкнутых поверхностей растет как r -2, то необходимо, чтобы P было пропорционально r -2.
Реальный вибратор можно представить как два отрезка проводника, подсоединенных к генератору электромагнитных колебаний с помощью двухпроводной линии передачи так, что фактически излучение происходит через место разрыва вибратора, где P № 0. Однако на больших расстояниях от разрыва квазистатистическая часть поля и формируемое ею излучение совпадают с полем сплошного переменного тока с амплитудой I0, равномерно распределенного по всей линии длиной l, затягивающей разрыв. Полная средняя мощность, излучаемая отрезком проводника с током (короткая антенна), равна:
, (1)
где Z0 - волновое сопротивление вакуума;
k - волновое число.
Мощность 
можно представить как мощность, поглощаемую в некотором активном сопротивлении 
, называемом сопротивлением излучения:
, (2)
сопротивление излучения - одна из составляющих комплексного входного сопротивления антенны:
,
где Rp - активное сопротивление джоулевых потерь в антенне;
Za - реактивный импеданс, обусловленный запасенной энергией.
Для повышения эффективности работы антенны обычно стремятся к "согласовыванию" линии передачи с антенной, т.е. к равенству волнового сопротивления линии и Zin. Согласование, а также уменьшение джоулевых потерь в антенне увеличивает ее КПД:
,
где Pin - мощность подводимая к антенне.
В случае магнитного диполя картина формирования полей такая же, как и для электрического диполя с заменой Е на Н и Н - на Е. Элементарный излучатель в этом случае имеет вид замкнутого проводника с током, обтекающим площадку размером s Ј l2. Для него сопротивление излучения:
. (3)
Магнитный диполь реализуется в виде рамки с током (рамочная антенна); стержня из проводника с высокой магнитной проницаемостью, на который намотана катушка (магнитная антенна); щели, прорезанной в экране, обтекаемой переменным током.
Замкнутые и незамкнутые проводники с током, возбуждаемые непосредственно генератором или эквивалентным ему источником ЭДС, широко используются и как самостоятельные антенны, и как элементы сложных антенных систем практически во всех диапазонах радиоволн.
Структура поля системы излучателей зависит от их взаимного расположения, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между точками в излучателях, наличия и расположения неизлучающих (пассивных) элементов и т.д. Однако общим является то обстоятельство, что на расстоянии от антенны, равном нескольким l (в волновой зоне), быстро спадающие поля индукции становятся несущественными, а поле излучения определяется суперпозицией полей, возбуждаемых излучателями.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Применение эффекта
Современные передающие антенны характеризуются большими диапазонами длин волн (от десятков км до долей мм) и многообразием областей использования: связь, радиолокация, геология, медицина и т.д. Большое число типов и конструкций антенн обуславливают реализацию широкого диапазона длин волн (длинных, средних и коротких волн).
Схема антенны-мачты Айзенберга показана на рис. 2.
Схема однозеркальной приемной параболической антенны показана на рис. 3.
Радиотелескопом называется устройство для приема и измерения радиоизлучения космических объектов в диапазоне от декаметровых до миллиметровых длин волн (в пределах окна "прозрачности" земной атмосферы для радиоволн). Радиоантенны состоят из антенны и измерителя малых мощностей - радиометра.
Реализации эффекта
На рис. 1 показана техническая реализация опыта Герца.
Обозначения:
cлева - излучающий вибратор;
справа - приемный вибратор;
1 - повышающий трансформатор;
2 - дроссели;
3 - газоразрядная трубка.
Литература
1. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 29-30.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |