Излучение и распространение радиоволн

Электромагнитные волны излучаются в пространстве передающими антеннами, на которые поступают колебания по фидеру от источника. В антеннах происходят преобразования колебаний различных типов, существующих в фидере, в ТЕМ-волны, распространяющиеся в свободном пространстве.

Диполь Герца

Электромагнитное поле создается генератором, от которого колебания E (t) и H (t) по фидерному тракту поступают в излучатель антенны (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Образование электромагнитного поля в пространстве

Антенна — это устройство, которое служит для излучения и приема электромагнитных колебаний. Существует огромное количество типов антенн. Все они взаимны, т. е. одновременно могут излучать и принимать. Изучение антенн начнем с самых простых.

Простейшим излучателем является диполь Герца, представляющий собой металлический стержень, имеющий разрыв, в который поступают колебания от генератора /_г (t), а на концах стержня располагаются шары.

Рис. 3.2. Диполь Герца.

При периодическом изменении тока генератора в диполе протекает переменный ток плотностью j (t), а на шарах накапливается переменный заряд Q{t). Диполь Герца излучает электромагнитные колебания по следующим причинам:

• 1) в соответствии с первым и третьим уравнениями Максвелла под действием переменных j (t) и р₃(/) в пространстве около диполя возникают переменные магнитное H{t) и электрическое E (t) поля;
• 2) согласно первому и второму уравнениям Максвелла вокруг силовых линий Ё возникает магнитное поле Н, а вокруг силовых линий Н — электрическое поле Ё; далее процесс повторяется, в результате чего образуется электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве.

Для того чтобы определить характеристики излучения диполя Герца, решим уравнения Максвелла при следующих допущениях:

1) плотность тока проводимости вибратора j_u (t) одинакова в любой точке сечения стержня, т. е. ток равномерно распределен по сечению площадью S, отсюда.

2) ток генератора изменяется во времени по гармоническому закону

где 1_Ш — амплитуда; со —циклическая частота колебаний.

Уравнения Максвелла целесообразно решать в сферической системе координат, где координатами являются:

г — расстояние от начала координат до точки наблюдения, 0 — угол места, ф — азимутальный угол (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Сферическая система координат.

Векторы ?иЯ в сферической системе могут быть записаны следующим образом:

где i_r, /₀, /_ф — единичные векторы длины, направленные по касательной к координатным линиям; E_r, ?_е, Е, Н_г, Я₀, Я_ф — проекции векторов? и Я на координатные линии г, 0, ф.

Координатная линия — это линия пересечения двух координатных поверхностей, которые представляют собой поверхности одинаковых значений г, 0, ф. Координатной поверхностью г = const является сфера, 0 = const — поверхность конуса, ф = const — плоскость.

Координатная линия г — это прямая, образованная пересечениями конической поверхности 0 = const и плоскости Ф = const, координатная линия 0 — окружность, образованная пересечением сферы г = const и плоскости ф = const, линия ф — окружность, образованная пересечением сферы.

г = const и поверхности косинуса 0 = const. На рис. 3.3 показаны направления векторов i_r, i_Q и ^.

При расположении диполя Герца, показанном на рис. 3.3, составляющие поля не зависят от азимутального угла ф. Решение уравнений Максвелла при известной длине диполя /, амплитуде тока генератора 1_гт, параметрах пространства в и р, а также условии отсутствия потерь энергии имеет следующий вид [3]:

lih.

где p₀ = — — волновое сопротивление пространства, V^eo.

(3 = со— фазовый множитель.

Из (3.1) очевидно, что из шести проекций векторов ЕиН в решении оказалось только три.