Аберрации электронных линз аберрация света абсолютная температура


Излучение радиоволн. Простейшие излучатели



страница5/9
Дата18.10.2016
Размер1.76 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Излучение радиоволн. Простейшие излучатели. Излучение эл.-магн. волн связано с процессом излучения осцил­лирующими электрич. зарядами. В классич. представлении поле такого осциллятора аналогично полю элем. электрич. диполя длиной l<<, коле­блющегося с частотой . На расстоя­ниях r< поле можно считать квази­статическим, быстро убывающим с рас­стоянием как г-2 и r-3 (поля ин­дукции). С такими полями не мо­жет быть связано излучение энергии. Поток энергии, протекающей через единичную площадку в ед. времени, выражается составляющей Пойнтинга вектора: П=[ЕН], перпендикуляр­ной этой площадке. В квазистатич. полях Е и Н сдвинуты по фазе на π/2 (как в стоячих волнах), поэтому вектор Пойнтинга, осциллируя с удвоенной частотой, в ср. за период точно равен 0. Отличие П от 0 может быть обус­ловлено лишь полями E и Н, колеб­лющимися с одинаковой фазой (как в бегущих волнах) и убывающими про-

24

порц. 1lr (П~1/r2). Это непосредствен­но следует из закона сохранения энер­гии, т. к. при отсутствии потерь в сре­де полный поток энергии в пр-во не должен изменяться с расстоянием, а поскольку площадь охватывающих ди­поль замкнутых поверхностей растёт как r2, то необходимо, чтобы П было пропорц. r-2.



Т. о., поле в ближней зоне диполя (зоне индукции) служит для формиро­вания бегущих составляющих полей, ответственных за излучение. На рис. 3 приведена картина последователь­ного «отпочковывания» силовых линий электрич. поля Е, создаваемых колеб­лющимся электрич. диполем. В 1-й четверти периода Т колебания (t=T/4) возникает квазистатич. часть поля (рис. 3, а), к-рая при t=T/2 об­ращается в 0, но от поля «отрываются»



Рис. 3. а — электрич. силовые линии око­ло электрич. диполя (при условии посто­янства заряда); б — г — силовые линии, отде­лившиеся от диполя: б — через 1/2, периода (T/2) после подсоединения генератора (за­ряд на диполе отсутствует); в — через 3/2Т (масштаб изменён); г — через 7/4T (масштаб изменён).

замкнутые сами на себя силовые линии поля Е и «сцепленные» с ними кольце­вые ортогональные магн. линии (рис. 3, б). Вместе они образуют ав­тономную полуволновую тороидаль­ную (в силу аксиальной симметрии) ячейку сферически расходящейся вол­ны, уносящей эл.-магн. энергию (рис. 3, в, г.)



Реальный вибратор можно предста­вить как два отрезка проводника (рис. 4), подсоединённых к генерато­ру эл.-магн. колебаний с помощью двухпроводной линии передачи так, что фактически излучение происходит че­рез место разрыва вибратора, где П0. Однако на больших расстояниях от разрыва квазистатич. часть поля и формируемое ею излучение совпадают с полем сплошного перем. тока с ам­плитудой I0, равномерно распределён­ного по всей линии длиной l, затягива­ющей разрыв. Полная ср. мощность, излучаемая отрезком проводника с током (короткая А.), равна:



Здесь Z0=120=376,6 Ом — волно­вое сопротивление вакуума, kволн. число.

Мощность Р можно представить как мощность, поглощаемую в нек-ром активном сопротивлении R, наз. со­противлением излучения: Р= 1/2RI20, где

Сопротивление излучения — одна из составляющих комплексного вход­ного сопротивления A.: Zвх=R+Rn+Za, где Rnактивное сопро­тивление джоулевых потерь в А., Za— реактивный импеданс, обуслов­ленный запасённой энергией. Для по­вышения эффективности работы А. обычно стремятся к «согласованию» линии передачи с А., т. е. к равенству волн. сопротивления линии и Zвх Согласование, а также уменьшение джоулевых потерь в А. увеличивает её кпд: подв, где Рподв — мощность, подводимая к А.

В случае магн. диполя картина фор­мирования полей такая же, как и для электрич. диполя с заменой Е на Н и Н на -Е. Элем. излучатель в этом случае имеет вид замкнутого провод­ника с током, обтекающим площадку размером <<2. Для него сопротивле­ние излучения:

Магн. диполь реализуется в виде рам­ки с током (рамочная А.); стерж­ня из проводника с высокой магн. проницаемостью, на к-рый намотана ка­тушка (магнитная А.); щели, прорезанной в экране, обтекаемой перем. током (щелевая антенна, рис. 5). Замкнутые и незамкнутые провод­ники с током, возбуждаемые непос­редственно генератором или эквива­лентным ему источником эдс, широко используются и как самостоятельные



Рис. 5. Сопоставление полей электрического (а) и магнитных диполей — катушки с сер­дечником (б) и щелевого излучателя (в, г): 1 — проводник с током; 2 — стержень с высокой магн. проницаемостью; ,3 — металлич. экран со щелью; 4 — проводники от генератора; 6 — силовые линии электрич. поля; 6 — линии магн. поля.


А., и как элементы сложных антенных систем практически во всех диапазо­нах радиоволн (см. ниже).

Диаграмма направленности. Важная функция А. состоит в формировании излучения с определ. хар-ками, гл. обр. с заданной диаграммой направ­ленности — угл. распределением ам­плитуды поля излучения. Кроме ам­плитудной диаграммы, часто исполь­зуют диаграмму направленности по мощности — угл. распределение плот­ности потока энергии излучения А. в дальней зоне. Обе эти диаграммы направленности у сложных А. имеют лепестковую структуру, обусловлен­ную интерференцией волн, излучае­мых и рассеиваемых разл. элемента­ми А. Если синфазно складываются



Рис. 6. Слева — диаграмма направленности; справа — ее сечение.
поля всех элементов, то соответствую­щий им максимум наз. главным. Ди­аграмму направленности изображают в виде объёмной, рельефной картины, контурной карты с линиями равных уровней либо с помощью отд. плоских сечений, чаще двух ортогональных се­чений, проходящих через направление гл. максимума и векторы Е и Н (рис. 6).

Т. к. осн. часть мощности, излучае­мой или принимаемой А., локали­зуется в гл. лепестке, направленность



25

излучения А. характеризуют шириной гл. лепестка на уровне половинной мощности 0,5 или нулевом уровне: 020,5. Величина t0,5 опреде­ляет угловое разрешение А. и мо­жет быть приближённо оценена по ф-ле (в радианах): 0,5/D, Dразмер А. в данном сечении диаграммы направленности. Это соотношение сов­падает с Рэлея критерием, используе­мым в оптике для оценки разрешаю­щей способности оптич. систем. В т. н. сверхнаправленных А. это ограничение преодолевают за счёт создания резко осциллирующего фа­зового распределения (неустойчивого к малейшим флуктуациям).

При уменьшении D/ диаграмма на­правленности А. расширяется, однако даже у предельно малой А. диаграмма не явл. полностью изотропной. Напр., диаграмма направленности электрич. и магн. диполей имеет вид тороида, ось к-рого совпадает с осью ди­поля (рис. 7). Различают диаграммы направленности: игольчатые (остро­направленные в двух гл. плоскостях); веерные (остронаправленные в одной гл. плоскости); спец. формы в одной или двух гл. плоскостях, напр. типа cosec ( — угол места) или П-образная (с максимально крутыми скатами гл. лепестка и подавленными боко­выми лепестками); слабонаправлен­ные (с 0,5 порядка неск. десятков градусов в гл. плоскостях); «всенаправленные» в одной плоскости в виде тела вращения вокруг оси, перпенди­кулярной направлению гл. макси­мума .


Рис. 7. Диаграм­мы направлен­ности электрич. и магн. диполей.
Подбором излучателей (дипольных и мультипольных) можно создать А. с любой диаграммой направленности, однако обычно предпочитают нахо­дить оптим. компромисс между точ­ностью воспроизведения диаграммы и простотой изготовления и регулиров­ки А., её стоимостью, кпд и т. п. Выбор излучателей, а следовательно, и конструкции А. существенно зависит от диапазона длин волн.



Рис. 8. Схема ДВ передающей антенны: 1 — горизонт. часть; 2 — снижение; 3 — изоля­торы; 4 — мачты с оттяжками; 5 — пере­датчик; 6 — заземление.
Так, на ко­ротких, средних и длинных радиовол­нах (~1075 м и ~2•102—2•104 м) в ряде случаев естественным и техно­логичным оказывается использование А., близких к электрич. диполям-вибраторам с l (рис. 8, 9) или к их сочетаниям в виде т. н. антенных полей и решёток с размерами l>>.



Рис. 9. Схема антенны — мачты Айзенберга.
При этом приходится учитывать, что зоны индукции в этом случае могут простираться на многие км, а на хар-ки излучения А. существ. влияние оказывают ионосфера и Земля (см. Распространение радиоволн).

Структура поля системы излучате­лей зависит от их взаимного располо­жения, общей конфигурации системы, фазовых и амплитудных соотношений между токами в излучателях, наличия и расположения неизлучающих (пас­сивных) элементов и т. д. Однако об­щим явл. то обстоятельство, что на расстоянии от А., равном неск.  (в волн. зоне), быстро спадающие поля индукции становятся несущественны­ми, а поле излучения определяется суперпозицией полей, возбуждаемых излучателями.

Рассмотрим для простоты А., пи­таемые синфазно. На расстоянии неск.  от поверхности синфазной фазиро­ванной антенной решётки (рис. 10)

формируется синфазное распределе­ние поля на поверхности диаметром D>>. Эта поверхность наз. излучаю­щим раскрывом или апертурой А. Аналогичная картина имеет место и для А. так называемого оптич. типа, в к-рых элем. вибратор с l<< (или его аналог в виде щели, рупора, от­крытого конца волновода и т. п.) по­мещается в фокус линзы (линзовая антенна) или отражателя (зеркаль­ная антенна), к-рые формируют прак­тически синфазные поля на своём раскрыве: плоской поверхности, огра­ниченной, напр., кромкой зеркала (рис. 11).

Дальнейшая эволюция, к-рую пре­терпевает поле «волн. пучка», создаваемого широким синфазным раскрывом, условно показана на рис. 12 в предположении достаточной угл. «узости» диаграммы направленности (угл. спектр плоских волн, на к-рые можно разложить поле излучения, характеризуется волн. векторами k, мало отклоняющимися от направле­ния, перпендикулярного раскрыву). На близких расстояниях (практически в пределах <rD2/n, n>10 —20 — целое число) синфазность фронта ещё не нарушается, и волна ведёт себя почти как плоская.



Рис. 11. Схема однозеркальной параболич. антенны.
Это — зона гео­метрической оптики или т. н. про­жекторного луча, в к-ром сосредото­чена практически вся мощность, излу­чаемая А. (для оптич. прожектора почти вся атмосфера находится в об­ласти геом. оптики, т. к. =5 •10-5 см, D50 см, D2/20=25 км).

Затем в интервале расстояний гrD2/n (10>n>1) происходит су­ществ. нарушение синфазности, сопро­вождаемое осцилляциями амплитуд поля, в т. ч. в направлении распрост­ранения. Это — зона дифракции Фре­неля (см. Дифракция волн, Дифракция света). И наконец, при r>>D2/ (ус­ловно принято при r>2D2/) волн. фронт становится сферическим, поле убывает как 1/r, и осцилляции ампли­туд в направлении распространения практически исчезают. Это — даль­няя зона А., где уже можно оперировать с понятием диаграммы направ­ленности (зависимости амплитуды по­ля только от угл. координат).





Другие характеристики антенны.

Кроме диаграмм направленности по амплитуде и мощности, часто поль­зуются поляризационными и фазовы­ми диаграммами направленности. Поляризац. диаграмма — зависимость поляризации поля (ориентации век­тора Е) от направления в дальней зоне А. Различают линейную и эллип­тическую (в частности, круговую) по­ляризации. Угл. зависимость фазы поля А.— фазовая диаграмма, в от­личие от амплитудной зависит от рас­положения начала координат на А. Если можно найти такое положение

26

начала координат, относительно к-рого фаза постоянна (не зависит от угла) или скачком меняется на ± при переходе от одного лепестка диаграммы к другому, то такое на­чало координат наз. фазовым центром А. Обладающую фазо­вым центром А. можно считать источ­ником сферич. волн. В большинстве случаев А. не имеют фазового центра. Поэтому часто вводят условный фазо­вый центр — центр кривизны поверх­ности (или линии) равных фаз в гл. направлении.



Параметрами А. также явл.: коэфф. направленного действия Д, коэфф. усиления G=Д ( — кпд А.), коэфф. рассеяния  (доля мощности, излу­чаемой вне гл. лепестка диаграмм на­правленности), а также диапазонность (полоса частот). Коэфф. направлен­ного действия Д характеризует вы­игрыш по мощности в данном направ­лении (обычно в направлении макси­мума) вследствие направленности А. Он равен отношению мощности, излу­чаемой в ед. телесного угла (, ) в направлении максимума (Дмакс) диаграммы направленности, к ср. мощ­ности, излучаемой А. по всем направ­лениям. Для апертурных А. Дмаксk•4/0,50,5, где k~0,6-0,7 — коэфф. использования А., учитываю­щий, что часть мощности () уходит в боковые лепестки, а апертура А. облучается неравномерно.

Хар-ки А. зависят от частоты. Диапазон частот , в к-ром хар-ки А. можно считать неизменёнными, наз. её полосой частот. У нек-рых А. параметры незначительно меняются в широком диапазоне частот. Напр., ромбическая антенна и логопериодич. А. весьма широкополосны.

Приёмные антенны характеризуют­ся теми же параметрами, что и пере­дающие. Взаимности принцип свя­зывает хар-ки передающих и приём­ных А. Одно из следствий теоремы взаимности — совпадение диаграмм на­правленности А. при её работе в ре­жимах передачи и приёма. Для при­ёмных А. диаграмма направленнос­ти — зависимость напряжения, тока или мощности на клеммах А. от угла прихода (, ) на А. плоской волны. Приёмную А. характеризуют допол­нит. параметры: эфф. площадь эфф (для линейных А.— действую­щая длина или высота), шу­мовая темп-pa Та, помехозащищён­ность. Бели бы вся мощность, попа­дающая на раскрыв А., поглощалась ею, то эфф. поверхность А.эфф рав­нялась бы геом. площади геом её раскрыва. Поскольку, однако, часть мощности рассеивается, а часть те­ряется (джоулевы потери), то эфф<геом. Теорема взаимности устанав­ливает однозначную связь между эфф

На приёмную А. всегда, кроме «полезного» сигнала, 'воздействуют шумы. Шумовая температура приём­ной А. Тa вводится соотношением: (k/2)Ta вх, где  — полоса частот приёмника, Рвх — мощность на входе приёмника. Величина Та обус­ловлена как собств. шумами самой А.: Tша=(l-00 — темп-pa матери­ала А.), так и внеш. радиоизлучением Земли Tза, атмосферы Tатма и косм. пр-ва TкосмаT3а= (0,6-0,8)T0, где Т0темп-pa почвы,  — доля мощ­ности, излучаемой в направлении на Землю. При 0,2 и T0=300 К вели­чина Tза~(30—40)К. Для миллимет­ровых волн ТатмаТ0, а в сантимет­ровом и метровом диапазонах Та™ меняется в безоблачную погоду от единиц до десятков К при направле­нии соотв. в зенит и на горизонт; во время облачности и осадков Га™ суще­ственно увеличивается. Темп-pa Tакосм, связанная с распределением косм. радиоизлучения, растёт от 1 — 2К на сантиметровых волнах до десятков ты­сяч К на метровых и декаметровых вол­нах. Существенно повышается Tкосма при попадании в диаграмму направ­ленности А. радиоизлучения Солнца и мощности дискретных косм. источ­ников.

Существенной для высокочувстви­тельных приёмных А. явл. помехоза­щищённость, достигаемая как за счёт снижения общего уровня боковых лепестков, так и за счёт создания т. н.



Рис. 13а. Антенна типа «волновой канал».



Рис. 136. Логопериодическая антенна.
адаптивных А., параметры к-рых автоматически изменяются в за­висимости от условий работы и «помеховой» обстановки.

Типы антенн. Огромный диапазон длин волн, излучаемых или прини­маемых А. (от десятков км до долей мм). и многообразие областей ис­пользования А. (связь, радиолокация, радиоастрономия, геология, медицина и др.) обусловили большое число ти­пов и конструкций А. На длинных, средних и коротких волнах исполь­зуются в осн. проволочные и виб­раторные А. и их совокупности, в ча­стности фазированные антенные ре­шётки (рис. 10) и «антенные поля», А. типа волновой канал (рис. 13а),

логопериодич. А. (рис. 13б), ромбич. А. и т. п. Плоская синфазная фази­рованная антенная решётка относится к поперечным А., излучающим в на­правлении, перпендикулярном плос­кости расположения вибраторов. В этом направлении волны, излучаемые вибраторами, питаемыми токами с оди­наковыми амплитудами и фазами, складываются синфазно, и туда излу­чается макс. энергия. Если разность фаз токов в соседних вибраторах по­степенно увеличивать вдоль к.-л. на­правления в плоскости решётки (что эквивалентно созданию бегущей вол­ны тока), то направление максимума диаграммы направленности будет по­ворачиваться. Этим пользуются для т. н. качания (сканирования) антен­ного луча в пр-ве. Другая разновид­ность вибраторных А.— продольные (линейные) А., максимально излучаю­щие в плоскости расположения вибра­торов (ромбич. А., логопериодич. А., А. типа волновой канал).

В ДВ и СВ А. обе ф-ции А.— созда­ние поля излучения и формирование диаграммы направленности, выполня­ют одни и те же элементы — вибра­торы. В А. СВЧ диапазона поле излу­чения по-прежнему создают вибра­торы, но диаграмма направленности формируется в результате суперпози­ции не только непосредственно полей вибраторов, но и полей, рассеянных на разл. структурах — зеркале, лин­зе, щели, отверстии рупора и т. д. В А. СВЧ диапазона можно выделить (условно) ряд типов: рупорные А., линзовые А., щелевые А., диэлектрич. А., зеркальные А., А. поверхностных волн, фазированные антенные решёт­ки, А. с искусств. апертурой, интер­ферометры, системы апертурного син­теза. Каждый из этих типов содержит множество разновидностей.

Весьма существенна форма диаграм­мы направленности. Напр., в кач-ве бортовых А. летат. аппаратов исполь­зуются слабонаправленные А. с ши­рокой диаграммой. В А. радиолокац. систем, предназначенных для обзора пр-ва и вращающихся (вокруг вертик. оси), диаграмма узкая в горизонт. плоскости и широкая в вертикальной, либо состоящая из множества узких лучей, сканирующих в пр-ве. Радио­астр. А. и А. косм. связи должны обладать чрезвычайно высокой на­правленностью для точного определе­ния координат объекта, что требует увеличения отношения D/, и, следо­вательно, при данной К увеличения размеров А. Однако беспредельное наращивание размеров А. бесполезно, т. к. формирование узкой диаграммы и реализация большой эфф. площади приёма предъявляют жёсткие требо­вания к точности изготовления и со­хранения во времени поверхности А. Дисперсия А отклонений поверхности от заданной должна быть на порядок

27



Рис. 14а. Радиотелескоп с антенной переменного профиля РАТАН-600.



Рис. 14б. Антенна 100-м радиотелескопа в Бонне (ФРГ).
меньше X. Напр., А. 100 м полнопово­ротного радиотелескопа в Бонне (рис. 14б) для эфф. работы на волне =3 см (/D310-4) имеет погрешность из­готовления и сохранения поверхности зеркала /D10-5 в условиях вет­ровых, тепловых и весовых деформа­ций. Для обеспечения этого исполь­зуют т. н. гомологич. принцип конст­руирования, когда при движении зер­кала с помощью управляемого ЭВМ перераспределения нагрузок сохра­няется заданная форма поверхности, но со смещённым фокусом, в к-рый автоматически перемещается облуча­тель. Другими наиб. радикальными способами повышения разрешающей способности приёмной А. явл. расчле­нение А. на отд. регулируемые эле­менты. Это имеет место в А. перем. профиля (см. Радиотелескоп, рис. 14а), перископич. А. (см. Зеркальные антенны), в фазиров. антенных решётках и при разнесении А., используемых в кач-ве элементов интерферометрич. систем и систем апертурного синтеза (см. ниже).

К особому классу относятся т. н. малошумящие А., примером к-рых может служить рупорно-параболич. А. (рис. 15). Расположенный в фокусе излучатель-рупор облучает часть параболоида, и энергия излу­чается в пр-во через апертуру, огра­ниченную металлич. зеркалом и ко­нусом, так что энергия облучателя попадает только на зеркало. Уровень боковых и задних лепестков диаг­раммы направленности такой А. весь­ма мал, а шумовая темп-pa порядка неск. К.

Характерная особенность совр. ан­тенной техники — использование А. с обработкой сигнала (цифровой, ана­логовой, пространственно-временной, методами когерентной и некогерент­ной оптики и т. д.). Если излучение принимается А., в к-рой токи от отд. излучателей или участков суммиру­ются в одном тракте, то обработка такого суммарного сигнала связана с потерей информации. В то же время в фазированных антенных решётках можно обрабатывать отдельно каж­дый принятый элементами или их совокупностью сигнал и затем под­вергать получ. сигналы дополнит. обработке.

А. с обработкой сигнала являются радиоастр. системы апертурного синтеза. Принцип апер­турного синтеза заключается в ис­пользовании ряда А., последова­тельно во времени или стационарно занимающих определ. положения. Их сигналы суммируются и перемножа­ются с разл. взаимными фазовыми соотношениями. В результате соот­ветствующей обработки на ЭВМ по­лучается информация, эквивалентная такой, как при использовании сплош­ной апертуры, значительно превос­ходящей апертуры отдельных А. При машинной обработке можно осущест­влять сканирование луча в пределах достаточно широкого лепестка от-

дельной А. и др. преобразования ди­аграммы.

Наиболее крупная система апертур­ного синтеза, расположенная в Шарлотсвилле (США), состоит из 27 по­движных полноповоротных 25-м параболич. А., перемещаемых по рельсо­вым путям на расстоянии до 21 км





Каталог: units -> fmf -> department of theoretical physics and teaching physics -> files
files -> Закон тяготения эйнштейна коэффициенты эйнштейна де хааза эф­фект
units -> Учебная дисциплина Б. 11. Новая и новейшая история стран Востока
units -> Виктор Максимович Жирмунский
units -> Производственная и преддипломная практики студентов иениМ направления подготовки 020201. 65 Биология и 020803. 65 Биоэкология в 2011-2012 учебном году
units -> М качественные и количественные методы исследования в психологии Вопросы к экзамену Определение и соотношение понятий «методология»
units -> Направление подготовки
files -> Лабораторная работа т–4 определение удельной теплоты


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал