Основы радиосвязи (стр. 11 из 12)

Ближнюю зону иначе называют зоной индукции.

Дальняя зона

При достаточно больших расстояниях от антенны, где

(

) не учитывать сомножитель

в выражениях для

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

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

. 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.

3.4 Излучение рамочной антенны

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:

. Значения комплексных амплитуд соответствуют выражениям (3.1) для

, полученным для диполя Герца, причем

= -

В дальней зоне векторы

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

поменялись местами.

3.5 Излучение плоскости

Предположим, что имеется плоская поверхность в виде прямоугольника со сторонами a и b, по которой равномерно распределены векторы

, как показано на рис.3.8.

Нормированная диаграмма направленности такого излучающего элемента в двух взаимно перпендикулярны плоскостях при φ = 0 и φ = π/2 имеет следующий вид []:

,(3.4)

где

отношение амплитуды напряженности электрического поля к максимальной амплитуде, соответствующей углу места θ = 0; l = a для плоскости φ = 0 (т.е.x0z) и l = b для плоскости φ = π/2 (т.е.y0z ). Графики функции

, построенные для 2-х значений

, приведены на рис. 3.9

Как видим, диаграмма направленности имеет вид лепестка, причем максимум излучения направлен перпендикулярно излучающей плоскости. Если размер плоскости увеличен, то главный лепесток сужается и появляются боковые лепестки, создающие излучения в других направлениях.

Появление максимумов и минимумов в диаграмме направленности объясняется усиливающей и ослабляющей интерференцией полей, созданных отдельными участками излучающей поверхности. Ширину главного лепестка оценивают величиной 2θ0, где θ0 - минимальный угол, при котором

, либо величиной 2θ-3дБ, где θ-3дБ - угол, при котором

падает на 3 дБ по сравнению с максимальный значением.

Из (3.4) и рис.3.9 следует, что для создания узконаправленных диаграмм нужно увеличивать линейные размеры антенны l с тем, чтобы выполнялось соотношение l>>λ.

3.6 Типы антенн

Существуют передающие антенны, предназначенные для излучения радиоволн, и приемные антенны, служащие для их приема. Антенны – устройства взаимные, их можно использовать и для излучения, и для приема.