Линейный проводник, длина которого L значительно меньше длины волны (L<<λ), а амплитуда и фаза тока в нем не зависят от длины, называется элементарным электрическим излучателем. При питании элементарного электрического излучателя током, изменяющимся по гармоническому закону I = Imeiωt создается электромагнитное поле, напряженность электрической составляющей которого на достаточно большом расстоянии r по сравнению c длиной волны
E=-ieiωte-ikr(30kLIm/r)sinθ
где к=2π/λ — волновое число; θ — угол, лежащий в плоскости, проходящей через ось вибратора излучателя и отсчитанный от его оси.
Напряженность магнитной составляющей поля на достаточно большом расстоянии, когда r >> λ, связана с электрической составляющей соотношением Н=Е/120л
Выражение -ieiωte-ikr определяет фазу поля и называется фазовым множителем. Множитель eiωt зависит от фазы питающего тока, а множитель e-ikr характеризует запаздывание фазы при распространении волны на расстояние r. Фазовый множитель определяет фазовую характеристику антенны, а, следовательно, и форму поверхности фронта волны (поверхности одинаковых фаз). Как видно, фаза волны постоянна на одном и тому же расстоянии r от начала координат r=0. Поэтому фронт волны излучаемой элементарным электрическим излучателем, являете сферическим, а фазовый центр совпадает с центром сферы, т. е находится в точке r =0.
Выражение 30kLIm/r определяет амплитуду поля и называете амплитудным множителем.
В данном выражении sin θ характеризует зависимость напряженности поля от угла θ, т. е. описывает диаграмму направленности и называется множителем ДН элементарного электрического излучателя: -
F (θ)= sin θ
Рис. Диаграммы направленности элементарного электрического излучателя в Е (а) и Н (б, г) плоскостях в полярной (а, б) и прямоугольной (в), системах координат
|
|
Напряженность электрического поля волны пропорциональна “площади тока”, т.е.произведению LIm
В направлении θ = 90° поле пропоционально полной длине элементарного излучателя, при θ <90° пропорционально его проекции на ось, являющуюся касательной к поверхности фронта волны LImsinθ. В направлении θ=0 элементарный излучатель не излучает, его проекция равна нулю. Следовательно, в направлении, перпендикулярном оси вибратора, создаваемая им напряженность поля максимальна, с уменьшением угла θ уменьшается и в направлении оси вибратора излучение отсутствует. В экваториальной плоскости, т.е. в плоскости перпендикулярной оси вибратора и проходящей через его центр, напряженности поля на равных расстояниях одинаковы, т. е. F (∆)=const. Элементарный электрический излучатель в экваториальной плоскости является ненаправленной антенной. Вектор электрической составляющей поля Е, созданного элементарным электрическим излучателем в точке наблюдения, направлен по касательной к меридиану и перпендикулярен направлению распространения. Вектор магнитной составляющей Н направлен по касательной к параллели и перпендикулярен направлению распространения. На рис. приведены ДН элементарного электрического излучателя в плоскости Е и в плоскости Н соответственно в полярной и прямоугольной системах координат
Чтобы определить мощность излучения, рассмотрим элементарный электрический излучатель, расположенный в центре сферы радиусом r>>λ, и определим полную мощность, проходящую через поверхность этой сферы. Выделим на поверхности сферы элементарную площадку ds (рис. 6.4). Ее площадь ds= rdΔ∙ Rdθ= r2 sinθ dΔ. В пределах элементарной площадки при большом радиусе сферы можно считать, что Е и Н постоянны и перпендикулярны друг другу, тогда мощность dp, проходящая через элементарную площадку, будет равна произведению площади ds на плотность потока E2 эф / 120 π
Следовательно, dp=ds E2 эф / 120 π. Подставляя в данное выражение значение напряженности поля Е, опуская фазовый множитель и заменяя Iм на Iэф, упрощая выражение, получаем выражение для мощности излучения элементарного электрического излучателя: P∑=20к:2L2I2эф
Поделив обе части равенства на квадрат эффективного значения тока, получим формулу для сопротивления излучения элементарного электрического излучателя:
R∑=20к2L2 = 80 π2(L/λ)2
Излучатели с малыми относительными размерами имеют и малые сопротивления излучения. Мощность излучения PΣ=I2эфRΣ .
При малом RΣ излучение заданной мощности происходит при больших токах в антенне. При этом увеличивается мощность потерь и падает КПД антенны. Для увеличения КПД антенны необходимо усиливать неравенство RΣ > R пот, т. е. увеличивать относительные размеры антенны.
Элементарный электрический излучатель как самостоятельная антенна практически не применяется, однако многие типы проволочных антенн можно рассматривать как систему, состоящую из множества элементарных излучателей.
МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕНН
На моделях можно проверить расчеты, оценить влияние допусков, измерить ожидаемые параметры и характеристики проектируемых антенн. На изготовление модели малых размеров по сравнению с оригиналом требуется меньше материалов, средств и времени. Если для измерения параметров антенн с высокими направленными свойствами необходимы большие пространства, специальные измерительные полигоны, то на моделях эти параметры могут измеряться в ограниченных пространствах, например в безэховых камерах — камерах, внутренние поверхности которых облицованы радиопоглощающими материалами.
Если выполнить модель, уменьшив все размеры антенны, например, в 10 раз, и соответственно в 10 раз уменьшить длину волны (увеличить частоту} то параметры и характеристики антенны и модели совпадут. Это справедливо при условии, когда l/λ>0,2. Если размеры антенны малы l/λ<0,1), то ее сопротивление излучения и сопротивление потерь соизмеримы. При моделировании такой антенны с уменьшением размеров (в том числе и сечения) сопротивление излучения остается прежним, а сопротивление потерь возрастает. Это может существенно повлиять на распределение тока модели, а следовательно на ее характеристики и параметры. Для строгого моделирования необходимо увеличить удельную проводимость материала модели по сравнению с моделируемой антенной в число раз, равное коэффициенту моделирования. Это условие практически невыполнимо.
