Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

С энергетической точки зрения электромагнитная волна может рассматриваться как процесс переноса энергии от источника излучения в окружающее пространство. Каждую секунду источник через передающую антенну излучает энергию, численно равную его мощности Р, и эта энергия уходит в окружающее пространство, подобно расходящимся кругам на воде.

Среднее значение данного вектора по поверхности сферы радиуса R с центром в точке размещения передающей антенны составляет, очевидно, Здесь W – усреднение по поверхности сферы, — площадь этой поверхности. Следует подчеркнуть, что приведенная зависимость имеет место только в идеализированных условиях распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.

В реальных условиях вид этой зависимости существенно изменяется, о чем будет сказано в следующем пункте.

Поскольку передающие антенны имеют обычно направленные свойства, так что в различные направления излучают сигналы различной интенсивности, в каждом конкретном направлении модуль вектора Пойнтинга не равен среднему значению, а отличается от него в число раз, равное усилению по мощности G передающей антенны в рассматриваемом направлении: Выражение (1.2) представляет собой фактически определение коэффициента усиления антенны в любом выбранном направлении, согласно которому, он есть отношение , измеренное в этом направлении.

Известно следующее ориентировочное соотношение, отображающее описанную зависимость где G — коэффициент усиления в направлении максимума диаграммы; — раствор (в градусах) диаграммы направленности антенны в двух ортогональных плоскостях (по уровню минус 3 дБ).

Перейдем теперь к энергетическим соотношениям при приеме электромагнитных волн. Для ряда антенн, включая и зеркальные, можно исходить из того, что антенна, в идеале без потерь, собирает всю энергию электромагнитной волны, падающую на ее поверхность.

Таким образом, мощность на выходе приемной антенны определяется произведением вектора Пойнтинга на площадь проекции антенны на картинную плоскость принимаемой волны: В выражении (1.4) под S следовало бы понимать геометрическую площадь , если бы вся она одинаково эффективно использовалась антенной. Фактически это в силу ряда причин не так; поэтому в (1.4) должна подставляться так называемая эффективная площадь антенны, несколько меньшаягде — коэффициент использования площади, величина по определению меньше единицы (0,5-0,8). В приведенных соотношениях передающая антенна характеризуются коэффициентом усиления, а приемная — эффективной площадью.

В теории антенн доказана справедливость следующего соотношения между этими характеристиками одной и той же антенны Выше отмечалось, что прямая связь эффективной площади антенны с геометрической площадью проекции антенны на картинную плоскость имеет место не всегда. Так, штыревые антенны вообще не имеют площади, а для широко распространенных спиральных антенн сверх того еще существенную роль играет и размер спирали, измеренный вдоль направления распространения.

Тем не менее любым антеннам может быть, в соответствии с (1.6), приписана эффективная площадь, после чего по (1.4) можно определить и мощность принимаемого антенной сигнала. При этом если исходным является коэффициент усиления в данном направлении, обозначенном в (1.6) индексом 1, то и эффективная площадь определяется для этого направления и мощность принятого сигнала оценивается при облучении антенны волной с этого направления.

Естественно, что для каждой антенны существует такое направление, в котором ее усиление, а следовательно, и эффективная площадь, максимальны. Когда говорят об эффективной площади антенны без указания направления имеют ввиду именно максимальную площадь. Антенны, применяемые в случае излучения и приема радиоволн, рассчитываются на волны определенной поляризации. Так, если в качестве антенны используется штырь, то в идеале он формирует (принимает) только те радиоволны, направление поляризации которых параллельно этому штырю.

Могут быть созданы антенны, согласованные с волнами круговой поляризации.   Например, можно в качестве такой антенны использовать пару перпендикулярных друг другу штырей, размещенных в картинной плоскости принимаемой волны (рис 1.4). Сигнал с выхода одного из штырей должен пропускаться через фазовращатель на 90°, после чего суммироваться с выходным сигналом другого штыря. Знак фазового сдвига должен быть выбран соответствующим направлению вращения круговой поляризации принимаемого сигнала. При наличии согласования сигналы на входах сумматора окажутся синфазными, так что будет происходить когерентное их суммирование.

Если на ту же схему подать волну противоположного вращения, то сигналы на входах сумматора окажутся противофазными и будут в сумматоре полностью компенсироваться. Итак, антенна, идеально согласованная с волной круговой поляризации одного направления вращения, совершенно не принимает волну с противоположной круговой поляризацией.

Таким образом, как при линейной, так и при круговой поляризации существует по две ортогональные их разновидности и при том такие, что антенна, идеально согласованная с одной из них, совершенно не реагирует на другую, и наоборот.

Отметим, что электромагнитная волна с эллиптической поляризацией может быть представлена как сумма двух составляющих с ортогональными круговыми поляризациями. Возможность такого представления поясняется рис 1.5, где изображены линейно поляризованные составляющие исходной, эллиптически поляризованной волны и две волны с круговой поляризацией, на которые она может быть разложена. Рис 1.5 представляет пространственное положение векторов в картинной плоскости волны. Что касается их изменения во времени, то следует помнить, что фаза горизонтальных векторов сдвинута на 90° относительно вертикальных.

Однако изменение пространственного положения вектора на противоположное означает одновременно и поворот его фазы во времени на 180°; поэтому, если первая волна правой части рисунка имеет правую круговую поляризацию, то второй вектор — левую.

(Рисунок иллюстрирует равенство волны, представленной в его левой части, сумме двух волн, показанных справа.) Данные рис. 1.5 показывают, что для волны с коэффициентом эллиптичности , отношение мощностей составляющих волн основной и ортогональной круговых поляризаций составляет Поскольку приемная антенна радиолинии предназначается для приема основной поляризации принимаемой волны, дополнительная (ортогональная) оставляющая ею не принимается. Поэтому передача сигнала с эллиптической поляризацией приводит к потерям мощности сигнала в радиолинии: раз, даже при использовании приемной антенны с идеальной круговой поляризацией.

При этом идеальное разделение таких волн может быть достигнуто только при идеальной поляризации как в передающей, так и в приемной антеннах.

Применительно к круговой поляризации, неидеальность поляризационных свойств антенны определяется коэффициентом эллиптичности волны, создаваемой антенной при работе на передачу.

Эту неидеальность можно характеризовать также уровнем кроссполяризации , показывающей, во сколько раз (по мощности) антенна, при ее работе на прием, лучше принимает сигнал с той поляризацией, на которую она рассчитана, чем с ортогональной к ней. Вышеизложенное позволяет установить следующую связь между двумя указанными показателями: