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.

Васильев Дмитрий Петрович
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Энергию, проходящую при этом через единицу площади картинной плоскости, находящейся на некотором расстоянии R от передающей антенны в единицу времени, называют вектором Пойнтинга (размерность Вт/м2).

Среднее значение данного вектора по поверхности сферы радиуса R с центром в точке размещения передающей антенны составляет, очевидно, Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физикаЗдесь W — усреднение по поверхности сферы,Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика — 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:

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

Выражение (1.2) представляет собой фактически определение коэффициента усиления антенны в любом выбранном направлении, согласно которому, он есть отношение Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика, измеренное в этом направлении.

Абрамян Евгений Павлович
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В соответствии с законом сохранения энергии, чем большая часть мощности источника переносится волной в данном направлении, тем меньшая часть этой мощности излучается в других направлениях. Поэтому, чем больше коэффициент усиления антенны, тем уже диаграмма ее направленности.

Известно следующее ориентировочное соотношение, отображающее описанную зависимость

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

где G — коэффициент усиления в направлении максимума диаграммы; Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика — 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:

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

В выражении (1.4) под S следовало бы понимать геометрическую площадь Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика, 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 меньшаяИзлучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физикаИзлучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физикагде Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика — коэффициент использования площади, величина по определению меньше единицы (0,5-0,8). В приведенных соотношениях передающая антенна характеризуются коэффициентом усиления, а приемная — эффективной площадью.

Орлов Анатолий Владимирович
Орлов Анатолий Владимирович
Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей
Задать вопрос
Между тем каждая антенна, вообще говоря, может быть использована и как приемная, и как передающая. Поэтому любая антенна может быть эквивалентно охарактеризована любой из указанных двух характеристик.

В теории антенн доказана справедливость следующего соотношения между этими характеристиками одной и той же антенны


Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

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.


Васильев Дмитрий Петрович
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
С теми же волнами будут согласованы и зеркальные или рупорные антенны, в которых такие штыри используются в качестве облучателей. Очевидно, что антенна, согласованная с данной линейной поляризацией, не должна принимать сигнал ортогональной к ней поляризации.

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.

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

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.

Абрамян Евгений Павлович
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
Легко видеть, что линейная и круговая поляризация между собой ортогональными не являются. Антенна круговой поляризации принимает линейно поляризованную волну и, наоборот, антенна линейной поляризации принимает волну круговой поляризации с небольшим ослаблением (около 3 дБ).

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.

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

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 Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика, отношение мощностей составляющих волн основной и ортогональной круговых поляризаций составляет

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

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:


Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика

раз, даже при использовании приемной антенны с идеальной круговой поляризацией.

Абрамян Евгений Павлович
Абрамян Евгений Павлович
Доцент кафедры электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В системах связи часто реализуется возможность повышения эффективности использования полосы рабочих частот за счет одновременной передачи совпадающих по спектру радиоволн на ортогональных поляризациях.

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 Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика, 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:

Излучение и прием электромагнитных волн: формулы, расчет, физика


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: