Випромінювання і прийом радіохвиль. Випромінювання радіохвиль — процес збудження електромагнітних хвиль радіодіапазону, що біжать, в просторі, що оточує джерело коливань струму або заряду. При цьому енергія джерела перетвориться в енергію електромагнітних хвиль, що поширюються в просторі. Прийом радіохвиль є процесом, зворотним процесу випромінювання. Він полягає в перетворенні енергії електромагнітних хвиль в енергію змінного струму. І. і п. р. здійснюються за допомогою передавальних і приймальних антен .
Випромінювання радіохвиль . Джерелом первинних електричних коливань можуть бути змінні струми, поточні по провідниках, змінні поля і тому подібне Проте змінні струми відносно низької частоти (наприклад, промислової частоти 50 гц ) для випромінювання непридатні: на цих частотах не можна створити ефективний випромінювач. Дійсно, якщо електричні коливання відбуваються, наприклад, в котушці індуктивності, розміри якої малі в порівнянні з довжиною хвилі l, відповідній частоті коливань струму, поточного в котушці, для кожної ділянки з одним напрямом струму, наприклад А ( мал. 1 ), існує інша ділянка В , віддалений від А на відстань, меншу, ніж l/2, в якому в той же момент часу напрям струму протилежно. На великих відстанях від витка хвилі, що випромінюють елементами А і В , ослабляють один одного. Оскільки виток складається з таких пар елементів протифаз, то він, а отже вся котушка, випромінює погано. Також погано випромінює коливальний контур, що містить котушку індуктивності і конденсатор. У кожен момент часу заряди на обкладаннях конденсатора рівні по величині протилежні по знаку і віддалені один від одного на відстань, значно меншу, ніж l/2.
Із сказаного виходить, що для ефективного випромінювання радіохвиль необхідний незамкнутий (відкрита) ланцюг, в якому або немає ділянок з коливаннями протифаз струму або заряду, або відстань між ними не мало в порівнянні з l/2. Якщо розміри ланцюга такі, що час поширення змін електромагнітного поля в ній порівнянно з періодом коливань струму або заряду (швидкість поширення обурень кінцева), то умови квазістаціонарної не виконуються (див. Квазістаціонарний процес ) і частина енергії джерела вирушає у вигляді електромагнітних хвиль. Для практичних цілей зазвичай застосовують електромагнітні хвилі з l < 10 км.
Випромінювачі . Простий випромінювач радіохвиль складається з двох відрізань А і В прямолінійного провідника, приєднаних до кінців OO'' двопровідної лінії, уздовж якої поширюється електромагнітна хвиля ( мал. 2 ). У відрізках А і В під дією електричного поля хвилі виникає рух зарядів, тобто змінний струм. У кожен момент часу заряди в точках Про і О'' рівні по величині і протилежні по знаку, тобто відрізки А і В утворюють електричний диполь, що визначає конфігурацію створюваного їм електричного поля. С другой сторони, струми у відрізках А і В збігаються по напряму, тому силові лінії магнітного поля, як і в разі прямолінійного струму, — кола ( мал. 3 ). Таким чином, в просторі, що оточує диполь, виникає електромагнітне поле, в якому поля Е і Н перпендикулярні один одному. Електромагнітне поле поширюється в просторі, віддаляючись від диполя ( рис. 4 ).
Хвилі, що випромінюються диполем, мають певну поляризацію. Вектор напруженості електричного поля Е хвилі в точці спостереження Про ( мал. 3 ) лежить в плоскості, що проходить через диполь і радіус-вектор r , проведений від центру диполя до точки спостереження. Вектор магнітного поля Н перпендикулярний цій плоскості.
Змінне електромагнітне поле виникає у всьому просторі, що оточує диполь, і поширюється від диполя на всіх напрямках. Диполь випромінює сферичну хвилю, яку на великій відстані від диполя можна вважати плоскою (локально-плоскою). Проте амплітуди напряженностей електричного і магнітного полів, що створюються диполем, а отже і випромінювана енергія, у різних напрямах різні. Вони максимальні в напрямах, перпендикулярних диполю, і поступово убувають до нуля уздовж осі диполя. У цьому напрямі диполь практично не випромінює. Розподіл випромінюваної потужності по різних напрямах характеризується діаграмою спрямованості. Просторова діаграма спрямованості диполя має вигляд тороїда ( мал. 5 ).
Повна потужність, що випромінюється диполем, залежить від потужності, що підводиться, і співвідношення між його довжиною l і довжиною хвилі l. Для того, щоб диполь випромінював значну долю потужності, що підводилася до нього, його довжина не має бути мала в порівнянні з l/2. З цим пов'язана трудність випромінювання дуже довгих хвиль. Якщо l підібране правильно і втрати енергії на нагрів провідників диполя і лінії малі, то переважаюча доля потужності джерела витрачається на випромінювання. Таким чином, диполь є споживачем потужності джерела, подібно до включеного в кінець лінії активному опору, споживаючому потужність, що підводиться. У цьому сенсі диполь володіє опором випромінювання R і , рівним тому активному опору, в якому споживалася б така ж потужність.
Описаний вище диполь є простою передавальною антеною і називається симетричним вібратором. Вперше такий вібратор використовував Р. Герц (1888) в дослідах, що виявили існування радіохвиль. Електричні коливання в диполі Герца (див. Герца вібратор ) збуджувалися за допомогою іскрового розряду — єдиного відомого у той час джерела електричних коливань. Поряд з симетричним вібратором застосовується (для довших хвиль) несиметричний вібратор ( мал. 6 ), що збуджується в підстави і випромінюючий рівномірно в горизонтальній плоскість.
Поряд з дротяними антенами (дротяними вібраторами) існують і інші види випромінювачів радіохвиль. Широке вживання отримала магнітна антена. Вона є стрижнем з магнітного матеріалу з високою магнітною проникністю m, на який намотана котушка з тонкого дроту. Силові лінії магнітного поля магнітної антени повторюють картину силових ліній електричного поля дротяного диполя ( мал. 7 , а, би), що обумовлене принципом подвійності.
Якщо в стінках радіохвилеводу або об'ємного резонатора, де течуть змінні поверхневі струми надвисоких частот, прорізати щілину так, щоб вона пересікла напрям струму, той розподіл струмів різко спотворюється, екранування порушується і електромагнітна енергія випромінюється назовні. Розподіл полів щілинного випромінювача подібно до розподілу полів магнітної антени. Тому щілинний випромінювач називається магнітним диполем ( мал. 7 , в, г ; див.(дивися) також Щілинна антена ). Діаграма спрямованості магнітного і щілинного випромінювачів, так само як і електричного диполя, є тороїд.
Більш направлене випромінювання створюють антени, що складаються з декількох дротяних або щілинних випромінювачів. Це — результат інтерференції радіохвиль, що випромінюються окремими випромінювачами. Якщо струми, що живлять їх, мають однакову амплітуду і фазу (рівномірне синфазне збудження), то на досить далекій відстані в напрямі, перпендикулярному випромінюючій поверхні, хвилі від окремих випромінювачів мають однакові фази і дають максимум випромінювання. Поле, створене в інших напрямах, значно слабкіше. Деяке збільшення напруженості поля має місце в тих напрямах, де різниця фаз хвиль, що приходять від крайніх випромінювачів, рівна ( n + 1) p/2, де n — ціле число. В цьому випадку перетин діаграми спрямованості плоскістю містить ряд пелюсток ( рис. 8 ), найбільший з яких називається головним і відповідає максимуму випромінювання, останні називаються бічними.
В сучасній антенній техніці застосовуються антенні грати, що містять до 1000 випромінювачів. Поверхня, на якій вони розташовані, називається апертурою (раськривом) антени і може мати будь-яку форму. Задаючи різний розподіл амплітуд і фаз струмів на апертурі, можна отримати будь-яку форму діаграми спрямованості. Синфазне збудження випромінювачів, створюючих плоскі грати дозволяє отримати дуже високу спрямованість випромінювання, а зміна розподілу струму на апертурі дає можливість змінювати форму діаграми спрямованості.
Для підвищення спрямованості випромінювання, яке характеризується шириною головної пелюстки, необхідно збільшувати розміри антени. Зв'язок між шириною головної пелюстки q, найбільшим розміром апертури L і випромінюваною довжиною хвилі l визначається формулами:
для синфазного збудження і
якщо випромінювачі розташовані уздовж деякої осі, а зрушення фаз в них підібране так, що максимум випромінювання направлений уздовж цієї осі ( мал. 9 ). З — постійні, залежні від розподілу амплітуди струмів по апертурі.
Якщо радіохвилевід поступово розширюється до відкритого кінця у вигляді воронки або рупора ( мал. 10 ), то хвиля в хвилеводі поступово перетвориться в хвилю, характерну для вільного простору. Така рупорна антена дає направлене випромінювання.
Дуже висока спрямованість випромінювання (до доль градуса на дециметрових і коротших хвилях) досягається за допомогою дзеркальних і лінзових антен. У них завдяки процесам віддзеркалення і заломлення сферичний фронт хвилі, що випромінюється електричним або магнітним диполем або рупорним випромінювачем, перетвориться в плоский. Проте із-за дифракція хвиль в цьому випадку діаграма також має головний і бічні пелюстки спрямованості. Дзеркальна антена є металевим дзеркалом 1 , частіше у вигляді частини параболоїда обертання або параболічного циліндра, у фокусі якого знаходиться первинний випромінювач ( мал. 11 ). Лінзи для радіохвиль є тривимірними гратами з металевих кульок, стрижнів і тому подібне (штучні діелектрики) або набір прямокутних хвилеводів.
Прийом радіохвиль. Кожна передавальна антена може служити приймальні. Якщо на електричний диполь діє та, що поширюється в просторі хвиля, то її електричне поле збуджує в диполі коливання струму, які потім посилюються, перетворяться по частоті і впливають на вихідні прилади. Можна показати, що діаграми спрямованості диполя в режимах прийому і передачі однакові, тобто що диполь приймає краще в тих напрямах, в яких він краще випромінює. Це є загальною властивістю всіх антен, витікаючою з принципу взаємності: якщо розташувати дві антени — передавальну А і приймальню В — на початку і в кінці лінії радіозв'язку, то генератор, що живить антену А , перемкнутий в приймальну антену В , створює в приймальному пристрої, перемкнутому в антену А , такий же струм, який, будучи включеним в антену А , він створює в приймачі, включеному в антену В . Принцип взаємності дозволяє по властивостях передавальної антени визначити її характеристики як приймальні.
Енергія, яку диполь витягує з електромагнітної хвилі, залежить від співвідношення між його довжиною l , довжиною хвилі l і кутом в між напрямом v приходу хвилі і диполем. Существен також кут j між напрямом вектора електричної хвилі і диполем ( мал. 12 ). Найкращі умови прийому, при j = 0. При j = p/2 електричний струм в диполі не збуджується, тобто прийом відсутній. Якщо ж 0 < j < p/2, то очевидно, що енергія, витягувана приймальнею антеною з поля ~ ( Ecos j) 2 . Іншими словами, ця енергія пов'язана з поляризацією хвилі, що приходить. Із сказаного вище виходить, що в разі випромінюючого і приймаючого диполів для найкращих умов прийому необхідно, щоб обидва диполі лежали в одній плоскості і щоб приймальний диполь був перпендикулярний напряму поширення хвилі. При цьому приймальний диполь витягує з хвилі, що приходить, стільки енергії, скільки несе з собою ця хвиля, проходя через перетин у формі квадрата із стороною рівною
Шуми антени. Приймальна антена завжди знаходиться в таких умовах, коли на неї, окрім корисного сигналу, впливають шуми. Повітря і поверхня Землі поблизу антени, поглинаючи енергію, відповідно до Релея — Джінса законом випромінювання створюють електромагнітне випромінювання. Шуми виникають і за рахунок втрат джоулів в провідниках і діелектриках пристроїв, що підводять.
Всі шуми зовнішнього походження описуються так званою шумовою, або антеною, температурою T A . Потужність Р ш зовнішніх шумів на вході антени в смузі частот Dn приймача рівна:
Р ш =k T A Dn
( до — Больцмана постійна ). На частотах нижче за 30 Мгц переважаючу роль грають атмосферні шуми. В області сантиметрових хвиль вирішальний вклад вносить випромінювання поверхні Землі, яке потрапляє в антену зазвичай за рахунок бічних пелюсток її діаграми спрямованості. Тому для слабонаправленних антен антенна температура, обумовлена Землею, висока; вона може досягати 140—250 До; в гостронаправлених антен вона складає зазвичай 50—80 До, а спеціальними заходами її можна понизити до 15—20 До.
Про конкретних типів антен, їх характеристики і вживання див.(дивися) в ст. Антена .
Літ.: Хайкин С. Е., Електромагнітні хвилі, 2 видавництва, М. — Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. Ст, Електромагнітні поля і хвилі, М., 1956; Рамо С., Уїннері Дж., Поля і хвилі в сучасній радіотехніці, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М. — Л., 1950.
