и приём радиоволн. Излучение радиоволн - процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн .
Излучение радиоволн . Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц ) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны l, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А ( рис. 1 ), существует другой участок В , удалённый от А на расстояние, меньшее, чем l/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В , ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем l/2.
Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с l/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс ) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с l < 10 км.
Излучатели . Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А и В прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO' двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна ( рис. 2 ). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О' равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, - окружности ( рис. 3 ). Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя ( рис. 4 ).
Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е волны в точке наблюдения О ( рис. 3 ) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r , проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости.
Переменное электромагнитное поле возникает во всём пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида ( рис. 5 ).
Полная мощность, излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l и длиной волны l. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с l/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника, подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения R и, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность.
Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор ) возбуждались с помощью искрового разряда - единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор ( рис. 6 ), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости.
Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью m , на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя ( рис. 7 , а, б), что обусловлено принципом двойственности.
Если в стенках радиоволновода или объёмного резонатора , где текут переменные поверхностные токи сверхвысоких частот, прорезать щель так, чтобы она пересекла направление тока, то распределение токов резко искажается, экранировка нарушается и электромагнитная энергия излучается наружу. Распределение полей щелевого излучателя подобно распределению полей магнитной антенны. Поэтому щелевой излучатель называется магнитным диполем ( рис. 7 , в, г ; см. также Щелевая антенна ). Диаграмма направленности магнитного и щелевого излучателей, так же как и электрического диполя, представляет собой тороид.
Более направленное излучение создают антенны, состоящие из нескольких проволочных или щелевых излучателей. Это - результат интерференции радиоволн , излучаемых отдельными излучателями. Если токи, питающие их, имеют одинаковые амплитуду и фазу (равномерное синфазное возбуждение), то на достаточно далёком расстоянии в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности, волны от отдельных излучателей имеют одинаковые фазы и дают максимум излучения. Поле, созданное в других направлениях, значительно слабее. Некоторое увеличение напряжённости поля имеет место в тех направлениях, где разность фаз волн, приходящих от крайних излучателей, равна ( n + 1) p/2, где n - целое число. В этом случае сечение диаграммы направленности плоскостью содержит ряд лепестков ( рис. 8 ), наибольший из которых называется главным и соответствует максимуму излучения, остальные называются боковыми.
В современной антенной технике применяются антенные решётки, содержащие до 1000 излучателей. Поверхность, на которой они расположены, называется апертурой (раскрывом) антенны и может иметь любую форму. Задавая различное распределение амплитуд и фаз токов на апертуре, можно получить любую форму диаграммы направленности. Синфазное возбуждение излучателей, образующих плоскую решётку, позволяет получить очень высокую направленность излучения, а изменение распределения тока на апертуре даёт возможность изменять форму диаграммы направленности.
Для повышения направленности излучения, которое характеризуется шириной главного лепестка, необходимо увеличивать размеры антенны. Связь между шириной главного лепестка q , наибольшим размером апертуры L и излучаемой длиной волны l определяется формулами:
для синфазного возбуждения и
если излучатели расположены вдоль некоторой оси, а сдвиг фаз в них подобран так, что максимум излучения направлен вдоль этой оси ( рис. 9 ). С - постоянные, зависящие от распределения амплитуды токов по апертуре.
Если радиоволновод постепенно расширяется к открытому концу в виде воронки или рупора ( рис. 10 ), то волна в волноводе постепенно преобразуется в волну, характерную для свободного пространства. Такая рупорная антенна даёт направленное излучение.
Очень высокая направленность излучения (до долей градуса на дециметровых и более коротких волнах) достигается с помощью зеркальных и линзовых антенн. В них благодаря процессам отражения и преломления сферический фронт волны, излучаемой электрическим или магнитным диполем либо рупорным излучателем, преобразуется в плоский. Однако из-за дифракции волн в этом случае диаграмма также имеет главный и боковые лепестки направленности. Зеркальная антенна представляет собой металлическое зеркало 1 , чаще в виде части параболоида вращения или параболического цилиндра, в фокусе которого находится первичный излучатель ( рис. 11 ). Линзы для радиоволн представляют собой трёхмерные решётки из металлических шариков, стерженьков и т.п. (искусственные диэлектрики) или набор прямоугольных волноводов.
Приём радиоволн. Каждая передающая антенна может служить приёмной. Если на электрический диполь действует распространяющаяся в пространстве волна, то её электрическое поле возбуждает в диполе колебания тока, которые затем усиливаются, преобразуются по частоте и воздействуют на выходные приборы. Можно показать, что диаграммы направленности диполя в режимах приёма и передачи одинаковы, т. е. что диполь принимает лучше в тех направлениях, в которых он лучше излучает. Это является общим свойством всех антенн, вытекающим из принципа взаимности: если расположить две антенны - передающую А и приёмную В - в начале и в конце линии радиосвязи, то генератор, питающий антенну А , переключенный в приёмную антенну В , создаёт в приёмном устройстве, переключенном в антенну А , такой же ток, какой, будучи включенным в антенну А , он создаёт в приёмнике, включенном в антенну В . Принцип взаимности позволяет по свойствам передающей антенны определить её характеристики как приёмной.
Энергия, которую диполь извлекает из электромагнитной волны, зависит от соотношения между его длиной l , длиной волны l и углом y между направлением v прихода волны и диполем. Существен также угол j между направлением вектора электрической волны и диполем ( рис. 12 ). Наилучшие условия приёма, при j 0.При j p/2 электрический ток в диполе не возбуждается, т. е. приём отсутствует. Если же 0 < j < p/2, то очевидно, что энергия, извлекаемая приёмной антенной из поля ~ ( Ecos j)2. Иными словами, эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приёма необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приёмный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приёмный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несёт с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной
Шумы антенны. Приёмная антенна всегда находится в таких условиях, когда на неё, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея - Джинса законом излучения создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счёт джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств.
Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой T A. Мощность Р ш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Dn приёмника равна:
Р ш k T ADn
( k - Больцмана постоянная ). На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140-250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50-80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15-20 К.
О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна .
Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. - Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. - Л., 1950.
Под редакцией Л. Д. Бахража.