1.3. Елементарні випромінювачі

Елементарним вважається будь-який випромінювач, якщо його розміри є значно меншими від довжини хвилі: L<< Короткий лінійний провідник з в/ч струмом являється елементарним електричним випромінювачем (диполем Герца) (рис.1.6):

Рис.1.6. Диполь Герца та його діаграма направленості у меридіанній F() та азимутальній F( ) площинах.

Діаграма направленості диполя Герца являє собою просторову фігуру у вигляді тороїда. При такій діаграмі направленості КНД = 1,5. Опір випромінювання диполя визначається виразом:

де Z₀ = 120* Ом - хвильовий опір вільного простору.

Розрахунок за цією формулою показує, що при L/ . = 0,1 Zа = 8 – j*1000 Ом, тобто елементарний електричний випромінювач має вхідний опір, що характеризується високою реактивністю.

Заміна поля згідно з принципом двоїстості: Е  Н (рис.1.7,а) приводить до елементарного магнітного випромінювача : (рис.1.7. б, в).

Рис.1.7. Елементарний магнітний випромінювач.

На рис.1.7,б поданий елементарний магнітний випромінювач у вигляді петлі, збуджуваної високочастотним струмом, а на рис.1.7, в - у вигляді феритового стрижня, збуджуваного петлею з високочастотним струмом. Для елементарного магнітного випромінювача всі характеристики випромінювання ті ж самі, але складові електричного та магнітного поля є ортогональними до відповідних складових диполя Герца. Опір випромінювання розраховується за попередньою формулою, якщо ввести еквівалентну довжину:

Lе = к* S = (2 / ) * S , де S - площа петлі.

Досить поширеним типом елементарного випромінювача є щілина у плоскому екрані (рис.1.8, а).

а) б)

Рис.1.8. Щілинний елементарний випромінювач.

Використання принципу двоїстості (Е Н ) та теореми еквівалентності (Н =j) дозволяє звести щілинний випромінювач до еквівалентного диполя Герца у вигляді металевої смужки, по якій протікає високочастотний струм з густиною j = Н . Таким чином характеристики випромінювання щілинного випромінювача є аналогічними до відповідних характеристик диполя Герца за винятком поляризації хвилі, яка змінюється на ортогональну.

Випромінювач Гюйгенса являє собою безмежно малий отвір у плоскому екрані: прямокутний отвір з розмірами Х та Y, для яких виконується умова: Х, Y: X, Y<< (рис.1.9).

а) б)

Рис.1.9. Випромінювач Гюйгєнса.

Враховуючи структуру поля в отворі (рис.9,б) та використовуючи теорему еквівалентності можна отвір замінити двома диполями - електричним та магнітним - по яким протікає еквівалентний електричний струм I^е та еквівалентний магнітний струм І^m (рис.9,в). Результуюче поле цієї системи випромінювачів знаходиться за принципом суперпозиції, що дає діаграму направленості, яка описується функціями:

Відповідна крива носить назву кардіоїда (рис. 10) і діаграма направленості елемента Гюйгєнса являє собою фігуру обертання кардіоїди навколо осі Z.

Рис.1.10. Діаграма направленості елемента Гюйгєнса.

Оцінка коефіцієнта направленої дії елемента Гюйгєнса дає величину D = = 3,14.

Поняття про елементарні випромінювачі та їх властивості є важливим, оскільки будь-яку антену можна розглядати як систему елементарних випромінювачів і результуюче поле знаходити за принципом суперпозиції. Для полегшення розв'язку цієї задачі вводять поняття лінійної випромінюючої системи (ЛВС) і на ній вивчаються основні властивості антен.