
- •Введение
- •Глава 1 основы теории электромагнитного поля
- •Электрические заряды и ток проводимости
- •1.2. Закон сохранения электрического заряда
- •1.3. Вектор напряжённости электрического поля и вектор электрической индукции
- •1.4. Вектор напряжённости магнитного поля и вектор магнитной индукции
- •1.5. Закон электромагнитной индукции и его обобщение
- •1.6. Ток смещения. Уравнения Максвелла
- •1.7. Макроскопические свойства материи
- •1.8. Граничные условия
- •1.9. Теорема Умова – Пойнтинга
- •1.10. Волновые уравнения для векторов
- •1.11. Вектор-потенциал и скалярный потенциал
- •1.12. Переменное электромагнитное поле. Запаздывающие потенциалы
- •1.13. Магнитный вектор-потенциал и магнитный скалярный потенциал
- •1.14. Замечания о методе комплексных амплитуд
- •1.15. Уравнения электромагнитного поля для периодических процессов в комплексной форме
- •Вопросы к главе 1
- •Глава 2 плоские электромагнитные волны в неограниченной среде
- •2.1. Решение, соответствующее плоской электромагнитной волне
- •2.2. Плоская волна в непоглощающей однородной среде
- •2.3. Плоская волна в поглощающей среде
- •Вопросы к главе 2
- •Глава 3 отражение и преломление плоских электромагнитных волн на плоской границе раздела
- •3.1. Направления отражённой и преломлённой волн
- •3.2. Формулы Френеля
- •3.3. Диэлектрические среды
- •3.4. Приближённые граничные условия
- •Вопросы к главе 3
- •Глава IV волноводы
- •4.1. Общие замечания
- •4.2. Поле плоской волны над идеально проводящей плоскостью
- •4.3. Общие условия распространения электромагнитных волн между двумя плоскими параллельными зеркалами
- •4.4. Групповая скорость
- •4.5. Некоторые типы волн между зеркалами
- •4.6. Общее решение задачи для идеального волновода
- •4.7. Решение электродинамической задачи для идеального прямоугольного волновода
- •4.8. Мощность, передаваемая по волноводу. Оценка потерь в волноводе
- •4.9. Некоторые способы возбуждения и отбора энергии в волноводе
- •Вопросы к главе 4
- •Глава 5 волны в анизотропных средах
- •5.1. Электромагнитные волны в феррите
- •5.2. Распространение электромагнитных волн в неограниченной ферритовой среде
- •5.3. Некоторые применения ферритов в радиотехнике
- •Вопросы к главе 5
- •Глава 6 излучение электромагнитных волн
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Поле излучения произвольно заданной системы токов
- •6.3. Электромагнитное поле электрического диполя
- •6.4. Поле электрического диполя в ближней зоне
- •6.5. Поле электрического диполя в дальней зоне
- •6.6. Рамочная антенна. Магнитный диполь
- •Вопросы к главе 6
- •Глава 7 длинные линии
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Дифференциальные уравнения напряжения и тока в длинной линии
- •7.3. Решение дифференциальных уравнений для линии без потерь
- •7.4. Установившийся режим в длинных линиях с потерями
- •7.5. Волновой процесс в длинной линии конечной длины
- •7.6. Режимы работы длинной линии
- •7.7. Применение длинных линий и их согласование с нагрузкой
- •Вопросы к главе 7
- •Краткие сведения из векторного исчисления
- •§ 1. Общие замечания и некоторые основные определения
- •§ 2. Основные свойства скалярного произведения
- •§ 3. Основные свойства векторного произведения
- •§ 4. Произведение трёх векторов
- •§ 5. Дифференцирование и интегрирование вектора по времени
- •§ 6. Скалярное и векторное поля
- •§ 7. Градиент
- •§ 8. Расхождение (дивергенция) вектора
- •§ 9. Вихрь (ротор) вектора
- •§ 10. Оператор набла . Основные тождества векторного анализа
- •Литература
- •Содержание
6.6. Рамочная антенна. Магнитный диполь
Простейшей рамочной антенной является прямоугольный или круговой витки провода (рис. 6.8). Будем полагать, что линейные размеры витка малы по сравнению с длиной волны. В этом случае распределение тока вдоль витка будет примерно постоянным [6].
Основные свойства направленности излучения рамочной антенны легко установить на основании простых геометрических соображений. Пусть рамка имеет прямоугольную форму (рис. 6.8). В направлении, перпендикулярном плоскости рамки, излучения не будет, так как расстояние от любых двух симметричных элементов витка (плечи 1 – 3, 2 – 4) с противоположно направленными токами до оси одинаковы.
Рис. 6.8
С
ледовательно,
колебания поля, излучаемого каждой
парой таких элементов, в точках на оси
находятся в противофазе и компенсируют
друг друга. Максимум излучения будет
находиться в плоскости рамки, причём
величина этого максимума будет обусловлена
разностью хода волны; например, в
направлении оси
от плеча 2 до плеча 4 или от плеча 4 до
плеча 2 в направлении оси
разностью хода от плеча 1 до плеча 3 или
от плеча 3 до плеча 1. Так как размеры
рамки значительно меньше длины волны,
то разность хода будет невелика, поэтому
и излучение рамки с током невелико.
Рис. 6.9
Рассмотрим поле излучения рамочной антенны. Считаем, что амплитуда и фаза тока вдоль рамки постоянны, т. е. выполняется условие
Поле
витка в точке наблюдения
(рис.
6.9), расстояние до которой от витка велико
по сравнению с радиусом витка
,
можно вычислить по общему правилу через
электрический вектор-потенциал,
определяемый формулой (6.2):
(6.28)
где
Применим эти формулы для рамки с током. Пусть рамка с током расположена в плоскости , тогда:
так
как
,
где
– площадь поперечного сечения провода
рамки.
Обозначив
,
запишем:
Вычислим вектор в сферической системе координат с ортами , , :
.
Вектор имеет три компоненты:
Так
как рамка лежит в плоскости
и симметрична относительно оси
,
то вектор
имеет только одну составляющую
,
причём она не должна зависеть от угла
.
Поэтому достаточно вычислить
, например, для
:
Мы
рассматриваем рамку, когда распределение
тока вдоль неё постоянно, так как
.
При этом условии
Так
как
,
то
Следовательно, вектор-потенциал (6.28) запишется
Определим теперь составляющие электромагнитного поля рамки с током, используя выражения
Проделав
вычисления по данным формулам для
дальней зоны как
,
отбрасывая члены вида
второй и выше степеней, получим:
(6.29)
Если сравнить эту формулу с формулой (6.16) для электрического диполя, то заметим, что характеристики направленности полей совпадают. Однако поля отличаются тем, что векторы электрического и магнитного полей поменялись местами.
Поляризация
поля рамочной антенны отличается от
поляризации поля электрического диполя.
Электрический диполь имеет составляющие
и
,
поляризация вертикальная. Магнитный
диполь имеет составляющие
и
,
поляризация горизонтальная.
Введём
понятие действующей высоты рамки
,
тогда выражение (6.29) можно записать:
(6.30)
где
,
– площадь витка.
Получили,
как и в случае электрического диполя,
сферическую неоднородную волну.
Поверхность постоянной фазы (сфера)
,
а поверхность постоянной амплитуды
Диаграмма
направленности
приведена на рис. 6.10.
а) – в меридиональной плоскости;
б) – в экваториальной плоскости.
Зависимость в ближней зоне аналогична, как и для электрического диполя.
Круговой
контур с постоянным распределением
тока вдоль него эквивалентен магнитному
двойному слою с моментом
.
Очевидно, при переменном токе в витке
момент также будет меняться и его
комплексная амплитуда будет равна
Таким образом, формулу (6.29) можно переписать в виде:
и
истолковать её как поле магнитного
диполя с моментом
,
направленным по оси
.
Рис. 6.10
Заметим, что использование представления о магнитном диполе применимо лишь при малой по сравнению с длиной волны рамкой, распределение тока в которой можно считать равномерным.
Если
длина витка сравнима с длиной волны и,
следовательно, распределение тока
в нём неравномерное, то в этом случае
поле следует вычислять, исходя из
электрического вектор-потенциала.
Вычислим среднее значение вектора Умова – Пойнтинга для рамки с током (магнитного диполя):
(6.31)
Найдём мощность излучения :
Простейшей замкнутой поверхностью является сфера, в центре которой расположена рамка. В этом случае
тогда
г
(6.32)
– амплитуда тока в витке.
Определим сопротивление излучения магнитного диполя:
(6.33)
или
(6.34)
где
– КНД магнитного диполя.(
).
Сравним
основные параметры электрического и
магнитного диполей. Для этого рассмотрим
случай, когда
.
Здесь
– длина витка рамочной антенны (магнитного
диполя);
– длина электрического диполя (т. е
электрический диполь длины свёрнут в
виток радиуса
).
Полагаем, что выполняется условие:
Сравним сопротивления излучения рамки и электрического диполя. Для электрического диполя по формуле (6.23)
Сопротивление
излучения витка
равно:
.
Видим,
что
.
Следовательно, с точки зрения излучения
рамочная антенна хуже электрического
диполя.
Сравним
коэффициент полезного действия (КПД)
рамки с током и электрического диполя
одинаковых линейных размеров. КПД можно
записать в виде:
(6.35)
При одинаковых линейных размерах витка и электрического диполя ( )
, но
витка
диполя.
Следовательно,
Отсюда видно, что КПД рамки с током меньше КПД электрического диполя.
Вследствие малого значения сопротивления излучения рамки с током и малого КПД, она редко используется в качестве излучателя электромагнитных волн. Рамка с током находит применение в качестве приёмной антенны, для которой КПД не имеет столь существенного значения, как для передающей. Применение рамочной антенны обусловлено направленностью её излучения.
Качество
рамочной антенны улучшается за счёт
увеличения действующей высоты
,
.
Однако нужно помнить, что выражение для
составляющих электромагнитного поля
(6.30) справедливо при
.
Действующую высоту рамки можно увеличить с помощью увеличения числа витков,т. е
где – число витков.
При
этом также необходимо помнить, что
должно выполняться условие
.
Действующую
высоту
можно увеличить за счёт сердечника с
соответствующей магнитной проницаемостью
,
на который наматывается рамка. В этом
случае
где
– магнитная проницаемость сердечника,
она не совпадает с магнитной проницаемостью
материала, из которого изготовлен
сердечник за счёт размагничивающего
влияния концов сердечника (обычно
):
где
– относительная магнитная проницаемость
сердечника;
– размагничивающий фактор.
Круговой виток с током (рамка с током) может рассматриваться как своеобразный тип излучателя, называемый магнитный.