Электромагнитное поле в земных и космических условиях

5. Электромагнитное поле в земных и космических условиях

5.1 Параметры электромагнитного поля, излученного в свободное пространство

Электромагнитное поле по мере распространения в свободном пространстве изменяется по амплитуде. Это изменение можно рассчитать, учитывая свойства источника сигнала и пространства между источником и приемником. Пусть источник электромагнитного поля излучает равномерно во все направления мощность Р₁. Тогда среднее значение вектора Пойнтинга на расстоянииr от источника определится делением этой мощности на площадь сферы радиусомr

.

Если мощность излучается не равномерно, а так, что плотность потока мощности в выбранном направлении в D₁раз больше, то

, (5.1)

где D₁– коэффициент усиления или коэффициент направленного действия источника. Рассчитаем напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянииr от источника.

;

;. (5.2)

В интересующей нас точке расположим приемник сигнала. Мощность сигнала, поступившего в приемник, равна произведению плотности потока мощности вблизи приемника на его эффективную площадь

. (5.3)

Эффективная площадь приемника равна самой площади, если он расположен перпендикулярно направлению распространения волны и фаза возбуждаемого в нем тока во всех точках одинакова. В реальном приемнике эти условия нарушаются тем сильнее, чем меньше длина волны. Эффективная площадь растет с ростом коэффициента направленного действия. Расчет показывает, что для расчета эффективной площади приемника достаточно длинны волны и коэффициента направленного действия, который зависит от размеров приемника.

. (5.4)

Подставим эффективную площадь в (5.3)

. (5.5)

Это формула идеальной радиосвязи (радиолинии первого типа), хорошо описывающая энергетические соотношения в радиолинии при отсутствии потерь.

В радиолинии второго типа тело облучается СВЧ мощностью и отражает сигнал, который принимается приемником. Если расстояние от передатчика до отражающего тела r₁, то плотность потока мощности на нем

,

а мощность, отраженная телом

P_оп= П_оп_эфф,

где _эфф– коэффициент пропорциональности, называемый эффективной площадью рассеяния (ЭПР). ЭПР зависит от формы, размеров, электрических свойств тела и его ориентации относительно направления распространения радиоволн. Считая, что действующая площадь приемной антенны определяется выражением (5.3), а расстояние от отражающего тела до приемникаr₂, для мощности на входе приемника получим:

. (5.6)

Если прием и передача проводятся в одном и том же месте, то r₁ = r₂ = rи вместо (5.6) получим:

(5.7)

Выражение (5.7) называют уравнением идеальной радиолокации(или радиолинии второго типа).

При проектировании систем приходится учитывать сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи Lназывают отношение мощности на выходе передатчика к мощности на входе приемника:

L = P₁/P₂ . (5.8)

Индексом «0» будем обозначать потери идеальной линии передачи. Для радиолинии первого типа (режим радиосвязи)

. (5.9)

Потери, не связанные со свойствами антенн и определяемые свойствами пространства, обозначают через L₀и называютпотерями на расходимость.

. (5.10)

Для радиолинии второго типа (режим радиолокации), если прием и передача производятся в одном месте

. (5.11)

В реальных средах наряду с потерями на расходимость существуют и другие потери. Эти потери обычно описывают с помощью множителя ослабления V, который определяется как отношение электромагнитного поля при наличии (E) и в отсутствие (E₀) потерь:

. (5.12)

Множитель ослабления используется, например, для описания влияния поверхности Земли на электромагнитное поле, распространяющееся вблизи этой поверхности, или для описания влияния поглощения в атмосфере на амплитуду сигнала.