поля і хвилі до модуля / Lection / Л14

Лекція № 14: “Елементарні рамковий та щілинний вібратори. Елемент Гюйгенса”

1. Елементарний рамковий вібратор

Якщо елементарний електричний вібратор, подібний до розгля­нутого раніше, зігнути в кільце навколо осі г, то отримаємо елемен­тарний рамковий (кільцевий) вібратор зі структурою поля, що збу­джується струмом І (рис.1, а. Із рис.1, а випливає, що при зазначеному просторовому положенні рамкового вібратора його поле симетричне відносно осі z.

Рис.1 Елементарний рамковий вібратор

Оскільки в точках з координата­ми напруженості елект­ричного поля однакові за модулем і протилежні за напрямом (знаком), то в будь-якій точці на осі z при результуюча напруженість Е = 0, а при результуюча напруже­ність досягає максимального зна­чення. Тому в будь-якому верти­кальному перерізі діаграма спрямо­ваності має форму горизонтальної «ві­сімки» (рис.1,б), тобто , а в горизонтальному — форму кола (рис.1, в), тобто .

Таким чином, ДС рамкового віб­ратора має вигляд, подібний до зоб­раженого ДС елементарного електричного вібратора, при якому рамка не випромінює вдовж осі z. Тому рамковий вібратор можна роз­глядати як умовний елементарний електричний вібратор, що збуджу­ється гіпотетичним магнітним стру­мом . При цьому відносно диполя Герца з електричним струмом у стру­ктурі поля (рис.1, а) силові лінії Е замінюються лініями Н і, навпа­ки, силові лінії Н замінюються на лінії Е на підставі властивості пере­ставної двоїстості рівнянь Максвелла. Такий диполь зі струмом , еквіва­лентний за своєю дією елементарно­му витку з електричним струмом, на­зивають магнітним диполем.

Основні співвідношення для ком­понентів поля, що характеризують рамковий вібратор, такі:

де - площа витка радіусом R та довжиною

На підставі аналізу наведених виразів випливає, що за інших однакових умов потужність випромінювання диполя Герца перевищує потужність випромінювання елементарного рамкового вібратора в рази. Наприклад, при , або . відповідні переви­щення потужності випромінювання сягають 400 та 40 000 раз. Тому одновиткові рамкові антени доцільно використовувати лише як приймальні.

2. Елементарний щілинний вібратор

Рис.2 Елементарний щілинний вібратор

Якщо в необмеженому металевому листі прорізати щілину з розмі­рами, значно меншими за довжину хвилі, та до її країв прикласти змін­ну напругу U, то в розкриві щілини виникне змінне електричне поле напруженістю Е. Далі на підставі першого та другого рівнянь Мак­свелла, що описують відповідні фізичні явища у просторі, створюється власне електромагнітна хвиля. Таким чином, можна отримати елементар­ний щілинний вібратор, еквівалентом якого за структурою поля можна вва­жати магнітний диполь, орієнтова­ний удовж осі z. З розгляду рис.2 випливає, що в далекій зоні доміну­ють складові та , а нормована ДС має форму тороїда, оскільки ха­рактеристика спрямованості щілини , подібна до зображеної на ДС елементарного електричного вібратора. Щі­лина випромінюватиме, якщо вона перетинатиме лінії струмів провід­ності в металевому листі, наприклад у стінці хвилеводу.

3. Елемент Гюйгенса

Елементарні вібратори, які вже розглянуто, характеризуються симетричними двопелюстковими ДС типу . Але в бага­тьох практично важливих випадках необхідно мати системи з односпрямованим випромінюванням (прийомом) радіохвиль. Вібраторну систему з однопелюстковою ДС можна отримати при суміщенні двох взаємно перпендикулярних вібраторів — диполя Герца та рамкового вібратора, які розміщено в поперечній площині хОу (рис. 3, а, б). Тут двопелюсткові ДС стосуються вібраторів, розміщених у площи­нах рисунків, а ДС у вигляді кола — вібраторів, перпендикулярних до площин рисунків.

Припускається, що відповідні струми в обох незалежних віб­раторах такі, що напруженості полів у будь-якій точці далекої зони однакові. При цьому сумарні нормовані ДС системи вібраторів ма­ють форму кардіоїди , тобто така система є спря­мованою з максимумом випромінювання в напрямі кута .

Рис.3 Елемент Гюйгенса

Система є технічно реалізованою, якщо в ній магнітний вібра­тор із гіпотетичним магнітним струмом замінити на еквівалент­ний йому за своєю дією виток із реальним електричним струмом . Таку систему зображено на рис. 3, в. З розгляду цього рисунка випливає, що така система має максимум випромінювання вздовж осі z (обидва струми співнапрямлені). У далекій зоні вектор Е па­ралельний струму I та породжує в тій самій точці простору відпові­дну перпендикулярну складову вектора Н, а отже, . Нескінченно малий елемент уявної хвильової поверхні, в якій міс­тяться вектори Е та Н , називається елементом Гюйгенса. Ці век­тори є наслідками реальних елементарних струмів. Елемент Гюйгенса.

Елемент Гюйгенса є моделлю вторинного джерела хвилі і породжує подібні до себе. Він випромінює тільки «вперед» і дає змогу створити наочну модель процесу поширення фронту хвилі у вільному просторі. Конструктивна сукупність реального електричного вібратора та реальної рамки з електричним струмом є найпростішим прототипом антени, ДС якої має чітко визначений нуль, наприклад у радіопелен­гаторі — системи визначення координат об'єкта, що випромінює радіохвилі.