Особенности теплового излучения в радиодиапазоне. Радиотепловое излучение, как поле шумовых токов
Рассмотрим особенности теплового излучения в диапазонах радиоволн (в дальнейшем для краткости будем называть его просто радиотепловым излучением). Прежде всего заметим, что для вычисления спектральной плотности излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн совершенно нет необходимости пользоваться громоздкой формулой Планка. Действительно, на частотах радиодиапазона показатель степени числа е (см. формулу (1) становится очень малым: так, при f=100000 Мгц (длина волны 3 мм) и Т=400о, hf/kT 0,012. Воспользовавшись известным приближенным равенством
справедливым при х 1, легко привести формулу Планка к виду
где - длина волны излучения.
Мы получили формулу Релея-Джинса, по которой можно довольно точно оценивать спектральную плотность излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн для тел, имеющих температуру больше 100o К.
Из этой формулы видно, что Мощность радиотеплового излучения прямо пропорциональна температуре излучателя и обратно пропорциональна квадрату длины волны.
Таким образом, для радиотеплолокации выгоднее использовать волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, чем волны сантиметрового и дециметрового диапазонов, на которых излучение значительно слабее.
Теперь остановимся на одной замечательной особенности формулы (4). Дело в том, что второй сомножитель правой части (kТ) равен спектральной плотности мощности тепловых шумовых токов активного сопротивления:
Это совпадение не является случайным. Однако прежде чем его объяснить, необходимо вкратце остановиться на некоторых свойствах теплового шума активных сопротивлений. Этот шум генерируется в любых активных сопротивлениях, его спектральная плотность постоянна от очень низких частот до частот миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Тепловые шумовые токи создаются в любом неидеальном проводнике и представляют собой результат хаотического теплового движения элементарных заряженных частиц; на экранах индикаторов кругового обзора радиолокаторов эти шумы наблюдаются в виде характерных беспорядочно мерцающих точек, а на выходе радиовещательных и связных приемников они воспринимаются как равномерное слабое шипение, особенно хорошо слышимое при отсутствии основной передачи.
Тепловые шумы генерируются только активными сопротивлениями; идеальные конденсаторы и катушки индуктивности совершенно не создают шумовых токов. Известно, что активное сопротивление способно выделять тепло при прохождении тока, т. е. преобразовывать электрическую энергию в тепловую. Значит, ему должно быть присуще и обратное качество - способность частичного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Но ведь любой высокочастотный ток создает поле электромагнитного излучения. Здесь мы и подходим к объяснению сходства формул (4) и (5). Очевидно, радиотепловое излучение представляет собой поле тепловых шумовых токов, протекающих в толще излучающего тела.
Это подтверждается еще и тем, что множитель 2/2, имеющийся в правой части формулы Релея-Джинса, равен множителю в формуле для мощности излучения элементарной антенны, длина которой много меньше длины волны излучения:
Поэтому упрощенную модель радиотеплового излучения тела можно представить в виде суммарного излучения множества крохотных элементарных антенн, получающих питание от шумовых токов, распределенных по объему излучателя.
Так как причиной радиотеплового излучения являются шумовые токи сверхвысоких частот, то, следовательно, интенсивность излучения должна зависеть от электрических характеристик вещества излучателя - проводимости и диэлектрической проницаемости. Проводимость вещества в значительной степени определяет его поглощающие свойства, а как уже указывалось выше, чем лучше тело поглощает энергию постороннего излучения, тем лучшим тепловым излучателем оно является.
Так, например, очень малой проводимостью обладают высококачественные диэлектрики; поэтому их радиотепловое излучение мало. Значительно большей проводимостью (на сверхвысоких частотах) обладают противорадиолокационные покрытия, которые способны почти полностью поглощать падающее на них СВЧ излучение, поэтому интенсивность их радиотеплового излучения по сравнению со всеми другими материалами наиболее высока и приближается к интенсивности излучения АЧТ.
Однако интенсивность радиотеплового излучения зависит не только от поглощающих свойств вещества излучателя. Часть излучения, исходящего из толщи излучателя, отражается от его поверхности и вновь преобразуется в тепло. Это отражение тем сильнее, чем больше диэлектрическая проницаемость излучающего вещества.
Кроме того, величина отражения зависит от угла падения излучаемых волн и вида поляризации. Математически эти зависимости описываются формулами Френеля:
Вследствие зависимости величины отражения от угла падения и вида поляризации интенсивность радиотеплового излучения, вышедшего за пределы, становится различной в разных направлениях и зависит от вида поляризации (рис. 2).
Таким образом, у излучателя образуются своеобразные диаграммы направленности, различные для составляющих излучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией.
Из формулы (6) видно, что при определенном значении угла падения коэффициент отражения В() становится равным нулю. Поэтому вертикально поляризованная часть излучения в этом направлении выходит из излучателя полностью. Угол В при котором В() = 0, называется углом Брюстера; его значение определяется по формуле
Оба коэффициента - Г() и В() - увеличиваются при уменьшении угла падения; при угле падения, равном нулю, коэффициенты становятся равными единице. Следовательно, в направлении, параллельном поверхности излучателя, излучение будет нулевым - происходит полное внутреннее отражение (рис. 3).
Описанные зависимости интенсивности излучения от направления справедливы для идеально плоских излучателей; у излучателей, имеющих неровную поверхность, зависимость уровня излучения от направления сглаживается (рис. 4).
Формулы (6) и рис. 2 справедливы только для плохо проводящих излучателей, обладающих диэлектрическими свойствами. Хорошо проводящие излучатели, например, металлические, имеют коэффициент отражения, близкий к единице, и поэтому интенсивность их собственного радиотеплового излучения очень мала.