Л абораторная работа № 8. Исследование характеристик направленности источника электромагнитных волн

Цель работы: изучение основных характеристик излучателей волновой энергии и методики измерения диаграммы направленности электрического диполя.

1. Теоретические предпосылки к работе

Эффективность работы любого источника волнового поля определяется следующими основными характеристиками излучателя.

1. Диаграммой (характеристикой) направленности источника.

2. Коэффициентом осевой концентрации источника.

3. Сопротивлением (импедансом) излучения источника.

Диаграммой направленности () источника называется функция, описывающая зависимость амплитуды излучаемого поля или принимаемого сигнала () от угла () между одной из координатных осей и направлением на конкретную точку в исследуемом пространстве, располагающуюся в дальней зоне.

Диаграмма (характеристика) направленности излучателя определяет неравномерность поля, создаваемого излучателем в пространстве:

, (8.1)

где и - колебательная характеристика поля, соответственно в текущих точках на окружности радиуса r с центром в акустическом центре источника и на акустической оси источника на том же расстоянии r от него;  - текущий угол между акустической осью и направлением на текущую точку измерения величины ().

В общем случае диаграмма направленности является комплексной величиной, зависит от двух углов сферической системы координат и и нормируется относительно максимальной величины амплитуды волнового поля в исследуемом пространстве

(8.2)

Обычно на практике, как правило, рассматривают модуль диаграммы направленности, а также ее выражение в какой-либо плоскости, т.е. в зависимости от одного из углов или .

В общем случае направленного источника () имеет вид главного лепестка (максимума) и ряда дополнительных лепестков (см. рис. 8.1.).

Рис.8.1.

Эффективность излучения источником в определенном направлении оценивается шириной (углом) раскрытия ₀ диаграммы направленности (основного лепестка), определяемой на уровне (₀) = 0,707.

Форма диаграммы направленности зависит от формы, симметрии и характера колебаний излучателя и величины соотношения , где D – максимальный, характерный размер излучающей поверхности источника, - длина волны, излучаемой источником. При уменьшении величины форма () приближается к диаграмме направленности точечного источника (сфере).

В случае излучателя акустических волн полная акустическая мощность направленного источника связана с () следующим образом:

, (8.3)

где P₀(r) - давление на оси; S - площадь сферы в дальней зоне на расстоянии r от источника.

Коэффициент осевой концентрации  определяет степень концентрации энергии направленным источником, т. к. в этом случае диаграмма направленности источника поля определяет степень концентрации энергии излучения в каком-либо направлении в пространстве. Количественно степень концентрации энергии волнового поля описывается с помощью коэффициента направленного действия (коэффициента концентрации):

(8.4)

где  плотность потока мощности, проходящего через единичную площадь сферической поверхности в дальней зоне на расстоянии r от источника в правлении, заданном углами ₁, ₁; P₀ - поток мощности точечного сферического источника, проходящий через ту же площадь на расстоянии r от излучателя.

Если источник характеризуется диаграммой направленности, описываемой некоторой функцией , то коэффициент концентрации такого излучения определяется следующим образом:

(8.5)

Форма диаграммы направленности источника зависит от типа источника. Так, в случае монополя форма диаграммы направленности аналогична представленной на рис. 8.1. Если источник дипольный, форма приближается к фигуре в виде восьмерки (рис. 8.2.).

Рис.8.2.

При рассмотрении процессов излучения электромагнитных волн источники таких волн называются антеннами (излучающими и приемными). В зависимости от излучаемой компоненты поля антенны могут быть двух видов:

Магнитные антенны – в виде замкнутой рамки (круглой или прямоугольной формы), состоящей из одного или нескольких витков провода, оба конца которого подсоединяются к генераторному или измерительному устройству.

Электрические антенны бывают нескольких типов. К наиболее распространенным разновидностям электрических антенн относятся:

- несимметричные (одновибратор) в виде прямолинейного участка провода с одним свободным концом, другой же конец соединяется с одной из клемм генераторного или измерительного устройства, которая заземляется, как правило, на корпус устройства;

- дипольные антенны (симметричный вибратор), представляющие собой два линейных отрезка провода с открытыми концами, расположенными вдоль одной прямой и направленными в противоположные стороны, другие концы которых соединяются с клеммами генераторного или измерительного устройства.

Диаграммы направленности электрического диполя для разных компонент вектора напряженности электрической составляющей (т.е. в различных плоскостях пространства) имеют различную форму.

Так, диаграмма направленности электрического диполя для компонент волнового электромагнитного поля и в вертикальной (меридиональной) плоскости имеет вид:

; (8.6)

Диаграмма направленности вертикальной компоненты в той же плоскости определяется:

. (8.7)

Графическое изображение данных диаграмм представлено на рис. 8.2.

Практически электрические диполи работают в резонансном режиме, когда их длина l соответствует половине длины излучаемой ими электромагнитной волны:

, (8.8)

где С_ЭМ – скорость распространения электромагнитных волн (света);

С_ЭМ – 3·10⁸ м/с.

Для таких антенн диаграмма направленности описывается выражением:

(8.9)

Диаграмма направленности является важнейшим параметром и приемной антенны, так как определяет направления, в которых принимаемая энергия минимальна и даже может быть равной нулю.

Экспериментально диаграмму направленности источника определяют в дальней зоне, в зоне Фраунгофера, в которой поле имеет регулярный характер и его амплитуда спадает с расстоянием как в сферической волне (A~1/r).

Данная зона наблюдается на расстояниях R_д, удовлетворяющих условию /kR_д/>>1, где - волновое число, или .

Практически считают, что для электрического диполя начало дальней зоны имеет место на расстояниях, удовлетворяющих неравенству /kR_д/ (3-4).

Для экспериментального исследования диаграмм направленности используют специальные установки: гидроакустические ванны (для акустических излучателей); поворотные столы (для электромагнитных источников).