Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
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
Следовательно, 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):
|
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:
|
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:
|
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):
|
Найдём мощность излучения :
Простейшей замкнутой поверхностью является сфера, в центре которой расположена рамка. В этом случае
тогда
|
где – амплитуда тока в витке.
Определим сопротивление излучения магнитного диполя:
|
или
|
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:
|
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.
Дата публикования: 2015-01-25; Прочитано: 1001 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!