Элементарный электрический вибратор

Это прямолинейный излучатель (рис. 2.1), удовлетворяющий условиям: l<< λ, d<<l и I (l) = const, т.е. в данный момент времени ток вдоль всего излучателя имеет одно и то же значение. Ток, текущий по вибратору, создает вокруг него кольцевое магнитное поле . Возникающие на концах вибратора заряды создают электрическое поле, лежащее в плоскости вибратора.

Элементарный электрический вибратор применяется для расчета проволочных (вибраторных) антенн.

Рисунок 2.1 – Элементарный электрический вибратор

Элементарный магнитный вибратор

Это плоский виток с током, равномерно распределенным по контуру. Условие элементарности вибратора <<λ, где S – площадь ограниченная витком (рис. 2.2).

Этот вибратор применяют к расчету щелевых и рамочных антенн.

Рисунок 2.2 – Элементарный

магнитный вибратор

Элемент Гюйгенса

Это бесконечно малый участок фронта волны (рис. 2.3). Условие элементарности l<<λ. При этом в пределах элемента амплитуда электрического и магнитного поля постоянны. Элемент Гюйгенса применяют для расчета рупорных, зеркальных, линзовых антенн и фазированных антенных решеток.

Рисунок 2.3 – Элемент Гюйгенса

Электромагнитное поле излучения электрического

Вибратора

Поместим элементарный электрический вибратор (ЭЭВ) в начале сферической системы координат (рис. 2.4, а). Орты системы , , образуют правую тройку векторов = × . Полагаем, что нам надо определить ЭМП, т.е. векторы и в точке М, имеющую координаты r, θ, φ (рис. 2.4,б).

Рисунок 2.4 – Сферическая система координат, в её центре – ЭЭВ

Пусть по вибратору течет высокочастотный ток с постоянной амплитудой (l) = const.

Поясним процесс излучения электромагнитной энергии в пространство.

Для наглядности рассмотрим симметричный, т.е. имеющий два плеча электрический вибратор (l = λ / 2), полученный из двухпроводной линии, контуры которой разведены на 180° (рис. 2.5,а). Для простоты будем рассматривать изменение напряженности электрической составляющей ЭМП в пространстве. Магнитная составляющая будет вести себя аналогично.

Рисунок 2.5 – К процессу излучения электромагнитных волн

Выберем за начальный момент = 0, момент, когда питающее антенну напряжение (ток) высокочастотных колебаний с периодом Т равно 0. В пространстве вокруг антенны напряженность электрического поля в этот момент также равна нулю.

Через четверть периода = подведенные к антенне СВЧ-колебания достигнут своего максимума и в пространстве вокруг антенны возникает электрическое поле, направление силовых линий которого показано на рисунке 2.6,б. Причем за время от = 0 до электромагнитное поле удалится от антенны на расстояние λ/4. Затем напряжение, подводимое к антенне, начнет уменьшаться, и концы силовых линий электрического поля будут как бы стягиваться к середине антенны (рис. 2.6, в). В момент времени = , = 0,
а концы силовых линий электрического поля соединяются, образуя замкнутые петли (рис. 2.6,г). Электромагнитное поле к этому времени удалится от антенны на расстояние, равное λ/2. В = Т напряжение по абсолютной величине вновь станет максимальным, а направление силовых линий вектора будет противоположным направлению в момент времени . Электрическое поле, возникшее вокруг антенны в момент времени в непосредственной близости от нее, как бы «отжимает» то поле, которое уже потеряло связь с антенной. Рассмотренный процесс повторяется периодически, т.е. – это колебательный электромагнитный процесс, охватывающий все новые и новые области пространства.

Рисунок 2.6 – Пояснение излучения радиоволн симметричным вибратором

Сформулируем необходимые условия эффективного излучения электромагнитных волн антенной.

Первое условие состоит в том, что заряды (напряжение) в антенне должны исчезать и накапливаться быстро, иначе говоря, переменный ток, протекающий в антенне, должен иметь значительную частоту. Чем выше частота тока в антенне, тем эффективней она излучает, поэтому для передачи сигналов (информации) с помощью электромагнитных волн используют высокочастотные колебания.

Второе условие состоит в том, что поле антенны должно охватывать возможно больший объём, иначе говоря, размеры антенны L должны быть сравнимы с длиной излучаемой волны L ~ λ.

Приведем выражения для составляющих ЭМП, излучаемого элементарным электрическим вибратором без доказательств

= 0; = 0;

(r, θ) = ( + ) sinθ (2.1)

По найденному значению напряженности магнитного поля, используя выражение t = jω , найдем выражения для компонент электрического поля

(r, θ) = ( – ) cosθ ;(2.2)

(r, θ) = ( – ) sinθ ; (2.3)

(r, θ) = 0.

Проведем анализ поля элементарного вибратора, описываемого выражениями (2.1), (2.2), (2.3).

Из формулы (2.1) следует, что магнитное поле имеет только азимутальную составляющую. В этом проявляется сходство с магнитным полем постоянного электрического тока, протекающего по линейному проводнику (силовые линии – концентрические окружности, охватывающие ток).

Из формул (2.2) и (2.3) следует, что вектор напряженности электрического поля имеет составляющие, ориентированные по ортам и , т.е. лежит в плоскости вибратора.

Из формул (2.1) – (2.3) видно, что компоненты векторов и зависят от координат θи r, а от φ не зависят. Это естественно, т.к. вибратор – осесимметричный излучатель, поэтому все направления по азимуту (φ) для него равноценны.

Каждое из соотношений (2.1) – (2.3) может быть представлено в виде:

(2.4)

где	(0)	–	значение поля в начале координат;
	F(r)	–	закон изменения амплитуды поля с удалением от вибратора (по координате r);
	F(θ)	–	закон изменения интенсивности поля по направлению (по координате θ);
		–	множитель запаздывания, показывающий, что рассматриваемое поле представляет собой сферическую волну

Действительно, пусть ток вибратора изменяется по гармоническому закону, т.е. , тогда в рассмотренных выражениях получим волновой множитель , т.е. и – это электромагнитное поле, «бегущее» в направлении увеличения радиуса r. В этом легко убедиться следующим образом. На фронте волны фаза постоянна γ = ωt – kr. Определим геометрическое место точек с одинаковыми фазами