Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
38)39)40)41) ЭМП ИЗЛУЧЕНИЯ РАМКИ С ТОКОМ.Диаграмма направленности по полю и действующая высота магнитного дироля.Мощность излучения и сопротивления излучения эмп .Способы увеличения действующий высоты рамочной антенны
Рамочная антенна. Магнитный диполь
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):
(6.28)
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:
(6.29)
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:
(6.30)
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):
(6.31)
Найдём мощность излучения :
Простейшей замкнутой поверхностью является сфера, в центре которой расположена рамка. В этом случае
тогда
(6.32)
где – амплитуда тока в витке.
Определим сопротивление излучения магнитного диполя:
(6.33)
или
(6.34)
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:
(6.35)
При одинаковых линейных размерах витка и электрического диполя ()
, но виткадиполя.
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.