Школьная энциклопедия. Способ приема радиоволн
Если бы Максвелл не предсказал существование радиоволн, а Герц не открыл их на практике, наша действительность была бы совсем другой. Мы не могли бы быстро обмениваться информацией при помощи радио и мобильных телефонов, исследовать далёкие планеты и звёзды с помощью радиотелескопов, наблюдать за самолётами, кораблями и другими объектами с помощью радиолокаторов.
Каким же образом радиоволны помогают нам в этом?
Источники радиоволн
Источниками радиоволн в природе являются молнии – гигантские электрические искровые разряды в атмосфере, сила тока в которых может достигать 300 тысяч ампер, а напряжение – миллиарда вольт. Молнии мы наблюдаем во время грозы. Кстати, они возникают не только на Земле. Вспышки молний были обнаружены на Венере, Сатурне, Юпитере, Уране и других планетах.
Практически все космические тела (звёзды, планеты, астероиды, кометы и др.) также являются естественными источниками радиоволн.
В радиовещании, радиолокации, спутниках связи, стационарной и мобильной связи, различных системах навигации применяются радиоволны, полученные искусственным путём. Источником таких волн служат высокочастотные генераторы электромагнитных колебаний, энергия которых передаётся в пространство с помощью передающих антенн.
Свойства радиоволн
Радиоволны – это электромагнитные волны, частота которых находится в интервале от 3 кГц до 300 ГГц, а длина - от 100 км до 1 мм соответственно. Распространяясь в среде, они подчиняются определённым законам. При переходе из одной среды в другую наблюдается их отражение и преломление. Присущи им и явления дифракции и интерференции.
Дифракция , или огибание, происходит, если на пути радиоволн встречаются препятствия, размеры которых меньше длины радиоволны. Если же их размеры оказываются бόльшими, то радиоволны отражаются от них. Препятствия могут иметь искусственное (сооружения) или природное (деревья, облака) происхождение.
Отражаются радиоволны и от земной поверхности. Причём, поверхность океана отражает их примерно на 50% сильнее, чем сýша.
Если препятствие является проводником электрического тока, то какую-то часть своей энергии радиоволны отдают ему, а в проводнике создаётся электрический ток. Часть энергии расходуется на возбуждение электротоков на поверхности Земли. Кроме того, радиоволны расходятся от антенны кругами в разные стороны, подобно волнам от брошенного в воду камешка. По этой причине радиоволны со временем теряют энергию и затухают. И чем дальше от источника находится приёмник радиоволн, тем слабее сигнал, дошедший до него.
Интерференция, или наложение, вызывает взаимное усиление или ослабление радиоволн.
Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света (кстати, свет – это тоже электромагнитная волна).
Как и любые электромагнитные волны, радиоволны характеризуются длиной и частотой волны. С длиной волны частота связана соотношением:
f = c/ λ ,
где f – частота волны;
λ - длина волны;
c - скорость света.
Как видим, чем больше длина волны, тем меньше её частота.
Радиоволны разбиваются на следующие диапазоны : сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие, миллиметровые и децимиллиметровые волны.
Распространение радиоволн
Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.
Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.
Длинные , или километровые , волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.
Средние , или гектометровые , волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.
Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?
Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.
А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.
По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами. Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи.
Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.
Субмиллиметровые , или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.
Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.
Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.
Излучение и приём радиоволн
Излучение радиоволн - процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн (См. Антенна). Излучение радиоволн
. Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц
) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны λ, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А
(рис. 1
), существует другой участок В
, удалённый от А
на расстояние, меньшее, чем λ/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А
и В
, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает Колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем λ/2. Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с λ/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с λ км. Излучатели
. Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А
и В
прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO"
двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис. 2
). В отрезках А
и В
под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О
и О"
равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А
и В
образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А
и В
совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, - окружности (рис. 3
). Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е
и Н
перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4
). Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е
волны в точке наблюдения О
(рис. 3
) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r
, проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н
перпендикулярен этой плоскости. Переменное электромагнитное поле возникает во всём пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида (рис. 5
). Полная мощность, излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l
и длиной волны λ. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с λ/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l
подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника, подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения R
и, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность. Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда - единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6
), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости. Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью μ,
на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7
, а, б), что обусловлено принципом двойственности. Если в стенках Радиоволновод а или объёмного резонатора (См. Объёмный резонатор),
где текут переменные поверхностные токи сверхвысоких частот, прорезать щель так, чтобы она пересекла направление тока, то распределение токов резко искажается, экранировка нарушается и электромагнитная энергия излучается наружу. Распределение полей щелевого излучателя подобно распределению полей магнитной антенны. Поэтому щелевой излучатель называется магнитным диполем (рис. 7
, в, г;
см. также Щелевая антенна). Диаграмма направленности магнитного и щелевого излучателей, так же как и электрического диполя, представляет собой тороид. Более направленное излучение создают антенны, состоящие из нескольких проволочных или щелевых излучателей. Это - результат интерференции радиоволн (См. Интерференция радиоволн), излучаемых отдельными излучателями. Если токи, питающие их, имеют одинаковые амплитуду и фазу (равномерное синфазное возбуждение), то на достаточно далёком расстоянии в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности, волны от отдельных излучателей имеют одинаковые фазы и дают максимум излучения. Поле, созданное в других направлениях, значительно слабее. Некоторое увеличение напряжённости поля имеет место в тех направлениях, где разность фаз волн, приходящих от крайних излучателей, равна (n
+ 1) π/2, где n -
целое число. В этом случае сечение диаграммы направленности плоскостью содержит ряд лепестков (рис. 8
), наибольший из которых называется главным и соответствует максимуму излучения, остальные называются боковыми. В современной антенной технике применяются антенные решётки, содержащие до 1000 излучателей. Поверхность, на которой они расположены, называется апертурой (раскрывом) антенны и может иметь любую форму. Задавая различное распределение амплитуд и фаз токов на апертуре, можно получить любую форму диаграммы направленности. Синфазное возбуждение излучателей, образующих плоскую решётку, позволяет получить очень высокую направленность излучения, а изменение распределения тока на апертуре даёт возможность изменять форму диаграммы направленности. Для повышения направленности излучения, которое характеризуется шириной главного лепестка, необходимо увеличивать размеры антенны. Связь между шириной главного лепестка θ,
наибольшим размером апертуры L
и излучаемой длиной волны λ определяется формулами: если излучатели расположены вдоль некоторой оси, а сдвиг фаз в них подобран так, что максимум излучения направлен вдоль этой оси (рис. 9
). С
- постоянные, зависящие от распределения амплитуды токов по апертуре. Если радиоволновод постепенно расширяется к открытому концу в виде воронки или рупора (рис. 10
), то волна в волноводе постепенно преобразуется в волну, характерную для свободного пространства. Такая рупорная антенна даёт направленное излучение. Очень высокая направленность излучения (до долей градуса на дециметровых и более коротких волнах) достигается с помощью зеркальных и линзовых антенн. В них благодаря процессам отражения и преломления сферический фронт волны, излучаемой электрическим или магнитным диполем либо рупорным излучателем, преобразуется в плоский. Однако из-за дифракции (См. Дифракция) волн в этом случае диаграмма также имеет главный и боковые лепестки направленности. Зеркальная антенна (См. Зеркальные антенны) представляет собой металлическое зеркало 1
, чаще в виде части параболоида вращения или параболического цилиндра, в фокусе которого находится первичный излучатель (рис. 11
). Линзы для радиоволн представляют собой трёхмерные решётки из металлических шариков, стерженьков и т.п. (искусственные диэлектрики) или набор прямоугольных волноводов. Приём радиоволн.
Каждая передающая антенна может служить приёмной. Если на электрический диполь действует распространяющаяся в пространстве волна, то её электрическое поле возбуждает в диполе колебания тока, которые затем усиливаются, преобразуются по частоте и воздействуют на выходные приборы. Можно показать, что диаграммы направленности диполя в режимах приёма и передачи одинаковы, т. е. что диполь принимает лучше в тех направлениях, в которых он лучше излучает. Это является общим свойством всех антенн, вытекающим из принципа взаимности: если расположить две антенны - передающую А
и приёмную В
- в начале и в конце линии радиосвязи, то генератор, питающий антенну А
, переключенный в приёмную антенну В
, создаёт в приёмном устройстве, переключенном в антенну А
, такой же ток, какой, будучи включенным в антенну А
, он создаёт в приёмнике, включенном в антенну В
. Принцип взаимности позволяет по свойствам передающей антенны определить её характеристики как приёмной. Энергия, которую диполь извлекает из электромагнитной волны, зависит от соотношения между его длиной l
, длиной волны λ и углом ψ между направлением v
прихода волны и диполем. Существен также угол φ между направлением вектора электрической волны и диполем (рис. 12
). Наилучшие условия приёма, при φ = 0. При φ = π/2 электрический ток в диполе не возбуждается, т. е. приём отсутствует. Если же 0 Ecos φ) 2 . Иными словами, эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приёма необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приёмный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приёмный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несёт с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной Шумы антенны.
Приёмная антенна всегда находится в таких условиях, когда на неё, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея - Джинса законом излучения (См. Рэлея - Джинса закон излучения) создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счёт джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств. Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой T
A . Мощность Р
ш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Δν приёмника равна: Р
ш =k T
A
Δν (k
- Больцмана постоянная). На частотах ниже 30 Мгц
преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140-250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50-80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15-20 К. Лит.:
Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. - Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. - Л., 1950. Под редакцией Л. Д. Бахража.
Рис. 4. Мгновенные картины электрических силовых линий вблизи диполя для промежутков времени, отстоящих друг от друга на 1 / 8 периода Т колебаний тока.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Излучение и приём радиоволн" в других словарях:
Электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля. (Термин «И.» применяют также для обозначения самого свободного, т. е. излученного, электромагнитного поля см. Максвелла уравнения, Электромагнитные волны.)… …
Электромагнитное, в классич. электродинамике образование эл. магн. волн ускоренно движущимися заряж. ч цами (или перем. токами); в квант. теории рождение фотонов при изменении состояния квант. системы; термин «И.» употребляется также для… … Физическая энциклопедия
ИЗЛУЧЕНИЕ - ИЗЛУЧЕНИЕ, или радиация, в общем смысле процесс переноса энергии от тела в окружающее пространство. Обыкновенно термин И. применяют к элементарным атомным или молекулярным процессам, различая при этом 2 вида И.: корпускулярное и световое. Перенос … Большая медицинская энциклопедия
ИЗЛУЧЕНИЕ - распространяющиеся в пространстве (см.) какой либо природы или потоки каких либо частиц, а также процесс И. волн или потока частиц какой либо физ. системой; (1) И. электромагнитное: а) видимое оптическое И., непосредственно воспринимаемое глазом… … Большая политехническая энциклопедия
Устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (См. Излучение) (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны λ = 10 9 см до радиоволн с λ = 10 1 см, о приёмниках электромагнитного излучения с меньшей длиной волны… … Большая советская энциклопедия
Владельцы патента RU 2598866:
Способ приёма радиоволн включает в себя преобразование электромагнитного излучения в электрический ток. Причём для увеличения напряженности электрического поля в месте приема размещают антенну, в которой активные элементы изготавливают из тонкой, заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты. Технический результат заключается в увеличении напряженности электрического поля. 4 ил.
Изобретение относится к области радиосвязи и телевизионного приема.
Известен способ приема радиоволн, в котором конвертация электромагнитного излучения радиочастотного диапазона в электрический ток производится с помощью антенны, представляющей собой одиночный вибратор (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 24-25).
Недостатком такого способа приема радиоволн является то, что такая антенна не концентрирует электрическое поле в точке приема сигнала, то есть не увеличивает напряженность электрического поля в непосредственной близости от вибратора. Другим недостатком такого способа приема радиоволн является низкая реальная чувствительность одиночных вибраторов. Усиление таких антенн при приеме сигнала по отношению к изотропному излучателю колеблется в диапазоне 1-3 dB.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приема радиоволн, в котором приемное устройство представляет собой двухзеркальную антенну (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 272-276). Двухзеркальная антенна (Backfire Antenna) была предложена в 1960 году Эреншпеком. Существуют две версии этой антенны. В качестве прототипа наиболее подходит короткая двухзеркальная антенна. Антенна имеет один активный элемент и два плоских отражателя. Антенна обеспечивает усиление 13 dB. Оба отражателя выполнены из мелкоячеистой металлической сетки. Активный элемент (вибратор) размещен на расстоянии 0,25λ от главного и вспомогательного отражателей. Здесь λ - длина волны. При работе антенны возникает стоячая волна за счет отражения от главного и вспомогательного отражателей. Вибратор установлен в пучности стоячей волны, где амплитуда сигнала в два раза выше, чем в пришедшей электромагнитной волне. Тем самым в прототипе обеспечивается концентрация электромагнитного поля в месте расположения антенны за счет создания стоячей волны отражателями. Однако сам активный элемент двухзеркальной антенны не увеличивает напряженность электрического поля в районе расположения вибратора.
Недостатком прототипа является то, что вибратор антенны не концентрирует электрическое поле в точке приема, то есть не увеличивает напряженность электрического поля около активного элемента.
Цель предлагаемого способа приема радиоволн - увеличение напряженности электрического поля в месте приема, что позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема.
Технический результат от использования предложенного способа приема радиоволн состоит в увеличении дальности уверенного телевизионного и радиоприема. Это обеспечивается тем, что слабое электрическое поле усиливается путем его концентрации на острой кромке лезвия вибратора до величины, при которой обеспечивается нормальное функционирование антенны. Концентрация электрического поля в месте приема увеличивает напряженность электрического поля около антенны. Приемник, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, способен уверенно принимать сигнал, который другими приемниками, размещенными в этой же точке, принят не будет, поскольку для них сигнал в точке приема не увеличивается и поэтому будет слабее собственных шумов антенны и первого каскада усиления и после усиления будет подавлен более мощным шумом. Заявляемый способ приема радиоволн обладает повышенной реальной чувствительностью и может использоваться при дальнем распространении радиоволн. При дальнем распространении радиоволн на уровень сигнала начинают влиять множество условий: изменение погоды, наличие дождя или снежных осадков, магнитные бури, пятна на Солнце. Требования к комнатной телевизионной антенне еще более жесткие, чем к внешней антенне. Если внешняя антенна может быть любых размеров, то комнатная антенна должна быть компактной. Это не позволяет использовать высокоэффективные типы антенн, имеющие большие габариты. На нижних этажах зданий в условиях многоэтажной городской застройки сигнал очень слабый, подвержен многократным отражениям, сильно (в десятки - сотни раз) изменяется во времени, а также при перемещении людей, животных, перестановке мебели в помещении. Напряженность электрического поля в помещении отличается даже в пределах десяти сантиметров. Затухание вносят стены, окна. Сигнал может отражаться от соседних зданий, автомобилей и других подвижных объектов и поэтому приходит к антенне не от телецентра, а с другого направления, которое постоянно изменяется. Особенно слабый сигнал будет в случае дальнего распространения радиоволн, то есть вне пределов прямой видимости. Считается, что расстояние прямой видимости не превышает 25 км. Комнатная антенна, реализующая заявляемый способ приема радиоволн, изготовлена для работы на 28 дециметровом телевизионном канале с целью обеспечения телевизионного приема цифрового сигнала первого мультиплекса в условиях крупного города. Расстояние от антенны до телецентра составляет более 45 км. При этом обеспечивается устойчивый высококачественный телевизионный прием 10 цифровых телеканалов и трех цифровых радиостанций на втором этаже девятиэтажного кирпичного дома, окруженного такими же девятиэтажными зданиями. Антенна принимает сигнал, отраженный от стены здания напротив. Использование комнатных антенн промышленного производства для приема цифрового сигнала первого мультиплекса успехом не увенчалось. Цифровой сигнал не принимался, поскольку все комнатные антенны рассчитаны на работу в зоне уверенного приема в пределах прямой видимости на расстояниях до 25 км. Применение комнатной антенны для приема цифрового телевидения имеет хорошие экономические перспективы, поскольку позволяет отказаться от услуг коллективной антенны, систем спутникового или кабельного телевидения. Названные источники сигналов являются коммерческими, их услуги постоянно дорожают. Поэтому использование комнатной антенны для дальнего приема цифрового телевидения дает хороший экономический эффект и быстро окупается. Тем более что происходит дальнейшее развитие цифрового телевизионного вещания, вводится в действие второй мультиплекс, который удвоит количество бесплатно принимаемых каналов. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема не только для вновь проектируемых антенн, но также и для находящихся в эксплуатации, путем замены штатных активных элементов на ленточные вибраторы. Замена может быть произведена для большинства типов антенн: всех типов простейших и групповых излучателей, антенн типа «волновой канал», рамочных и активных антенн. Такая замена является экономически эффективной, поскольку стоимость вибратора намного меньше стоимости всей антенны. Правильнее заменить в антенне только один вибратор, чем полностью заменять старую антенну на более эффективную и, соответственно, более сложную и дорогую новую антенну. Из тонкой, обоюдоострой, заточенной с двух сторон металлической ленты можно выполнять все известные типы вибраторов и пассивных элементов приемных антенн. Другой результат от применения заявляемого способа приема радиоволн заключается в возможности уменьшения мощности передатчиков при той же дальности уверенного приема.
Заявляемый технический результат способа приема радиоволн путем конвертации электромагнитного излучения в электрический ток достигается тем, что для увеличения напряженности электрического поля в месте приема размещают антенну, в которой активные элементы изготавливают из тонкой, заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты.
Предлагаемый способ приема радиоволн иллюстрируется чертежами:
фиг. 1 - концентрация электрического поля в области острой кромки лезвия;
фиг. 2 - схема ленточного вибратора на проволочном каркасе;
фиг. 3 - схематический чертеж антенны;
фиг. 4 - схема ленточного вибратора в экспериментальной антенне.
Физический принцип работы способа приема радиоволн
Для увеличения напряженности электрического поля в месте приема помещают антенну, в которой активный элемент изготавливают из очень тонкой (не более 0,05 мм), заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты. Лента должна быть заточена с двух сторон, и острота лезвия после заточки не должна превышать 1-2 мкм. Острое ребро ленточного вибратора устанавливают перпендикулярно направлению распространения волны. У острого края ленточного вибратора происходит резкое возрастание напряженности электрического поля, как показано на фиг. 1. Высокое значение напряженности электрического поля в месте расположения вибратора приводит к возрастанию напряжения на выходе вибратора. Напряжение на выходе антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты, значительно превышает напряжение на выходе аналогичного вибратора, выполненного из проволоки, трубок или других материалов. Напряжение на выходе вибратора, выполненного из обоюдоострой очень тонкой, заточенной с двух краев, металлической ленты повышается вследствие известного физического эффекта: резкого увеличения напряженности электрического поля возле очень острых выступов (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). Лезвие концентрирует электрическое поле на острых гранях, увеличивает поле около антенны и напряжение на выходе антенны. Этот эффект широко используется, например, при устройстве систем защиты промышленных объектов от ударов молнии, когда высокие мачты с острыми штырями на конце, размещенные в непосредственной близости от защищаемых объектов, искривляют электрическое поле, увеличивая напряженность электрического поля в районе своего расположения. При этом напряженность электрического поля над защищаемыми объектами уменьшается до безопасной величины. В средние века эффект резкого увеличения напряженности электрического поля в окрестности объектов с острыми краями часто наблюдали на верхушках корабельных мачт в виде свечения, которое получило название огней Святого Эльма (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). В настоящее время элементы мощных радиопередающих антенных устройств, для уменьшения искрения на острых кромках, также стараются делать без острых выступов. Однако все эти примеры и рассуждения касались статического электрического поля. Будет ли существовать такой эффект для электромагнитного поля? Ответ дает система уравнений Максвелла, которая описывает все многообразие взаимодействий электромагнитного поля с веществом и условия распространения электромагнитного поля в веществе. Связь между электрической составляющей электромагнитного поля и объемной плотностью заряда в среде распространения описывается одним из уравнений Максвелла, которое называется уравнением дивергенции:
Часто уравнение (1) записывают следующим образом:
Из уравнения (2) следует, что сумма частных производных электрического поля по координатным осям равна 4πρ. Когда внешних или наведенных зарядов нет, то ρ=0. Наведенные заряды возникают вследствие воздействия электромагнитного поля на вибратор антенны. По антенне протекает высокочастотный переменный ток. Вследствие скин-эффекта, токи, обусловленные воздействием электромагнитного поля на металлический вибратор, протекают по поверхности проводника. Протекающий по вибратору ток обусловлен перемещением зарядов. Эти заряды и называются наведенными зарядами. Распределение зарядов по поверхности антенны неравномерное и определяется, в первую очередь, размерами вибратора. Кроме того, плотность наведенных зарядов зависит от толщины ленты вибратора. Чем тоньше лента, тем больше плотность наведенных зарядов. Заряд, обусловленный воздействием электромагнитного поля, будет распределяться в меньшем объеме, что и увеличивает объемную плотность заряда ρ. Особенно значительное возрастание объемной плотности наведенного заряда будет наблюдаться на острой кромке тонкой ленты. Уравнение (2) показывает, что электрическое поле зависит от наличия наведенных или привнесенных внешних зарядов. При появлении объемной плотности заряда (ρ>0) будут изменяться производные электрического поля по направлениям. Частная производная напряженности электрического поля по направлению показывает, как меняется электрическое поле в этом направлении. Если частная производная по данному направлению положительна, то напряженность электрического поля в этом направлении увеличивается, а если отрицательна, то электрическое поле в этом направлении уменьшается. Если правая часть уравнения (2) возрастает и становится больше нуля, то одна или несколько частных производных напряженности электрического поля тоже должны возрастать. Другими словами при возрастании плотности объемного заряда напряженность электрического поля по некоторым направлениям также будет возрастать. Невозмущенное электрическое поле вдали от объемного заряда будет иметь меньшую напряженность, чем в окрестности объемного заряда. Решение уравнения (1) возможно для конкретных случаев через уравнение Пуассона. Однако даже качественное рассмотрение уравнения (2) подтверждает наличие эффекта возрастания напряженности электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. Плотность объемного заряда на острой кромке проводника резко возрастает. Объемная плотность заряда будет увеличиваться по направлению к острой кромке. Следовательно, в направлении наибольшего градиента объемной плотности заряда будет наблюдаться и наиболее резкое возрастание напряженности электрического поля. Наибольшее значение напряженности электрического поля будет иметь место в непосредственной близости от острой кромки. Ленточный вибратор, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, представлен на фиг. 2. Для повышения механической прочности ленту можно приварить точечной сваркой к проволочному или трубчатому каркасу. Рассмотрим более подробно, к чему приводит явление концентрации электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. В теории телевизионного и радиоприема существует понятие реальной чувствительности приемника. Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы в условиях шумов и внешних помех. Реальная чувствительность приемника равна эдс сигнала в антенне, при которой напряжение сигнала на выходе приемника превышает напряжение помех настолько, что обеспечивается качественное воспроизведение сигнала. Внешние помехи и собственные шумы накладываются на принимаемый сигнал и снижают реальную чувствительность приемника. Поэтому чувствительность принято характеризовать наименьшим уровнем входного сигнала, обеспечивающим на выходе усилителя заданное соотношение сигнал-шум. В радиовещании принято, что уровень входного сигнала должен превышать уровень шумов на 20 дБ (в 10 раз), а в диапазоне УКВ на 26 дБ (в 20 раз). Реальная чувствительность радиовещательных приемников высшего класса в диапазонах ДВ, СВ и KB составляет 50 мкВ, а для более низких классов 200-300 мкВ. Если прием ведется на внутреннюю магнитную антенну, то чувствительность приемника должна находиться в пределах 1-3 мВ/м. Чувствительность радиовещательных приемников среднего класса в УКВ диапазоне составляет 10-30 мкВ, а у радиовещательных приемников высшего класса 5 мкВ. Современные телевизионные приемники обладают реальной чувствительностью порядка 40 мкВ. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Аддитивная смесь «сигнал плюс шум» с выхода антенны поступает на первый каскад усиления телевизионного приемника. Из-за нелинейности усилителя результат усиления будет разный в зависимости от соотношения между сигналом и помехой. Важными являются два случая: С/Ш>1 и С/Ш<1. В СВЧ-диапазоне в качестве помехи выступают собственные шумы антенны и первого каскада усиления. Если эффективное значение входного сигнала больше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то после усилителя отношение сигнал/шум еще более возрастет. Сильный сигнал усиливается в большей степени, чем слабая помеха. Поэтому сильный сигнал подавляет слабую помеху. Качество изображения и звукового сопровождения не будет ухудшаться из-за шумов и помех. Если уровень сигнала настолько мал, что его эффективное значение меньше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то на выходе усилителя слабый сигнал будет еще более подавлен мощным шумом. Усилитель усиливает и сигнал, и шум. Но мощный шум из-за нелинейности усилителя возрастет в значительно большей степени, чем слабый входной сигнал и отношение сигнал/шум на выходе усилителя еще более упадет. В результате сигнал будет настолько искажен шумами, что телевизионный приемник не сможет воспроизвести изображение и звук телеканала, хотя уровень сигнала на выходе усилителя будет находиться в требуемых пределах. Неважно, каким коэффициентом усиления обладает антенна, но если эффективное значение входного сигнала будет меньше уровня собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то сигнал будет настолько искажен усилителем, что приемник не сможет его воспроизвести. Повышать отношение сигнал/шум можно двумя способами. Чаше всего стараются уменьшить собственные шумы антенны и первого каскада. В первых каскадах усиления применяют высокочастотные малошумящие диоды, транзисторы и микросхемы. Для уменьшения тепловых шумов первого каскада усиления в системах космической и тропосферной связи усилитель охлаждают почти до абсолютного нуля в криостате с жидким гелием. Очевидно, что такой метод уменьшения собственных шумов можно применять не везде и не всегда. Второй способ увеличения отношения сигнал/шум на входе системы заключается в увеличении уровня входного сигнала в точке приема. Например, в прототипе для увеличения напряженности электрического поля в точке приема используют явление интерференции между прямой и отраженной (от экрана) электромагнитной волной. При интерференции прямой и отраженной волн образуется стоячая волна, амплитуда которой зависит не только от времени, но и от координаты точки наблюдения. Так в узлах уровень сигнала равен нулю, а в пучностях напряженность электрического поля в два раза превышает напряженность электрического поля в прямой и обратной волне. Если вибратор поместить в пучность стоячей волны, то напряжение на выходе антенны удвоится. Однако для увеличения напряженности электрического поля в точке приема можно использовать и другие физические законы. Так в заявляемом способе приема радиоволн задачу увеличения уровня сигнала на входе антенны решают за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке антенного вибратора. При этом собственные шумы антенны и первого каскада усиления не возрастают, следовательно, отношение сигнал/помеха увеличивается. Это означает, что заявляемый способ приема радиоволн способен работать с более низкой напряженностью электрического поля, при которой другие антенны даже с более высоким коэффициентом усиления не будут нормально функционировать, поскольку в них собственные шумы и внешние помехи будет подавлять слабый полезный сигнал и принимаемая информация будет искажена. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет также уменьшить мощность передающего устройства при заданной дальности связи. Замена вибраторов в существующих и уже установленных антеннах позволит резко улучшить качество приема и повысить дальность уверенного приема сигнала. Во многих случаях вместо внешних антенн можно применять малогабаритные комнатные антенны с ленточными вибраторами. Это особенно важно при переходе на цифровой формат вещания.
Устройство, реализующее предлагаемый способ приема радиоволн, представлено на фиг. 3. Антенна представляет собой вибратор, расположенный за плоским отражателем. Отражатель содержит три панели из фольгированного стеклотекстолита. Основная панель отражателя установлена параллельно плоскости вибратора, а две другие размещены сверху и снизу относительно основной панели отражателя под углом к ней. Отражатель и вибратор размещены на шасси. Активный элемент антенны представляет собой проволочный полуволновый петлевой вибратор, на котором размещены пластины с очень острыми кромками. В качестве таких пластин использованы обоюдоострые лезвия для безопасной бритвы. Лезвия установлены на проволочном каркасе по всей длине вибратора. Плоскость лезвия перпендикулярна плоскости вибратора (фиг. 4). Полуволновый петлевой вибратор имеет на резонансной частоте сопротивление 300 Ом, поэтому для согласования с коаксиальным кабелем сопротивлением 75 Ом использовано полуволновое U-колено. Такой вид согласования хорош тем, что при этом происходит и симметрирование антенны. Для увеличения входного сигнала, вибратор установлен в пучности стоячей электромагнитной волны на расстоянии от отражателя. Здесь λ - длина волны, на которую настроен вибратор. В пучности стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Для увеличения входного сигнала используются два физических явления. Во-первых, используется явление возрастания электромагнитного поля у острой кромки тонкого ленточного вибратора, заточенного с двух сторон. Вторым физическим явлением, повышающим уровень сигнала в антенне, является использование стоячих волн (см. книгу Литвинов О.С., Горелик B.C. Электромагнитные волны и оптика. Учеб. Пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, стр. 155-156). Обратная электромагнитная волна, возвращаясь от отражателя интерферирует с прямой волной. В результате интерференции образуется стоячая волна, где амплитуда сигнала меняется в зависимости от координаты точки измерения. В частности, в пучностях стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Если активный элемент антенны, например полуволновый петлевой вибратор, расположить в пучности стоячей волны, то напряженность электромагнитного поля в этой точке будет в 2 раза выше амплитудного значения поля в прямой волне (см. книгу: Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003), что удваивает сигнал на выходе антенны. Верхний и нижний отражатели также вызывают явление интерференции прямой и отраженной волны, дополнительно повышая напряжение сигнала в антенне. В стоячей волне прямая и отраженная волна должны иметь одинаковые значения амплитуды. Для этого коэффициент отражения экрана должен равняться единице. Медный фольгированный стеклотекстолит, использованный для отражателя в антенне, реализующей заявляемый способ приема радиоволн, имеет коэффициент отражения 0,65. Для повышения коэффициента отражения было проведено серебрение поверхности фольгированного стеклотекстолита. Коэффициент отражения серебра равен 0,95, что увеличило сигнал на выходе антенны на 3 dB. Серебрение очень часто применяют при изготовлении СВЧ-волноводов и СВЧ-резонаторов, поскольку это позволяет уменьшить потери в волноводном тракте и повышает добротность резонаторов. В результате проведенных мероприятий происходит: увеличение амплитуды сигнала в антенне за счет размещения вибратора в пучности стоячей волны; увеличение напряжения полезного сигнала в антенне за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке лезвия петлевого полуволнового вибратора; увеличение напряжения за счет резонансных явлений в вибраторе, настроенного на частоту 530 МГц; увеличение амплитуды стоячей волны за счет серебрения отражателя. Результаты эксперимента показали, что сигнал на выходе антенны с ленточным вибратором, реализующим заявляемый способ приема радиоволн, в три раза (на 10 dB) больше сигнала на выходе полуволнового проволочного вибратора, настроенного так же на частоту 530 МГц. Измерения проводились с помощью высокочастотного СВЧ-милливольтметра В3-36 и СВЧ-генератора Г4-129. Полученный результат позволяет констатировать несомненное преимущество антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты. Такая антенна обладает в три раза более высокой реальной чувствительностью.
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЁМ РАДИОВОЛН
и приём радиоволн. Излучение радиоволн - процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн.
Излучение радиоволн. Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны l, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1), существует другой участок В, удалённый от А на расстояние, меньшее, чем l/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает колебательный контур, содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем l/2.
Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с l/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с l < 10 км.
Излучатели. Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А и В прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO" двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис. 2). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О" равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, - окружности (рис. 3). Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4).
Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е волны в точке наблюдения О (рис. 3) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r , проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости.
Переменное электромагнитное поле возникает во всём пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида (рис. 5).
Полная мощность, излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l и длиной волны l. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с l/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника, подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения R и, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность.
Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда - единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости.
Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью m , на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7 , а, б), что обусловлено принципом двойственности.
Если в стенках радиоволновода или объёмного резонатора, где текут переменные поверхностные токи сверхвысоких частот, прорезать щель так, чтобы она пересекла направление тока, то распределение токов резко искажается, экранировка нарушается и электромагнитная энергия излучается наружу. Распределение полей щелевого излучателя подобно распределению полей магнитной антенны. Поэтому щелевой излучатель называется магнитным диполем (рис. 7 , в, г; см. также Щелевая антенна). Диаграмма направленности магнитного и щелевого излучателей, так же как и электрического диполя, представляет собой тороид.
Более направленное излучение создают антенны, состоящие из нескольких проволочных или щелевых излучателей. Это - результат интерференции радиоволн, излучаемых отдельными излучателями. Если токи, питающие их, имеют одинаковые амплитуду и фазу (равномерное синфазное возбуждение), то на достаточно далёком расстоянии в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности, волны от отдельных излучателей имеют одинаковые фазы и дают максимум излучения. Поле, созданное в других направлениях, значительно слабее. Некоторое увеличение напряжённости поля имеет место в тех направлениях, где разность фаз волн, приходящих от крайних излучателей, равна (n + 1) p/2, где n - целое число. В этом случае сечение диаграммы направленности плоскостью содержит ряд лепестков (рис. 8), наибольший из которых называется главным и соответствует максимуму излучения, остальные называются боковыми.
В современной антенной технике применяются антенные решётки, содержащие до 1000 излучателей. Поверхность, на которой они расположены, называется апертурой (раскрывом) антенны и может иметь любую форму. Задавая различное распределение амплитуд и фаз токов на апертуре, можно получить любую форму диаграммы направленности. Синфазное возбуждение излучателей, образующих плоскую решётку, позволяет получить очень высокую направленность излучения, а изменение распределения тока на апертуре даёт возможность изменять форму диаграммы направленности.
Для повышения направленности излучения, которое характеризуется шириной главного лепестка, необходимо увеличивать размеры антенны. Связь между шириной главного лепестка q , наибольшим размером апертуры L и излучаемой длиной волны l определяется формулами:
для синфазного возбуждения и
если излучатели расположены вдоль некоторой оси, а сдвиг фаз в них подобран так, что максимум излучения направлен вдоль этой оси (рис. 9). С - постоянные, зависящие от распределения амплитуды токов по апертуре.
Если радиоволновод постепенно расширяется к открытому концу в виде воронки или рупора (рис. 10), то волна в волноводе постепенно преобразуется в волну, характерную для свободного пространства. Такая рупорная антенна даёт направленное излучение.
Очень высокая направленность излучения (до долей градуса на дециметровых и более коротких волнах) достигается с помощью зеркальных и линзовых антенн. В них благодаря процессам отражения и преломления сферический фронт волны, излучаемой электрическим или магнитным диполем либо рупорным излучателем, преобразуется в плоский. Однако из-за дифракции волн в этом случае диаграмма также имеет главный и боковые лепестки направленности. Зеркальная антенна представляет собой металлическое зеркало 1 , чаще в виде части параболоида вращения или параболического цилиндра, в фокусе которого находится первичный излучатель (рис. 11). Линзы для радиоволн представляют собой трёхмерные решётки из металлических шариков, стерженьков и т.п. (искусственные диэлектрики) или набор прямоугольных волноводов.
Приём радиоволн. Каждая передающая антенна может служить приёмной. Если на электрический диполь действует распространяющаяся в пространстве волна, то её электрическое поле возбуждает в диполе колебания тока, которые затем усиливаются, преобразуются по частоте и воздействуют на выходные приборы. Можно показать, что диаграммы направленности диполя в режимах приёма и передачи одинаковы, т. е. что диполь принимает лучше в тех направлениях, в которых он лучше излучает. Это является общим свойством всех антенн, вытекающим из принципа взаимности: если расположить две антенны - передающую А и приёмную В - в начале и в конце линии радиосвязи, то генератор, питающий антенну А, переключенный в приёмную антенну В, создаёт в приёмном устройстве, переключенном в антенну А, такой же ток, какой, будучи включенным в антенну А, он создаёт в приёмнике, включенном в антенну В. Принцип взаимности позволяет по свойствам передающей антенны определить её характеристики как приёмной.
Энергия, которую диполь извлекает из электромагнитной волны, зависит от соотношения между его длиной l , длиной волны l и углом y между направлением v прихода волны и диполем. Существен также угол j между направлением вектора электрической волны и диполем (рис. 12). Наилучшие условия приёма, при j 0.При j p/2 электрический ток в диполе не возбуждается, т. е. приём отсутствует. Если же 0 < j < p/2, то очевидно, что энергия, извлекаемая приёмной антенной из поля ~ (Ecos j)2. Иными словами, эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приёма необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приёмный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приёмный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несёт с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной
Шумы антенны. Приёмная антенна всегда находится в таких условиях, когда на неё, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея - Джинса законом излучения создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счёт джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств.
Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой T A. Мощность Р ш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Dn приёмника равна:
(k - Больцмана постоянная). На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140-250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50-80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15-20 К.
О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна.
Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. - Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. - Л., 1950.
Под редакцией Л. Д. Бахража.
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЁМ РАДИОВОЛН в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- ПРИЕМ в Иллюстрированной энциклопедии оружия:
ДЕКОРАТИВНЫЙ — изготовление клинка путем накладывания полосок стали узорчатой сварки на среднюю часть клинка с железной … - ПРИЕМ в Соннике Миллера, соннике и толкованиях сновидений:
Если Вам снится, что Вы оказываетесь на каком-то приеме - это обещает Вам в скором времени приятную встречу. Если на … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Словаре современной физики из книг Грина и Хокинга:
Б. Грин Перенос энергии волнами или … - ПРИЁМ в Лексиконе нонклассики, художественно-эстетической культуры XX века, Бычкова:
(литературный) Одни из принципов организации текстов художественных произведений. Понятие «П.» стало широко использоваться в научной литературе с 20-х гг. XX … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Словаре экономических терминов:
ИОНИЗИРУЮЩЕЕ - см ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ … - ПРИЕМ в Литературной энциклопедии:
термин, введенный формалистами (Шкловский В., Искусство как прием, сб. «Поэтика», П., 1919) для обозначения всей совокупности средств, с помощью которых … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля. (Термин "И." применяют также для обозначения самого свободного, т. е. излученного, электромагнитного поля - … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Современном энциклопедическом словаре:
- ИЗЛУЧЕНИЕ в Энциклопедическом словарике:
электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля, а также само свободное электромагнитное поле, существующее в форме электромагнитных волн. Излучения испускают ускоренно … - ПРИЁМ в Энциклопедическом словаре:
, -а, м. 1. см. принять. 2. Отдельное действие, движение. Выпить стакан в два приема. 3. Способ в осуществлении чего-н. … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ИЗЛУЧ́ЕНИЕ электромагнитное, процесс образования свободного эл.-магн. поля; И. наз. также само свободное эл.-магн. поле. Излучают ускоренно движущиеся заряж. частицы (напр., … - ПРИЁМ
приём, приёмы, приёма, приёмов, приёму, приёмам, приём, приёмы, приёмом, приёмами, приёме, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
излуче"ние, излуче"ния, излуче"ния, излуче"ний, излуче"нию, излуче"ниям, излуче"ние, излуче"ния, излуче"нием, излуче"ниями, излуче"нии, … - ПРИЕМ в Словаре для разгадывания и составления сканвордов:
Элемент спортивной … - ПРИЕМ в Тезаурусе русской деловой лексики:
- ПРИЕМ в Тезаурусе русского языка:
1. Syn: получение, приемка, принятие Ant: отправление, отсылка 2. Syn: уловка, хитрость, способ, ухищрение 3. Syn: вечер, встреча, аудиенция 4. … - ПРИЕМ в Словаре синонимов Абрамова:
см. доза, еда, замашка, порция, привычка, способ, уловка, хитрость, часть || в один прием, за один прием, иметь тонкие приемы, … - ПРИЕМ
агроприем, анафора, апач, артикул, аудиенция, блок, блокаж, взятие, вибрато, включение, встреча, гипербола, глиссандо, движение, действие, диалогизм, доза, допущение, дриппинг, замашки, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в словаре Синонимов русского языка:
альфа-излучение, альфа-лучи, гамма-излучение, изливание, излитие, испускание, источение, лучеиспускание, радиация, радиоизлучение, самоизлучение, свет, светоизлучение, сноп, теплоизлучение, … - ПРИЁМ
- ИЗЛУЧЕНИЕ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
ср. 1) Процесс действия по знач. глаг.: излучать (1), излучить. 2) Поток энергии, выделенной в окружающую … - ПРИЁМ
приём, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Словаре русского языка Лопатина:
излуч`ение, … - ПРИЁМ
приём, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Полном орфографическом словаре русского языка:
излучение, … - ПРИЁМ в Орфографическом словаре:
приём, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Орфографическом словаре:
излуч`ение, … - ПРИЕМ в Словаре русского языка Ожегова:
отдельное действие, движение Выпить стакан в два приема. прием собрание приглашенных (обычно у официальных лиц) в честь кого-чего-нибудь П. в … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Современном толковом словаре, БСЭ:
электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля; излучением называют также само свободное электромагнитное поле. Излучают ускоренно движущиеся заряженные частицы (напр., … - ПРИЁМ
- ПРИЁМ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
приёма, м. 1. только ед. действие по глаг. принять в 1, 2, 3, 4 и 13 знач. - принимать. Приём … - ПРИЕМ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
приемся, приешь, приешься, приест, приестся. Ед. ч. буд. вр. от приесть, … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
излучения, ср. (книжн.). Действие по глаг. излучить-излучать и излучиться-излучаться. Излучение солнцем теплоты. Тепловое излучение. Нетепловое излучение. Радиоактивное … - ПРИЁМ
м. 1) Действие по знач. глаг.: принимать (1,2,4,6-10,13,15), принять (2). 2) а) Характер встречи, оказываемый кому-л. б) Восприятие чего-л., отношение … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Толковом словаре Ефремовой:
излучение ср. 1) Процесс действия по знач. глаг.: излучать (1), излучить. 2) Поток энергии, выделенной в окружающую … - ПРИЕМ
- ИЗЛУЧЕНИЕ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
ср. 1. процесс действия по гл. излучать 1., излучить 2. Поток энергии, выделенной в окружающую … - ПРИЕМ
м. 1. действие по гл. принимать 1., 2., 4., 6., 7., 8., 9., 10., 13., 15., принять 2. 2. Характер … - ИЗЛУЧЕНИЕ в Большом современном толковом словаре русского языка:
ср. 1. процесс действия по гл. излучать 1., излучить 2. Результат такого действия; поток энергии, выделенной в окружающую …
Н. - А как принимают радиоволны?
Л. - С помощью приемной антенны, представляющей собой проводник, находящийся на пути распространения волн, проходя по которому, электромагнитные волны наводят в нем токи высокой частоты. Эти волны без какого бы то ни было ослабления проходят через диэлектрики. Однако, наводя токи в проводниках, они теряют часть своей энергии.
Н. - Ты меня пугаешь, Любознайкин. Человеческое тело - проводник электричества. Следовательно, волны всех радио- и телевизионных передатчиков наводят в моем теле токи?
Л. - Несомненно, но успокойся: эти токи чрезвычайно малы и никоим образом не могут причинить тебе вреда.
Н. - Тем лучше. А как они ведут себя в радио- или телевизионных приемниках?
Л. - Здесь наводимые ими токи тоже очень малы. Антенна непосредственно или индуктивно соединена с входным колебательным контуром приемника. Если контур настроен на частоту принимаемых волн, то благодаря явлению резонанса в контуре возникает относительно большой ток.
Антенна через катушку должна быть заземлена. Если колебательный контур включен непосредственно между антенной и заземлением (рис. 44) и если он точно настроен на частоту принимаемых волн, его сопротивление большое, поэтому падение напряжения, создаваемое токами антенны на выводах контура, относительно высокое.
Настройка и избирательность
Н. - А что произойдет, если контур окажется не в резонансе с принимаемыми волнами?
Л. - В этом случае его полное сопротивление станет меньше, что приведет к снижению напряжения на выводах контура.
Рис. 44. В приемнике контур настройки может включаться непосредственно между антенной и заземлением (а) или же индуктивно связываться с катушкой, по которой протекают токи, наводимые принимаемыми сигналами (б).
Рис. 45. Кривые, показывающие, как изменяется напряжение U на колебательном контуре в зависимости от частоты сигнала . Кривые представлены для контура с низкой (а) и высокой (б) избирательностью.
Рис. 46. Переключение с одного диапазона воли на другой осуществляется переключением катушек (а) или части витков одной катушки (б).
Это то самое явление, которое лежит в основе избирательности контура, его способности наилучшим образом принимать частоты, на которые он настроен.
Измеряя напряжение на выводах контура для различных частот, можно вычертить кривую избирательности, показывающую, как изменяется напряжение в зависимости от частоты (рис. 45).
Н. - А что определяет форму этой кривой? Я имею а виду прежде всего ее большую или меньшую ширину, так как чем уже эта кривая, тем выше, на мой взгляд, избирательность контура.
Л. - И ты не ошибаешься. Избирательность определяется коэффициентом затухания контура. Этот коэффициент в основном зависит от активного сопротивления катушки, вносящего в контур потери.
Н. - А каким образом удается установить колебательный контур в резонанс с частотой передачи, которую желают принять?
Л. - Для этого настраивают контур на требуемую частоту соответствующим изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Если использовать конденсатор переменной емкости, настройку можно осуществить плавно. Что же касается индуктивности, то ее обычно меняют скачками для переключения диапазонов, например чтобы перейти с длинных волн на короткие. Для этой цели служит переключатель, позволяющий заменить одну катушку другой или использовать часть витков одной катушки, имеющей специальные отводы (рис. 46). Раньше использовали также катушки с плавным изменением индуктивности. Примером такого устройства может служить вариометр, состоящий из двух последовательно соединенных катушек, одну из которых можно было вращать внутри другой и, таким образом, изменять их взаимную индукцию.
Н. - Хорошо. Я понял, как излучают волны и как их принимают. Но каким образом заставляют волны передавать звук или изображение? И как при приеме удается их воспроизводить?
Л. - Все это потребует немало объяснений. Мой дядюшка и я сам сможем теперь приступить к этим вопросам, так как ты постиг основы общей электротехники.