Материал: 751

1 0 1. Распространение радиоволн в свободном пространстве

1.2.Распространение радиоволн

âсвободном пространстве. Некоторые сведения из теории антенн

Свободное пространство представляет собой однородную, изотропную, не поглощающую среду, у которой относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости ( r è r) равны единице. Такой средой был бы идеальный вакуум. Реально к свободному пространству можно отнести космическое пространство и в некоторых случаях, на небольших расстояниях, воздух,

окружающий Землю. Основной задачей дисциплины «Распространение радиоволн» является определение напряженности электрического поля в точке приема при заданных мощности передатчика или тока в антенне, частоте и параметрах трассы (расстоянии, высотах антенн и т.п.). Решение этой задачи обыч- но представляют в виде формулы для свободного пространства и множителя ослабления, учитывающего влияние реальных факторов.

Пусть в свободном пространстве расположена антенна, имеющая максимальный размер излучающей области L. В зависимости от расстояния до точки наблюдения пространство вокруг антенны может быть разделено на три области: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Поля в этих областях имеют различную структуру и определяются по различным формулам. Нас в дальнейшем будет интересовать, как правило, дальняя область, или зона Фраунгофера, поскольку этот случай обычно имеет место в реальных линиях радиосвязи. Область дальней зоны определяется соотношением

где — длина волны.

В дальней зоне электромагнитное поле, созданное антенной, имеет характер электромагнитной волны со сферическим фазовым фронтом и взаимно ортогональными векторами E è H, ортогональными и к направлению на антенну. В дальней зоне свободного пространства векторы E è H синфазны, и их модули связаны соотношением

Величина W имеет размерность сопротивления и называется характеристическим (иногда волновым) сопротивлением свободного пространства.

Пусть в свободном пространстве вместо реальной антенны расположена антенна, излучающая мощность Ð равномерно во всех направлениях. Такая воображаемая антенна называется изотропной. На расстоянии r от нее величина вектора Пойнтинга будет равна

1 2 1. Распространение радиоволн в свободном пространстве

ãäå 4 r2 — поверхность сферы, проходящая через точку наблюдения и с центром в точке расположения антенны.

Реальная антенна излучает ту же мощность неравномерно по разным направлениям. За счет этого в направлении максимального излучения вектор Пойнтинга увеличится в D ðàç:

Параметр D называется коэффициентом направленного действия антенны (КНД) и является одним из ее основных параметров.

В дальней зоне амплитуды полей Å è Í связаны со средним по времени значением вектора Пойнтинга соотношением

1

Ï 2 ÅmHm.

Исключая из этого соотношения Ím с помощью (1.2), полу- чим выражение для амплитуды напряженности электрического поля в дальней зоне антенны в свободном пространстве:

m r

Таким образом, использование направленных антенн позволяет в D раз увеличить напряженность поля в направлении максимального излучения при той же излучаемой мощности. Напряженность поля в других направлениях определяется че- рез диаграмму направленности антенны F( , ), где углы и характеризуют направление на точку наблюдения в сфериче- ской системе координат (r, , ):

Em( , ) 60PD F( , ). (1.5) r

В некоторых случаях бывает задан не КНД, а коэффициент усиления антенны G D , где — коэффициент полезного действия антенны (КПД). В диапазоне УКВ коэффициент полезного действия антенны часто принимают равным 1.

Если в передающей антенне задана не излучаемая мощность, а амплитуда входного тока I0, то аналогом формулы (1.5) является соотношение

E ( , ) 60 I0lä F( , ), (1.6)

ãäå lä — действующая длина антенны. Этот параметр легко определяется для вибраторных антенн, если известно распределение тока по длине антенны. Он связан с КНД антенны соотношением

ãäå R — сопротивление излучения антенны.

При энергетическом расчете линии связи представляет интерес не сама напряженность поля в точке приема, а мощность в нагрузке приемной антенны или ЭДС на ее выходе. В теории антенн доказывается, что эти параметры определяются соотношениями

ãäå åmax è Ðí max — максимальные значения ЭДС на выходе приемной антенны и мощности в ее нагрузке, lä è Sýôô — действующая длина и эффективная поверхность приемной антенны, определяемая через ее КНД:

Формулы (1.8), (1.9) предполагают, что прием осуществляется в направлении максимума диаграммы направленности приемной антенны, что она согласована с падающей волной по поляризации и что ее КПД равен единице, а также что антен-

ãäå Ð2 — максимальная мощность в нагрузке приемной антенны; Ð1 — излучаемая мощность; D1, D2 — КНД передающей и приемной антенн.

Отношение L0 P2 P1 ïðè D1 D2 1, т.е. при ненаправленных (изотропных) антеннах, называют основными потерями радиолинии и обычно выражают в децибелах:

ãäå f — частота излучаемого сигнала; ñ — скорость света. Если измерять r в километрах, а f — в мегагерцах, то полу-

чим удобное для расчетов выражение

Измерение потерь в радиолинии в децибелах удобно, так как абсолютное значение основных потерь может изменяться в больших пределах. Применение направленных антенн эквивалентно увеличению мощности передатчика в D1D2 ðàç èëè íà (D1 D2) децибел.

1.3. Область пространства, существенная при распространении радиоволн

При распространении радиоволн в свободном пространстве различные области пространства неодинаково влияют на формирование поля на некотором расстоянии от излучателя. Область пространства, в которой распространяется основная часть передаваемой мощности, называют областью пространства, существенной при распространении радиоволн.

Очевидно, что эта область охватывает пространство вблизи прямой, соединяющей точки расположения излучателя и при- ¸мной антенны. Размеры и конфигурацию области, существенной при распространении радиоволн, определяют исходя из принципа Гюйгенса.

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка фронта распространяющейся волны является источником новой вторичной сферической волны. Полное поле определяется путем суммирования элементарных полей, созданных вторичными источ- никами, которые находятся на некоторой поверхности, окружающей первичный источник. Математическую формулировку принципу Гюйгенса дал Кирхгоф в виде формулы, носящей его имя: