Излучение электромагнитных волн.

Общие понятия. Под излучениемпонимается перенос энергии электромагнитного поля от источника в пространстве. Способ­ность электромагнитного поля перемещаться в пространстве является одним из важных его свойств, следующих из закона сохранения энергии. Ответвление электромагнитной энергии от источника происходит благодаря току смещения, который может существовать в диэлектрике и вакууме. Поэтому любой сторон­ний источник, способный создавать в пространстве ток смещения, является излучателем электромагнитных волн.

Задача излучения состоит в нахождении векторов излученного электромагнитного поля по известному распределению сторонних токови решается обычно для элементарных излучателей. Элемен­тарные излучатели являются идеализированными моделями, удобными для теоретического анализа.

Элементарным электрическим излучателем(ЭЭИ) называется малый по сравнению с длиной волны линейный элемент перемен­ного тока, т. е. отрезок l (рисунок 1,а), вдоль которого течет ток: распределение амплитуды и фазы которого вдоль излучателя полагается неизменным.

Элементарным магнитным излучателем(ЭМИ) считают малый по сравнению с длиной волны виток (рамку) с переменным током (рисунок 1,б).

Элементарный участок dS фронта распространяющейся волны: (рисунок 1, в) называют элементом Гюйгенса.

 

Поле излучения ЭЭИ

 

Анализ поля излучения ЭЭИ удобно вы­полнять в сферической системе координат, в центр которой помещен излучатель (рисунок 2). Векторы электромагнитного пол излучения имеют три проекции:

 

Рисунок 1 – Элементарный электрический излучатель

 

Рисунок 2 –Элементарный электрический излучатель в сферической системе координат

 

Рисунок 3 – Структура поля элементарного электрического излучателя

 

(1)

 

(2)

 

(3)

 

(4)

 

Формулы (1-4) описывают поле гармонической электромагнитной волны, распространяющейся в радиальном направлении и имеющей сложную пространственную структуру.

Так как отдельные компоненты поля имеют различную зависи­мость от расстояния r, то для облегчения исследования поля все пространство принято делить на три зоны:

1) ближнюю соответствующую расстояниям, для которых kr<<1

2) промежуточную — kr ≠1;

3) дальнюю — kr>>1

Пренебрегая малыми членами в формулах 1-4, можно получить при­ближенные соотношения, характеризующие поле в ближней и дальней зонах. ближней зоне (kr<<1) поле описывается выра­жениями:

 

(5)

(6)

(7)

В анализ, которых приводит к выводу, что поле в ближней зоне не имеет волнового характера (фазы напряженностей электриче­ского и магнитного полей не зависят от пространственных коор­динат). Векторы и сдвинуты по фазе на 90°. Из этого следует, что плотность потока энергии

=

имеет реактивный характер, а средний поток энергии отсутствует, так как . Это означает, что в ближней зоне поля, за­пасающие энергию, преобладают над излучающими полями, вкла­дом которых пренебрегли при переходе от 1-4 к 5-7 Ближ­няя зона называется областью реактивного ближнего поля.

Промежуточную зону, в которой поле описывается полными формулами 1-4 иногда называют областью излучаемого ближ­него поля или зоной дифракции Френеля. Поле в дальней зоне имеет вид:

(8)

 

(9)

В 8-9 Е_r≈0, так как эта составляющая вектора Е в дальней зоне на порядок меньше составляющей Е_θ.

Поле 8-9 представляет собой сферическую волну, поскольку
ее фронтом является сфера r = const. Силовые линии поля излуче­ния ЭЭИ в дальней зоне представлены на рисунке 3,а. Анализ со­ отношений 8-9 позволяет установить свойства сферической волны в дальней зоне ЭЭИ: векторы Е и Н взаимно перпендикулярны, так как Е = θЕ_θ, H=φH_φ; векторы Е и Н ортогональны направлению распространения волны, так как волна распространяется в радиальном направлении, а векторы не содержат радиальных составляющих (Е_r = H_r = 0); векторы Е и Н синфазные; отношение амплитуд векторов Е и Н зависит только от свойств среды.

 

Параметр Z_c называется характеристическим сопротивлениемвoлны в неограниченной среде. Для вакуума и свободного пространства

 

Поле ЭМИ в дальней зоне имеет составляющие E _φ и H_θ и отличается от поля излучения ЭЭИ ориентацией (рисунок 3,б).