Передача электромагнитных волн

Одной из важнейших задач радиотехники является передача электромагнитных колебаний с помощью различных линий от антенн к приемникам и от передатчиков к антеннам.

В отличие от обычных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, в которых индуктивность сосредоточена в катушках, а емкость – в конденсаторах, у линий каждый участок провода обладает емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры, характерные для каждой электрической цепи, в линии распределены вдоль всего провода.

Электрические цепи с сосредоточенными параметрами имеют малые размеры по сравнению с длиной волны . Напряжение и ток в них распространяются по всей цепи за промежутки времени, во много раз меньше, чем период колебаний Т. Поэтому процессы в таких цепях рассматриваются только во времени.

Применяемые в радиотехнике линии имеют длину такого же порядка или даже больше чем длина волны. Вследствие этого в линиях приходится изучать процессы не только во времени, но и в пространстве.

Линии, служащие для передачи электромагнитных колебаний высокой частоты, называют длинными линиями в отличие от коротких линий, длина которых много меньше длины волны. С этой точки зрения линия электропередачи длиной 100 км. Работающая на частоте 50 Гц, является короткой, так как при столь низкой частоте длина волны составляет 6000 км. Зато линия, имеющая длину 10 см, при частоте 1000 МГц считается длинной, потому что длина волны в этом случае равна 30 см.

Когда к линии бесконечной длины подключен генератор переменной э.д.с., то вдоль линии двигается бегущая волна. Она представляет собой распространение электромагнитного поля в одном определенном направлении – в данном случае от генератора к концу линии.

Скорость распространения бегущей электромагнитной волны вдоль линии определяется по формуле

,

где и - погонные индуктивность и емкость линий.

Величины и зависят от конструкции линии. Чем больше поверхность проводов линии и чем меньше расстояние между ними, тем больше погонная емкость и тем меньше погонная индуктивность .

При наличии твердой изоляции между проводами или изоляторов, поддерживающих провода, скорость уменьшается. Зависимость скорости распространения от свойств окружающей среды определяется формулой

= ,

где с – скорость света;

и - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.

Распространение бегущей волны вдоль линии создает в ней переменный ток и переменное напряжение. В каждой точке провода ток и напряжение совершают колебание во времени, и вместе с тем колебательный процесс передается вдоль линии от одних ее точек к следующим точкам.

Удобно изображать распространение бегущей волны в линии графически. В проводах линии происходят одинаковые процессы, поэтому покажем это для одного провода.

Вообразим провод горизонтальной осью графика и будем откладывать под прямым углом к проводу величину напряжения в некотором масштабе. Тогда бегущая волна для разных моментов времени может быть изображена, как показанона рисунке 14. Предположим, что в момент включения генератора напряжение на его зажимах имеет амплитудное значение. В это начальный момент волна пока еще не успела распространиться вдоль провода. Через четверть периода волна распространяется на расстояние, равное четверти длины волны и амплитуда напряжения будетименно на таком расстоянии от генератора. Но в самом начале линии в этот момент напряжение уже равно нулю.

Рис. 14. Бегущая волна в линии.

Через пол периода после начала процесса напряжение у генератора, а следовательно, и в начале линии опять станет наибольшим, но только с обратным знаком, и волна пройдет вдоль линии расстояние, равное половине своей длины, т.е. (рис.14,в). На рисунках г и д показано распределение напряжения в линии в моменты времени t = T и t = T после начала процесса. Кроме того, на рисунке д пунктиром изображено распределение напряжения для нескольких следующих моментов.

Изменения тока и напряжения в бегущей волне совпадают по фазе. Если в какой –либо точке линии в данный момент напряжение наибольшее, то и ток в этот момент здесь наибольший.

Напряжение всегда связано с наличием электрического поля, а ток всегда сопровождается магнитным полем. Так как у бегущей волны ток и напряжение совпадают по фазе, то изменения электрического и магнитного полей также совпадают по фазе. В каждой линии отношение амплитуды напряжения бегущей волны к амплитуде тока бегущей волны называется волновым сопротивлением линии и зависит от конструкции последней.

Чем больше емкость линии, тем больше ток, возникающий в ней под действием данного напряжения, подобно тому, каквозрастает зарядный ток конденсатора при увеличении его емкости. А при увеличении индуктивности линии ток уменьшается за счет возросшего противодействия со стороны э.д.с. самоиндукции. Математически эта зависимость выражается формулой

= .

У линий из двух одинаковых параллельных проводов величина (волновое сопротивление) составляет 300-400 ом.

Для получения режима бегущей волны в конце линии конечной длины включают чисто активное нагрузочное сопротивление R равное волновому сопротивлению . Тогда вся мощность бегущей волны поглощается в этом сопротивлении, т.е. энергия все время безвозвратно уходит от генератора вдоль линии в нагрузочное сопротивление.

Важной величиной является входное сопротивление линии, т.е. сопротивление линии для питающего генератора. В зависимости от величины этого сопротивления, генератор питающий эту линию, работает в том или ином режиме и отдает в линию большую или меньшую мощность.

Если в линии установлен режим бегущей волны, то входное сопротивление является чисто активным и равным волновому сопротивлению линии.