Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 изд., М., 1957; Иваненко Д., Соколов А., Классическая теория поля, М. — Л., 1949; их же, Квантовая теория поля, М. — Л., 1952; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 2 изд., М., 1959; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 5 изд., М., 1967 (Теоретическая физика, т. 2).
В. И. Григорьев.
Излучение и приём радиоволн
Излуче'ние и приём радиово'лн. 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.