Радиочастоты – это частоты электромагнитных колебаний, частота которых находится в пределах от 3 кГц до 3 ТГц. По международному регламенту радиочастоты, используемые для радиосвязи, делятся на 9 диапазонов, обозначаемых номерами от 4 до 12 (табл. 4.1).
В России в различных литературных источниках часто используют и старую классификацию радиочастот (табл. 4.2).
Таблица 4.1
Международная классификация радиочастот
Номер |
Диапазон частот, Гц |
Длина волны, м |
Название |
|
По частоте |
По длине волны |
|||
4 |
(3 – 30)103 |
(100 – 10)103 |
Очень низкие частоты (ОНЧ) |
Мириаметровые волны |
5 |
(30 – 300)103 |
(10 – 1)103 |
Низкие частоты (НЧ) |
Километровые волны |
6 |
(0.3 – 3)106 |
1000 – 100 |
Средние частоты (СЧ) |
Гектометровые волны |
7 |
(3 – 30)106 |
100 – 10 |
Высокие частоты (ВЧ) |
Декаметровые волны |
8 |
(30 – 300)106 |
10 – 1 |
Очень высокие частоты (ОВЧ) |
Метровые волны |
9 |
(0.3 – 3)109 |
1 – 0.1 |
Ультравысокие частоты (УВЧ) |
Дециметровые волны |
10 |
(3 – 30)109 |
0.1 – 0.01 |
Сверхвысокие частоты |
Сантиметровые волны |
11 |
(30 – 300)109 |
0.01 – 0.001 |
Крайневысокие частоты (КВЧ) |
Миллиметровые волны |
12 |
(0.3 – 3)1012 |
(10 – 1)10-4 |
Гипервысокие частоты |
Децимиллиметровые волны |
Таблица 4.2
Старая классификация радиочастот
Диапазон частот, Гц |
Длина волны, м |
Название |
Международный номер |
(30 – 300)103 |
(100 – 10)103 |
Длинные волны (ДВ) |
5 |
(0.3 – 3)106 |
1000 – 100 |
Средние волны (СВ) |
6 |
(3 – 30)106 |
100 – 10 |
Короткие волны (КВ) |
7 |
(30 – 300)106 |
10 – 1 |
Ультракороткие волны (УКВ) |
8 |
(0.3 – 300)109 |
1 – 0.001 |
Микроволны (СВЧ) |
9 – 11 |
К основным источникам электромагнитных излучений радиочастот относятся антенны, экраны бикоаксиальных и коаксиальных фидеров, проводные линии, различные установки индукционного нагрева и т.д.
Самыми мощными источниками электромагнитных излучений являются антенны.
Антенна (от латинского antenna – мачта, рей) – устройство, предназначенное для непосредственного излучения электромагнитных волн.
Простейшая антенна представляет собой отрезок провода высотой h, расположенный вертикально по отношению к поверхности земли. Между антенной и землей включают генератор высокой частоты (рис. 4.9).
Влияние земли на поле учитывают вводя в расчет зеркальное изображение антенны (полагая, что земля является идеальным проводником). При этом длина антенны оказывается равной 2h, в середину которой включен генератор высокой частоты (рис. 4.10) и которая расположена в однородной среде (земля отсутствует).
За счет наличия распределенных емкостей антенны и токов смещения ток по высоте антенны изменяется. Однако всегда можно разделить антенну на элементарные отрезки, в пределах которых ток можно считать одинаковым в каждый данный момент времени. Эти отрезки с переменным во времени током i(t) представляют собой не что иное, как элементарные вибраторы (диполи). При этом электромагнитное поле всей антенны определяется путем наложения полей всех диполей.
В качестве примера рассмотрим простейшую антенну, длина которой равна 2l (l=h), соизмерима с длиной волны и вдоль которой ток распределен синусоидально
(4.37)
где I0 – ток в пучности; l – длина плеча антенны (высота антенны, расположенной над поверхностью земли).
Совместим координатную ось Z с осью антенны, а начало координат оси Z – с серединой антенны (рис. 4.11).
Выделим на верхнем и нижнем плечах антенны симметрично расположенные элементы dz, находящиеся на равных расстояниях z от средней точки. Элементы провода dz представляют собой элементарные вибраторы. Для электрического поля, создаваемого таким элементарным вибратором dz верхнего плеча антенны в произвольной точке Р, расположенной на достаточно большом расстоянии (в дальней зоне), согласно (4.21) напряженность
где I(z) – ток в элементе dz; r1 – расстояние от элемента dz до точки Р; y=0.5p-j – угол между радиусом вектором , проведенным из начала координат в точку Р, и плоскостью, перпендикулярной к оси вибратора.
Подставляя (4.35) в (4.36), получаем
(4.38)
Аналогично для поля, создаваемого элементом нижнего плеча антенны, напряженность
(4.39)
Углы, образованные радиусами – векторами r1 и r2 с ось вибратора, приняты одинаковыми, так как предполагается, что точка Р находится от антенны настолько далеко (по сравнению с ее размерами), что, прямые проведенные к ней из различных точек антенны, можно считать параллельными. Как видно из рис. 4.11,
(4.40)
Так как r>>z, то множители 1/r1 и 1/r2 можно заменить множителем 1/r. Подставляя в фазовый множитель формул (4.38), (4.39) вместо r1 и r2 их выражения из (4.40), получаем:
(4.41)
Для поля от обоих элементов суммарная напряженность
Для полного поля, создаваемого всем вибратором, напряженность
Вычисляя интеграл в правой части последнего уравнения, получаем
(4.42)
В частном случае, когда длина антенны кратна нечетному числу полуволн (2l=kl/2, k=1, 3, 5,….), напряженность поля вычисляется по формуле
(4.43)
Если длина антенны кратна четному числу полуволн (2l=kl/2, k=2, 4, 6,….), то
(4.44)
На рис. 4.12 – 4.15 приведена серия диаграмм направленности антенны для различных значений k, рассчитанных по формулам (3.40) и (3.41). Диаграммы построены для модулей напряженности электрического поля, определенных в относительных единицах (|E|=|Ej|/Еб), причем, за базисное значение принято значение модуля следующей величины напряженности поля:
Диаграммы представляют собой поверхности вращения с вертикальной осью симметрии. Длина отрезка между начальной точкой и нарисованной кривой представляет напряженность поля в обозначенном направлении.
Максимальная напряженность имеет место не всегда в экваториальной плоскости, а находится под различными углами, определяемыми из уравнений (4.43) и (4.44). С увеличением отношения l/l (увеличением k) диаграмма направленности становится более острой, а при l/l?1 излучение в направлении, нормальном оси антенны, отсутствует.
Здесь следует отметить, что все эти диаграммы действительны только в том, случае, когда антенна расположена в пространстве вдали от других проводников. Поэтому приведенными формулами можно пользоваться на практике только для расчета антенн, расположенных высоко над поверхностью земли.
При проектировании радиотехнических сооружений важно установить зависимость между током в антенне и излучаемой мощностью.
Общую мощность, излучаемую антенной, можно вычислить, зная напряженность электрического поля, так как напряженность магнитного поля определяется для воздушной среды из отношения
(4.45)
Это дает возможность определить вектор Пойнтинга и с помощью этого вектора путем его интегрирования по поверхности сферы найти мощность, излучаемую антенной.
Радиус сферы r0 выбирается настолько большим, чтобы ее поверхность оказалась в дальней зоне.
Проходящая через элементарную площадку сферы, средняя за период мощность (здесь мощность определим через комплексные значения векторов напряженности, в отличие от аналогичной мощности, которая определялась для элементарного вибратора)
(4.46)
где и
– комплексный вектор Пойнтинга и его радиальная составляющая соответственно;
и
– комплексная составляющая напряженности электрического поля и сопряженное значение комплексной составляющей напряженности магнитного поля;
, а
.
В дальней зоне составляющие Еj и Нa изменяются синфазно, причем между ними соблюдается равенство (4.42). Поэтому
.
Интегрируя выражение (4.46), находим излучаемую антенной среднюю за период мощность
.
(4.47)
Переходя в (4.47) от переменной j к переменной y=0.5p-j, получаем
.
(4.48)
Подставляя в (4.48) вместо |Еj| его значение из (4.42) и интегрируя по a, а также полагая Zв=Z0=377=120p, получаем
(4.49)
где
.
(4.50)
Произведя интегрирование, получаем следующее выражение для сопротивления излучения, отнесенное к пучности тока:
где si(x) и ci(x) – интегральные синус и косинус от аргумента х; С = 0.57722 – постоянная Эйлера.
Анализ последней формулы показывает, что при l/l<<1 сопротивление излучения может быть определено по приближенной формуле
(4.51)
Формула (4.51) практически может использоваться без заметных погрешностей для значений l/l?0.1.
На рис. 4.16 показана зависимость сопротивления излучения от l/l.
Так, для антенны длиной l/2 (l=l/4) сопротивление излучения RS=73.13 Ом, а для антенны длиной l – 199 Ом.
В случае, если антенна расположена не очень высоко над землей, то, как было отмечено выше, влияние земли на поле учитывают, вводя в расчет зеркальное изображение антенны. Сопротивление излучения такой антенны определяется по той же формуле (4.50). Однако при этом необходимо учитывать, что излучает только сама антенна, а не ее зеркальное изображение. Поэтому сопротивление излучения необходимо уменьшать в два раза (R=0.5RS).
Заметим, что для увеличения емкости, а, следовательно, и проходящего по ней тока (мощности излучения) при том же напряжении генератора антенну часто дополняют горизонтальными участками. Однако эти горизонтальные участки практически мало излучают энергию, так как токи в действительных горизонтальных проводах и в их зеркальных изображениях направлены в противоположные стороны.