Реферат: Тонкая структура электромагнитного поля в свободном пространстве и при наличии экранирующих препятствий

АКАДЕМИЯ

Кафедра физики

Реферат на тему:

Тонкая структура электромагнитного поля в свободном пространстве и при наличии экранирующих препятствий

Содержание

Введение…………………………………………………………………….…3

Принцип Гюйгенса — Френеля, зоны Френеля……………………….……..4

Дифракция радиоволн на полуплоскости…………………………….…….8

Заключение………………………………………………………………….12

Литература…………………………………………………………………..13

Введение

Необходимо отметить, что при распространении радиоволн в свободном пространстве различные его области не одинаково влияют на формирование электромагнитного поля в удаленной от излучателя точке приема. При этом всегда можно выделить некоторую область пространства, в которой распространяется основная часть передаваемой в заданном направлении энергии электромагнитных волн. Ее размеры и конфигурацию определяют исходя из известного из курса физики принципа Гюйгенса-Френеля.

Принцип Гюйгенса — Френеля, зоны Френеля.

Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта распространяющейся волны является источником новой сферической волны. При этом, если известно положение фронта волны S(t) в некоторый момент времени " t " (см. рис.1) и скорость волны " />", то положение фронта в последующий момент времени (t + />) можно определить поверхностью S(t+ />), огибающей все вторичные волны. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим и не указывает способа расчета амплитуды волны, огибающей вторичные волны. Поэтому, развивая указанный принцип, Френель предложил идею о когерентности вторичных волн и их интерференции, что позволяет определять полное поле в любой точке пространства как сумму элементарных волн, излучаемых «элементами Гюйгенса». Объединенные идеи Гюйгенса и Френеля известны в современной физике и электродинамике в качестве «Принципа Гюйгенса — Френеля».

/>/>

Рис. 1

Использование данного принципа позволяет достаточно просто определить размеры и форму области пространства распространения прямой электромагнитной волны.

Из теории электромагнитного поля известно, что каждый элемент фронта волны (элемент Гюйгенса), созданный каким-либо первичным источником, является вторичным источником сферической волны с характеристикой направленности в виде кардиоиды.

Математически характеристика направленности указанного элемента описывается функцией />.

Если источник электромагнитного поля находится в некоторой точке А (рис. 2а), то полное поле в точке приема В можно определить, опираясь на вышеизложенное, воспользовавшись формулой Кирхгофа:

/>, (1)

где />— величина поля на элементе Гюйгенса, создаваемая первичным источником А;

r’’— расстояние от элемента Гюйгенса до точки приема; />.

/>/>

а) б)

Рис. 2

С учетом того, что:

/>, полное поле в точке В будет равно

/>(2)

Поскольку форма поверхности не имеет значения, возьмем в качестве этой поверхности плоскость, расположенную на расстояниях r1и r2(r1+ r2=r) от точек А и В перпендикулярно траектории прямой волны (см. рис. 2б). При этом фазы элементарных волн будут определяться соотношением />/>= k(r' + r''), а для центральной элементарной волны />= kr= k(r1+ r2).

Для упрощения анализа характера и степени вторичных элементарных источников электромагнитных волн, расположенных на поверхности S, на результирующее поле в точке В, разделим всю поверхность S на зоны Френеля.

Зона Френеля — это часть поверхности фронта электромагнитной волны, охватывающая вторичные источники, элементарные волны которых в точке В расходятся по фазе не более чем на 1800, при этом соседние зоны Френеля создают в точке В противофазные поля.

Математически размер зоны определяется выражением:

/>(3)

Если перемещать воображаемую поверхность S вдоль линии АВ, то окружности радиуса />опишут поверхности эллипсоидов вращения.

Области пространства между двумя соседними эллипсоидами вращения являются пространственными зонами Френеля (см. рисунок 3).

Несмотря на то, что площади зон Френеля

/>(4)

на плоскости S одинаковы, амплитуды, создаваемых ими полей в точке В убывают с ростом n, так как при этом (/>) — уменьшается, а r'(r'') — увеличивается. Поэтому результирующее поле в точке В в основном создается волнами вторичных излучателей, расположенных в пределах первых нескольких зон Френеля.

Как показывают расчеты и эксперимент, вследствие взаимной компенсации противофазных полей соседних зон Френеля результирующее поле в точке В определяется действием лишь вторичных излучателей, расположенных в пределах 1/3 первой зоны Френеля (n = 1/3) с радиусом

/>. (5)

Величина  />имеет важное практическое значение, так как определяет размеры области существенной для распространения радиоволн.

/>/>

Рис. 3

Результаты эксперимента (зависимость |Е/Есв| в очке В от относительной величины отверстия S/S1) показаны на рисунке 4.

--PAGE_BREAK--

/>

Рис. 4

Из рисунка 4 следует, что напряженность поля при отсутствии экрана Есвравняется напряженности поля Е при наличии экрана с отверстием, имеющим площадь, равную S1/3, радиус которой -/>. Экран практически не влияет на величину поля в точке приема при n > 8 (8 зон Френеля).

Дифракция радиоволн на полуплоскости.

Область, существенная для распространения радиоволн

Дифракция — огибание электромагнитной волной встречных препятствий.

Волновую теорию (принципы Гюйгенса-Френеля) можно использовать на практике для определения множителя ослабления электромагнитной волны на радиотрассе с препятствием.

Данную задачу можно решить достаточно просто, если препятствие в виде горы, холма и т.п. аппроксимировать плоскостью (рисунок 5).

/>

Рис. 5

Опираясь на рисунок 5, определим напряженность поля в точке приема В, используя формулу (2). При этом интегрирование в данном выражении будет производиться лишь по полуплоскости, дополняющей экран (т.е. при Z/>Н), так как поле ЕSна теневой стороне экрана равно нулю.

Путем ввода некоторых допусков и новых переменных, выражение (2) приводится к виду

/>. (6)

Тогда множитель ослабления на трассе с препятствием в виде полуплоскости определяется выражением

/>. (7)

Здесь параметр Uравен отношению Н к радиусу />первой полузоны Френеля:

/>, (8)

где Н — величина просвета (расстояние между прямой, соединяющей точки приема и передачи и кромкой экрана (препятствия)).

График функции |F(U)| изображен на рисунке 6.

/>

Рис. 6

По данному графику легко определить область, существенную для распространения радиоволны. Анализ функции |F(U)|, представленной на рисунке 6, показывает, что при Н = 0, т.е. когда траектория волны касается кромки экрана и все зоны Френеля оказываются наполовину прикрытыми, поле в точке приема составляет 0,5Есв. При увеличении просвета (Н > 0) между прямым лучом и кромкой экрана поле в точке приема быстро растет до величины, примерно равной полю в свободном пространстве. Это имеет место при Н = />.

Поэтому величину  />, определяемую соотношением (5), называют радиусом области, существенной для распространения прямой волны.

Областью, существенной для РРВ, называют область пространства между передатчиком и приемником ЭМВ в виде параболоида вращения с радиусом в плоскости поперечного сечения, равным  />, препятствия расположенные вне этой области не влияют на уровень сигнала в точке приема.

В зависимости от величины Н различают следующие виды радиорелейных трасс:

— закрытую, если Н < 0 (кромка экрана выше траектории волны);

— полуоткрытую, если 0 />Н </>;

— открытую, если Н />/>.

Поперечные размеры области существенной для распространения уменьшаются с уменьшением/>, а также по мере приближения к одному из концов трассы. Наибольший радиус области соответствует середине радиотрассы

/>.

Заключение

Современный этап развития общества характеризуется использованием огромного количества радиоэлектронных средств, связанных с генерированием, передачей, приемом и преобразованием электромагнитных колебаний. Функционирование одних РЭС сопровождается созданием непреднамеренных помех электромагнитных помех для других РЭС. При этом возникает проблема обеспечения электромагнитной совместимости РЭС, так как в силу объективных свойств радиочастотного спектра, большой мощности радиопередатчиков и высокой восприимчивости современных радиоприемников ухудшаются возможности одновременного функционирования РЭС без существенного снижения качества и скорости передачи сообщений.

Литература

«Электродинамика и распространение радиоволн» С.Сергеев, Орел, ВИПС

«Основные закономерности распространения прямых радиоволн и работы радиолиний». Лазоренко, Орел, ВИПС

«Радиопередающие устройства», Шагельдян В.В., Москва


еще рефераты
Еще работы по физике