АКАДЕМІЯ
Кафедра фізики
Реферат на тему:
Тонка структура електромагнітного поля у вільному просторі і за наявності екрануючих перешкод
Зміст
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 3
Принцип Гюйгенса - Френеля, зони Френеля ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
Дифракція радіохвиль на півплощині ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .12
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 13
Введення
Необхідно відзначити, що при поширенні радіохвиль у вільному просторі різні його області не однаково впливають на формування електромагнітного поля у віддаленій від випромінювача точці прийому. При цьому завжди можна виділити деяку область простору, у якій поширюється основна частина переданої в заданому напрямку енергії електромагнітних хвиль. Її розміри і конфігурацію визначають виходячи з відомого з курсу фізики принципу Гюйгенса-Френеля.
Принцип Гюйгенса - Френеля, зони Френеля.
Згідно з принципом Гюйгенса, кожна точка фронту хвилі, що поширюється є джерелом нової сферичної хвилі. При цьому, якщо відомо положення фронту хвилі S (t) в певний момент часу "t" (див. рис.1) і швидкість хвилі "
Рис. 1
Використання даного принципу дозволяє досить просто визначити розміри і форму області простору поширення прямий електромагнітної хвилі.
З теорії електромагнітного поля відомо, що кожен елемент фронту хвилі (елемент Гюйгенса), створений яких-небудь первинним джерелом, є вторинним джерелом сферичної хвилі з характеристикою спрямованості у вигляді кардиоиду.
Математично характеристика спрямованості зазначеного елемента описується функцією
Якщо джерело електромагнітного поля знаходиться в деякій точці А (рис. 2а), то повне поле в точці прийому В можна визначити, спираючись на вищевикладене, скориставшись формулою Кірхгофа:
де
r''- відстань від елемента Гюйгенса до точки прийому;
а) б)
Рис. 2
З урахуванням того, що:
Оскільки форма поверхні не має значення, візьмемо в якості цієї поверхні площину, розташовану на відстанях r 1 і r 2 (r 1 + r 2 = r) від точок А і В перпендикулярно траєкторії прямої хвилі (див. рис. 2б). При цьому фази елементарних хвиль будуть визначатися співвідношенням
Для спрощення аналізу характеру і ступеня вторинних елементарних джерел електромагнітних хвиль, розташованих на поверхні S, на результуюче поле в точці В, розділимо всю поверхню S на зони Френеля.
Зона Френеля - це частина поверхні фронту електромагнітної хвилі, що охоплює вторинні джерела, елементарні хвилі яких у точці В розходяться по фазі не більше ніж на 180 0, при цьому сусідні зони Френеля створюють в точці В протифазні поля.
Математично розмір зони визначається виразом:
Якщо переміщати уявну поверхню S вздовж лінії АВ, то окружності радіусу
Області простору між двома сусідніми еліпсоїда обертання є просторовими зонами Френеля (див. малюнок 3).
Незважаючи на те, що площі зон Френеля
на площині S однакові, амплітуди, створюваних ними полів в точці В зменшуються з зростанням n, тому що при цьому (
Як показують розрахунки і експеримент, внаслідок взаємної компенсації протифазних полів сусідніх зон Френеля результуюче поле в точці В визначається дією лише вторинних випромінювачів, розташованих в межах 1 / 3 першої зони Френеля (n = 1 / 3) з радіусом
Величина
Рис. 3
Результати експерименту (залежність | Е / Е св | у очку У від відносної величини отвору S / S 1) показані на малюнку 4.
Рис. 4
З малюнка 4 випливає, що напруженість поля при відсутності екрана Е св дорівнює напруженості поля Е при наявності екрану з отвором, що має площу, рівну S 1 / 3, радіус якої -
Дифракція радіохвиль на півплощині.
Область, суттєва для поширення радіохвиль
Дифракція - дифрагування електромагнітної хвилею зустрічних перешкод.
Хвильову теорію (принципи Гюйгенса-Френеля) можна використовувати на практиці для визначення множника ослаблення електромагнітної хвилі на радіотрассе з перешкодою.
Дану задачу можна вирішити досить просто, якщо перешкода у вигляді гори, пагорба і т.п. апроксимувати площиною (малюнок 5).
Рис. 5
Спираючись на малюнок 5, визначимо напруженість поля в точці прийому В, використовуючи формулу (2). При цьому інтегрування в даному виразі буде здійснюватися лише з півплощини, що доповнює екран (тобто при Z
Шляхом введення деяких допусків і нових змінних, вираз (2) приводиться до вигляду
Тоді множник ослаблення на трасі з перешкодою у вигляді півплощини визначається виразом
Тут параметр U 0 дорівнює відношенню Н до радіусу
де Н - величина просвіту (відстань між прямою, що сполучає точки прийому та передачі і крайкою екрана (перешкоди)).
Графік функції | F (U 0) | зображений на малюнку 6.
За даним графіком легко визначити область, суттєву для розповсюдження радіохвилі. Аналіз функції | F (U 0) |, представленої на малюнку 6, показує, що при Н = 0, тобто коли траєкторія хвилі стосується краю екрану і всі зони Френеля виявляються наполовину прикритими, поле в точці прийому становить 0,5 Е св. При збільшенні просвіту (Н> 0) між прямим променем і крайкою екрана поле в точці прийому швидко зростає до величини, приблизно рівної полю в вільному просторі. Це має місце при Н =
Тому величину
Областю, істотною для РРВ, називають область простору між передавачем і приймачем ЕМХ у вигляді параболоїда обертання з радіусом в площині поперечного перерізу, рівним
У залежності від величини Н розрізняють такі види радіорелейних трас:
- Закриту, якщо Н <0 (кромка екрану вище траєкторії хвилі);
- Напіввідчинені, якщо 0
- Відкриту, якщо Н
Поперечні розміри області істотною для поширення зменшуються зі зменшенням
Висновок
Сучасний етап розвитку суспільства характеризується використанням величезної кількості радіоелектронних засобів, пов'язаних з генеруванням, передачею, прийманням та перетворенням електромагнітних коливань. Функціонування одних РЕЗ супроводжується створенням ненавмисних перешкод електромагнітних завад для інших РЕЗ. При цьому виникає проблема забезпечення електромагнітної сумісності РЕЗ, тому що в силу об'єктивних властивостей радіочастотного спектру, великої потужності радіопередавачів і високої сприйнятливості сучасних радіоприймачів погіршуються можливості одночасного функціонування РЕЗ без істотного зниження якості і швидкості передачі повідомлень.
Література
· "Електродинаміка та поширення радіохвиль" С. Сергєєв, Орел, ВІПС
· «Основні закономірності поширення прямих радіохвиль і роботи радіоліній». Лазоренко, Орел, ВІПС
· «Радиопередающие пристрої», Шагельдян В.В., Москва
Кафедра фізики
Реферат на тему:
Тонка структура електромагнітного поля у вільному просторі і за наявності екрануючих перешкод
Зміст
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 3
Принцип Гюйгенса - Френеля, зони Френеля ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
Дифракція радіохвиль на півплощині ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .12
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 13
Введення
Необхідно відзначити, що при поширенні радіохвиль у вільному просторі різні його області не однаково впливають на формування електромагнітного поля у віддаленій від випромінювача точці прийому. При цьому завжди можна виділити деяку область простору, у якій поширюється основна частина переданої в заданому напрямку енергії електромагнітних хвиль. Її розміри і конфігурацію визначають виходячи з відомого з курсу фізики принципу Гюйгенса-Френеля.
Принцип Гюйгенса - Френеля, зони Френеля.
Згідно з принципом Гюйгенса, кожна точка фронту хвилі, що поширюється є джерелом нової сферичної хвилі. При цьому, якщо відомо положення фронту хвилі S (t) в певний момент часу "t" (див. рис.1) і швидкість хвилі "
Рис. 1
Використання даного принципу дозволяє досить просто визначити розміри і форму області простору поширення прямий електромагнітної хвилі.
З теорії електромагнітного поля відомо, що кожен елемент фронту хвилі (елемент Гюйгенса), створений яких-небудь первинним джерелом, є вторинним джерелом сферичної хвилі з характеристикою спрямованості у вигляді кардиоиду.
Математично характеристика спрямованості зазначеного елемента описується функцією
Якщо джерело електромагнітного поля знаходиться в деякій точці А (рис. 2а), то повне поле в точці прийому В можна визначити, спираючись на вищевикладене, скориставшись формулою Кірхгофа:
де
r''- відстань від елемента Гюйгенса до точки прийому;
а) б)
Рис. 2
З урахуванням того, що:
Оскільки форма поверхні не має значення, візьмемо в якості цієї поверхні площину, розташовану на відстанях r 1 і r 2 (r 1 + r 2 = r) від точок А і В перпендикулярно траєкторії прямої хвилі (див. рис. 2б). При цьому фази елементарних хвиль будуть визначатися співвідношенням
Для спрощення аналізу характеру і ступеня вторинних елементарних джерел електромагнітних хвиль, розташованих на поверхні S, на результуюче поле в точці В, розділимо всю поверхню S на зони Френеля.
Зона Френеля - це частина поверхні фронту електромагнітної хвилі, що охоплює вторинні джерела, елементарні хвилі яких у точці В розходяться по фазі не більше ніж на 180 0, при цьому сусідні зони Френеля створюють в точці В протифазні поля.
Математично розмір зони визначається виразом:
Якщо переміщати уявну поверхню S вздовж лінії АВ, то окружності радіусу
Області простору між двома сусідніми еліпсоїда обертання є просторовими зонами Френеля (див. малюнок 3).
Незважаючи на те, що площі зон Френеля
на площині S однакові, амплітуди, створюваних ними полів в точці В зменшуються з зростанням n, тому що при цьому (
Як показують розрахунки і експеримент, внаслідок взаємної компенсації протифазних полів сусідніх зон Френеля результуюче поле в точці В визначається дією лише вторинних випромінювачів, розташованих в межах 1 / 3 першої зони Френеля (n = 1 / 3) з радіусом
Величина
Рис. 3
Результати експерименту (залежність | Е / Е св | у очку У від відносної величини отвору S / S 1) показані на малюнку 4.
Рис. 4
З малюнка 4 випливає, що напруженість поля при відсутності екрана Е св дорівнює напруженості поля Е при наявності екрану з отвором, що має площу, рівну S 1 / 3, радіус якої -
Дифракція радіохвиль на півплощині.
Область, суттєва для поширення радіохвиль
Дифракція - дифрагування електромагнітної хвилею зустрічних перешкод.
Хвильову теорію (принципи Гюйгенса-Френеля) можна використовувати на практиці для визначення множника ослаблення електромагнітної хвилі на радіотрассе з перешкодою.
Дану задачу можна вирішити досить просто, якщо перешкода у вигляді гори, пагорба і т.п. апроксимувати площиною (малюнок 5).
Рис. 5
Спираючись на малюнок 5, визначимо напруженість поля в точці прийому В, використовуючи формулу (2). При цьому інтегрування в даному виразі буде здійснюватися лише з півплощини, що доповнює екран (тобто при Z
Шляхом введення деяких допусків і нових змінних, вираз (2) приводиться до вигляду
Тоді множник ослаблення на трасі з перешкодою у вигляді півплощини визначається виразом
Тут параметр U 0 дорівнює відношенню Н до радіусу
де Н - величина просвіту (відстань між прямою, що сполучає точки прийому та передачі і крайкою екрана (перешкоди)).
Графік функції | F (U 0) | зображений на малюнку 6.
За даним графіком легко визначити область, суттєву для розповсюдження радіохвилі. Аналіз функції | F (U 0) |, представленої на малюнку 6, показує, що при Н = 0, тобто коли траєкторія хвилі стосується краю екрану і всі зони Френеля виявляються наполовину прикритими, поле в точці прийому становить 0,5 Е св. При збільшенні просвіту (Н> 0) між прямим променем і крайкою екрана поле в точці прийому швидко зростає до величини, приблизно рівної полю в вільному просторі. Це має місце при Н =
Тому величину
Областю, істотною для РРВ, називають область простору між передавачем і приймачем ЕМХ у вигляді параболоїда обертання з радіусом в площині поперечного перерізу, рівним
У залежності від величини Н розрізняють такі види радіорелейних трас:
- Закриту, якщо Н <0 (кромка екрану вище траєкторії хвилі);
- Напіввідчинені, якщо 0
- Відкриту, якщо Н
Поперечні розміри області істотною для поширення зменшуються зі зменшенням
Висновок
Сучасний етап розвитку суспільства характеризується використанням величезної кількості радіоелектронних засобів, пов'язаних з генеруванням, передачею, прийманням та перетворенням електромагнітних коливань. Функціонування одних РЕЗ супроводжується створенням ненавмисних перешкод електромагнітних завад для інших РЕЗ. При цьому виникає проблема забезпечення електромагнітної сумісності РЕЗ, тому що в силу об'єктивних властивостей радіочастотного спектру, великої потужності радіопередавачів і високої сприйнятливості сучасних радіоприймачів погіршуються можливості одночасного функціонування РЕЗ без істотного зниження якості і швидкості передачі повідомлень.
Література
· "Електродинаміка та поширення радіохвиль" С. Сергєєв, Орел, ВІПС
· «Основні закономірності поширення прямих радіохвиль і роботи радіоліній». Лазоренко, Орел, ВІПС
· «Радиопередающие пристрої», Шагельдян В.В., Москва