Физические основы процесса приема

Основным вопросом при изучении приемных антенн является определение мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны, т.е. в приемнике, под действием падающей на антенну электромагнитной волны. Для этого необходимо, прежде всего, знать ток, возникающий в нагрузке. Величина его, естественно, зависит от ориентации антенны по отношению к падающей волне. Соответственно одной из главных характеристик приемной антенны является диаграмма направленности - зависимость тока в нагрузке от направления прихода облучающей волны.

Механизм процесса приема проще всего пояснить на примере антенны, выполненной в виде симметричного электрического вибратора. Пусть эта антенна облучается волной, приходящей с направления характеризуемого углами в системе координат, связанной с антенной (рис. 7).

Рисунок 7. Прямоугольная антенна в системе координат x, y, z

Поскольку источник облучающей волны расположен обычно далеко от приемной антенны, будем считать, что фронт падающей волны в окрестности приемной антенны близок к плоскому и соответственно векторы поля облучающей волны лежат в плоскости фронта z' = const, нормаль к которой образует угол (π = о6л) с осью вибратора z (см. рис. 7).

Спроектируем вектор на орты , соответствующие направлению прихода волны. В общем случае

Обозначим

где - соответственно амплитуды и фазы составляющих поля в начале координат. Считая вибратор тонким, найдем, что в любой точке с координатой z касательная к поверхности вибратора составляющая электрического поля облучающей волны

Под действием данной составляющей электрического поля, параллельной оси вибратора, в плечах вибратора возбуждаются продольные токи, поскольку согласно определению напряженность электрического поля есть сила, приводящая в движение свободные заряды, т.е. вызывающая появление тока в проводящей среде. Этот ток, протекая через нагрузку приемника Zн (см. рис. 7), выделяет в ней энергию (естественно, если активная составляющая сопротивление Zн отлична от нуля). Таким образом, осуществляется процесс передачи энергии от падающей электромагнитной волны в нагрузку приемника. Если нагрузка подсоединена к приемной антенне не непосредственно, а через фидер, то происходящие процессы отличаются только тем, что ток, наведенный в антенне, сначала возбуждает колебания в фидере, а затем энергия этих колебаний выделяется в нагрузке приемника.

Значение тока в одной и той же приемной антенне зависит от угла прихода облучающей волны. При фиксированном направлении прихода волны значение тока зависит также от ориентации векторов электромагнитного поля относительно приемной антенны. Так, в случае, если вектор электрического поля облучающей волны ориентирован перпендикулярно приемному вибратору (т.е. ), касательная составляющая поля падающей волны на поверхности вибратора равна нулю и ток в вибраторе не возникает; соответственно не выделяется энергия в нагрузке Zн. Напротив, ток максимален, если при неизменной амплитуде результирующего вектора , т.е. при условии

Задача нахождения закона распределения тока в приемной антенне может быть решена следующим образом. Токи, наводимые в приемной антенне, являются источниками вторичного излучения. Если провод, из которого изготовлен вибратор, обладает идеальной проводимостью, то суммарная касательная составляющая напряженности электрического поля на поверхности вибратора должна обращаться в нуль, т.е. где - оставляющая, обусловленная падающей волной (2); - составляющая, обусловленная токами, наведенными в вибраторе..

Условия равенства нулю величины совместно с условием непрерывности тока на зажимах сопротивления нагрузки в принципе достаточно для нахождения закона распределения тока. Строгое решение этой задачи, как и строгое решение аналогичной задачи в передающем режиме, встречает значительные математические трудности. Однако для определения основных характеристик приемной антенны нет необходимости решать задачу нахождения тока во всех точках антенны; достаточно знать только ток, протекающий через нагрузку. Как будет показано ниже, значение этого тока можно найти с использованием принципа взаимности.

Следует помнить, что процесс извлечения приемной антенной мощности из падающей волны сопровождается, как уже отмечалось, излучением токов, наведенных в антенне, т.е. приемная антенна не только поглощает энергию, но и является источником вторичного излучения. Эти процессы необходимо учитывать, например, при решении проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Отметим, что ток в одной и той же антенне, работающей в приемном и передающем режимах, в общем случае распределяется по-разному, поскольку в передающем режиме ток возбуждается под действием сосредоточенного источника (например, подключаемого к входным зажимам СЭВ), а в приемном режиме источником возбуждения является касательная компонента падающего поля, распределенная вдоль вибратора с равномерной амплитудой и линейно изменяющейся фазой. Вследствие этого ДН антенны в передающем режиме и ДН поля, переизлучаемого приемной антенной, в общем случае отличаются между собой.