|
|
||
Чешский патриот, ученый и бывший ректор Пражского университета Ян Гус был возведен католическим церковным собором на костер как опасный еретик. Уже стоя на костре, мученик заметил дряхлую старуху, которая, вполне уверенная, что делает благое дело, принесла с собой охапку хвороста. "О sanc-ta simplicitas"*, - с горькой усмешкой воскликнул Ян Гус. Следом в костер полетели и труды самого Яна Гуса. Через некоторое время был сожжён Иероним Пражский, один из сподвижников Яна Гуса. Реформация не состоялась, но с углями догоревшего костра, в стране занялся костер гражданской войны...
*"О sanc-ta simplicitas (санкта симплицитас)"*- святая простота.
Автор не известен.
Вступление
Поскольку костры давно вышли из моды, а человечество изобрело множество новых, более изящных способов устранения оппонентов, автор этих строк не опасается за свою жизнь, но предвидит вполне предсказуемую реакцию сторонников истинной веры - серьезных ученых мужей от физики и радиотехники. - "Чушь собачья..." Как и ответную реплику противников вечной стабильности книжных знаний. - "Он явно в кого-то метил..." Перед вами не исследование, но и не пособие для младших классов, а скорее художественная попытка заставить радиолюбителей задуматься, не пришло ли время глубже посмотреть на механизм излучения радиоволн антенной, не слишком ли упрощены в учебниках и во многих популярных изданиях описания этого процесса, повторяемые почти без изменений чуть ли не со времен Генриха Герца?
Копать глубоко не пришлось. В серьезных, напичканных математическими выкладками, схемами и графиками научных работах, украшенных учеными степенями и званиями, все оказалось значительно сложнее... Только, одолеть их сможет хороший и к тому же критически мыслящий специалист, ибо даже здесь мнения расходятся... Видимо поэтому, в одну из рождественских ночей, когда автор засыпал над одним из таких трудов, привиделась ему странная картина...
Моложавый профессор, напоминавший обликом М.А. Бонч-Бруевича начал свою популярную лекцию. -"Радиотехника пользуется для передачи сигналов электромагнитными волнами..." И продолжал. -"Упрощенная схема радиолинии передачи информации показана... Рассмотрим ее характеристики. Имеются выражения значений напряжения и тока в произвольном сечении линии... Если линия без потерь... - Хе..хе... - послышалось в зале. Профессор хитро улыбнулся. -В продолжение линии передачи возбуждаемой генератором и направляющей вдоль себя электромагнитные волны, рассмотрим волны в пространстве. Допустим, что существует точечный элементарный источник электрических колебаний - диполь... " Стоп. Не хочу больше точечного, элементарного, гипотетического и без потерь. С другой стороны - хочу интуитивную модель без формул!
Зазеркалье силовых линий
Может быть проще, господин профессор: "Поле излучения создается антенной в окружающей среде благодаря ЭДС внешнего генератора, возбуждающего через линию питания в элементах антенны напряжение, которое вызывает ток. При этом, в самой антенне одновременно присутствуют как ток переноса (т.е. ток проводимости, он же ток движения электронов), так и ток поляризации (т.е. ток связанных зарядов, выражающий энергию их перемещения относительно средних положений электронов связанных в внутри молекул), обычно именуемый "ток смещения" или же "ток поляризации" (в том числе действующий в вакууме). Оба указанных тока существуют в электропроводящих частях антенны, однако в проводниках ток поляризации пренебрежимо мал и во внимание обычно не принимается. Благодаря наличию этих токов антенна становиться электрически замкнутой цепью и выступает в качестве нагрузки генератора, преобразуя подводимую через линию передачи высокочастотную энергию (т.е. волну в линии) в энергию электромагнитных волн в пространстве. Однако, для эффективного излучения электромагнитной волны недостаточно устранения неизбежных реактивностей в длинной цепочке последовательно включенных элементов и преодоления силы пытающихся возвратить энергию из линии, соответственно полотна антенны обратно в генератор (аналога механических силы сжатия-отталкивания). Не достаточно только согласования одного импеданса (полного сопротивления) линии передачи и антенны достижения бегущей волны (волны без постоянных пучностей и узлов тока и напряжения, по минимуму КСВ - максиму КБВ). Энергия, подведенная к антенне не должна рассеиваться и поглощаться ни в элементах антенны, ни в окружающих предметах (окружающей антенну среде), она должна уйти в пространство в виде волны. Это происходит далеко не всегда. Почему же и когда возникает электромагнитная волна в пространстве? Если описание протекающих токов еще более-менее легко воспринимается в рамках упрощенных образных моделей и картинок электрических процессов (с кружками, изображающими электроны и силовыми линиями), в виде простых формул, то "чудо" незримого излучения и приема радиоволн с трудом может быть обрисовано картинками даже на огромном листе бумаги. Здесь на помощь приходит язык геометрии, высшей математики, векторного анализа, интегрирования и дифференцирования и многое, многое другое... Как же обойтись лирику-радиолюбителю без заумных выкладок, за которыми порой забываешь физическую суть процесса? Вернемся к истокам - понятию Поле. Издревле человек наблюдал природу и связывал все наблюдаемое как образ через словесную форму, присваивая всему увиденному языковые обозначения, научившись рисовать и затем писать, он смог перейти к абстрактному описанию наблюдаемых явлений, определить их понятиями - т.е. природу объектов как качество, а величину (меру) как количество. Он выяснил сложные геометрические и математические закономерности и почти убедился в том, что все кругом можно пощупать и измерить, кроме разве что непонятного "высшего закона" являвшегося ему в качестве божества. Примерно к середине 19 века, ученным стало очевидно, что кроме твердых корпускулярных субстанций, которые можно привести в движение механически, сжать, нагреть, обмерить их характеристики, в природе существует невесомая не ощутимая материя, которую не могут воспринимать человеческие органы чувств, но вполне могут регистрировать приборы. Остро стал вопрос об описании свойств этой материи. Как всегда на передовом рубеже оказалась математика, многие годы "игравшаяся" с непонятными обществу исчислениями и мнимыми гипотетическими числами и мнимыми пространствами. О математики! Я обожаю вас за то, что только вы можете помирить физиков и лириков, не занимая позиции одних или других и будучи одинаково непонятны обеим сторонам! Вы с легкостью посчитаете то, что мы не в состоянии представить. Так вот понятие - физическое поле, пришло из математики, поскольку лишь прибегнув к множествам и их векторному анализу, удалось завершить общее описание электрического и магнитного поля - проявление которых наблюдались в опытах учеными уже многие века... Стало ясно, что электрическое и магнитное поле - суть единое явление, отражающее общее универсальное электромагнитное взаимодействие природы. Это особый вид материи, обладающий необычными и уникальными характеристиками, возможно, гораздо более фундаментальный, чем окружающая нас вещественная субстанция, ибо, как теперь ясно, элементарные частицы имеют свойства не только твердого тела, но и волны. Сегодня мы знаем, что магнитное и электрическое поле не имеют массы, распространяются с максимально возможной в окружающей природе скоростью (скоростью света в среде), порождаются движущимися электрически заряженными частицами (обычно электронами или ионами). Любое их движение создает электрический ток, вызывающий вокруг себя соответствующее магнитное поле и по принципу взаимности - магнитное поле вызывает движение свободных электрических зарядов в проводнике, если проводник помещен в изменяющееся магнитное поле - т.е. электрический ток. Для проникновения поля в пространство не требуется никакой посредник или опорная среда (неуловимый микроскопический "эфир" который долго искали как философский камень) - само поле, со скоростью света переносит энергию взаимодействия через волновой процесс, в силу его неотъемлемых свойств. Оно подчиняется принципу Гюйгенса-Френеля, согласно которого огибающая фронтов волн всех вторичных источников становится фронтом волны в следующий момент времени. И так поведение электрического и магнитного поля подчиняется закономерностям, которые могут быть описаны детально сложными математическими законами вращающихся векторов. Математически можно описать силу и направление воздействия электрического и магнитного компонента волны - этого неразрывного единства взаимосвязанных электрического и магнитного полей, для каждой точки пространства в заданный момент времени, их воздействие на электрически заряженные частицы, находящиеся в данный момент в указанной точке, определить "давление" электромагнитной волны на тела и даже предсказать электростатическую эмиссию электронов (явление испускания электронов поверхностью твердого тела или жидкости) под воздействием сильного поля. Но вернемся к моменту, когда ЭДС генератора сформировала на элементах антенны, согласованной через линию питания, переменные - разницу потенциалов, напряжение и соответствующие токи проводимости и смещения. Эти изменения приводят к изменениям вдоль силовых линий электрического и магнитного поля (т.е. напряженности и направленности этих полей в пространстве) и на соответствующих эквипотенциальных поверхностях. Устремившись в окружающее пространство изменения расходятся по 'сферам' (как на рисунке в школьном учебнике), а точнее по сложной огибающей семейства лучей, в геометрии именуемой каустикой (что в переводе означает - жгучий, название, вероятно, происходит от наблюдения каустик преломленного стеклом светового луча). Далее мы сталкиваемся с теми же общими закономерностями природы - т.е. пространство, даже в форме вакуума, не спешит полностью принять энергию, подведенную к ней антенной и унести ее в качестве волн. Так же как в линии питания, на физической апертуре антенны, в излучающей части элементов, в поверхностном слое проводника, где из-за СКИН эффекта и текут ВЧ токи, в этом и ближайшем от антенны пространстве возникают реактивные электрические и магнитные поля, проявляющие себя как сопротивление. Они даже имеют соответствующий знак емкостной или индуктивной нагрузки (определяемые фазой и вектором). Иными словами реальное пространство имеет реактивную и активную составляющие сопротивления распространению волновому возмущению. Более того, реальный источник излучения не точечный диполь, картина его силовых линий носит не расходящийся сферически облик, а характер суперпозиции (наложения) вращающихся 'векторов-бубликов' множества когерентных полей от точечных источников, с другой стороны принимающая волновое возмущение среда, обладает свойствами, описываемыми в общих чертах ее магнитной и диэлектрической проницаемостью. В ближайшем от антенны пространстве, как в любой линии передачи, возникает сопротивление перетоку энергии, его активная часть в радиотехнике так и именуется - сопротивление излучения. Эта величина имеющая для удобства размерность электрического сопротивления - ОМ, в действительности описывает связь между действием реактивных полей стремящихся вернуть энергию в систему "среда - антенна - линия питания - генератор" и полей стремящихся унести (вытолкнуть) поле дальше в пространство. Если антенна сопоставима с длиной волны (полуволны) она фактически становиться эффективным продолжением линии передачи, вдоль которой распространяется волновое возмущение и как бы автоматически 'гасит' большую часть возникающей реактивности по мере удаления от точки питания, эффективно перенося энергию в ближнюю зону, о которой мы будем говорить позже. Когда же антенна сравнительно мала в сравнении с длиной полуволны, для эффективной передачи энергии, мы вынуждены компенсировать действия возросших реактивных элементов поля, вводя дополнительные сосредоточенные элементы, сдвигая и распределяя фазу тока и напряжения на ее элементах, согласуя ее с пространством. При этом неизбежно приносим в систему значительные дополнительные потери (на вносимых емкости индуктивность) и главное - мы изменяем векторную структуру полей в ближней от антенны зоне. Посмотрим, что происходит вблизи ее элементов. Сразу за излучающей поверхностью антенны, за зоной физической апертуры, лежит ближняя зона передающей антенны (или "зона индукции") - это зона действия реактивных полей, характеризующаяся в частности тем, что векторы электрического и магнитного поля, из-за высокой кривизны каустик еще не могут быть перпендикулярны и вектор плотность потока энергии (вектор Умова-Пойтинга) еще не направлен строго во вне. Однако, для излучения волны важно что бы реактивные поля сформировались таким образом, что на самом краю ближней зоны, при переходе в зону дифракции (зону Френеля), линии электрического и магнитного поля стали взаимно практически перпендикулярны и замкнулись сами на себя, а в месте сечения каустик этих полей там, где периметр сечения равен (по экватору каустики) длине волны, как бы образовалась "сила выталкивания" энергии наружу. В этом месте взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, приобретают характер вихревого поля (их силовые линии теперь замкнуты и строго перпендикулярны), здесь электромагнитная энергия обретает новую форму (моду) и становится способна самостоятельно распространятся в пространстве, как электромагнитная волна, обладающая собственными свойствами, отличающими ее от случайной суммы электрического и магнитного полей источника. Следует обратить внимание, что реактивные поля в ближней зоне неизбежны и обязательны, без них невозможно формирование волны. Они играют туже роль, что и сила отталкивания в механике и служат как бы 'опорой' от которой отталкивается волна в момент возникновения. Отделившаяся и ставшая самостоятельной, область элементарной каустики образованная единичным зарядом (диполем), вступает в сложное взаимодействие с такими же областями других единичных каустик (имеющих некоторый сдвиг фаз) и по принципу суперпозиции поля складываются и усиливаются, умножая выбрасываемую в пространство энергию. Реактивные поля, сконцентрированные в основном в ближней зоне, теперь перестают играть существенную роль, и по мере продвижения волны в зоне дифракции резко убывают. Волновой фронт волны приобретает практически плоский и равномерный вид похожий на рисунок из школьного учебника. За этой зоной начинается так называемая дальняя зона, в которой излучение сохраняет плоскую форму волнового фронта и заданное направление распространения достаточно долго, пока волна не будет изменена на границе двух сред имеющих разную, но не взаимно компенсирующую магнитную и электрическую проницаемость. Именно по пути следования от места отрыва волны до конца зоны дифракции окончательно формируются характеристики излучения антенны, направление распространения волны (диаграмма направленности антенны) и поляризация волны (по вектору электрического поля) , хотя они изначально заложены поведением этих векторов и мгновенным значением напряженности электрического и магнитного полей в месте 'отрыва'. Представление о том, что направление распространение волны перпендикулярно оси линейного вибратора, а поляризация определена вектором электрического поля по отношению к нему, на мой взгляд, культивируемое упрощение (как картинка из школьной книжки, на которой вибратор Г. Герца и приемник А.С. Попова схематически упрощены до их неработоспособности при повторении). Вспомним хотя бы о нелогичном распространение волны вдоль антенны 'Длинный провод', она же антенна Бевереджа или излучение малых магнитных рамочных антенн, в отличии от большой петли... Границы зон вокруг антенны достаточно подвижны и четко определить их для конкретного устройства затруднительно, одним из косвенных приемов определения границы ближней зоны является резкое увеличение амплитуды сигналов от источников местных помех при их перемещении в ближнюю зону. Собственный опыт конструирования антенн и их исследования подсказывает, что размеры зон вокруг реальных антенн сильно отличатся от цифр полученных из формул, это не просто расчетная величина или функция от длины волны, а результат сложного взаимодействия реальных полей, зависящий от конкретной конструкции и окружающих антенну предметов. Руководствуясь принципом обратимости антенн можно сказать, что при использовании антенны на прием она воспринимает пришедшую электромагнитную волну в обратном порядке - как линейная система. В зоне "выталкивания" получаем зону "втягивания", где активные вихревые электрические и магнитные поля падающей волны создают ЭДС на проводнике, вызывая в ней токи, которые порождают собственные составляющие Е и Н антенны, они в свою очередь взаимодействуют с полем пришедшей волны. Энергия поглощается тем эффективнее, чем правильнее заданы итоговые значения их векторов. Волна как бы 'вталкивается' в проводник, 'отражаясь' от обратной стороны каустики (сферы) в которую как в кокон силовых линий обличена приемная антенна. Все это во многом напоминает сияние фотосферы Солнца (области свечения звезды) и магнитосферу Земли с ее сложной структурой из слоев поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн, регулирующую прохождение волн электромагнитного спектра. Мой личный взгляд лирика-радиолюбителя на механизм излучения антенной электромагнитных волн, возможно не достаточно точен, даже местами не верен, но я убежден в главном, что в механизме возникновения и поведении компонентов электромагнитной волны огромную роль играют не только излучающие элементы антенны, но и ближайшая окружающая среда. Это влияет на то, как формируются переменное электрическое и магнитное поле в ближней зоне. Конечно же, важна и частота колебаний (определяющая длину и скорость распространения волны в данной среде). От того на сколько интенсивны и как направлены поля в той или иной области излучающей каустики (т.е. в месте отрыва волны) зависит полезная энергия излучения антенны, а сама каустика слагается из суперпозиции полей элементарных диполей и теоретически ее можно сформировать на выбор - как направленный луч 'фонарика', или как всенаправленный светящийся шар 'лампы', или 'в крапинку'. Более того, видимо достаточно области пространства, (т.е. части сферы) по экватору которой уложится половина длины этой волны. Такое представление о механизме излучения радиоволн предполагает возможность создания в будущем достаточно малых в сравнении с длиной волны антенн эффективно работающих на прием и передачу, с КПД близким их полноразмерным собратьям. Правда задача эта не простая - ведь необходимо увидеть реальную каустику и корректировать ее 'сияние' посылая волну как электронный луч кинескопа в нужном направлении. Возможно, такое устройство, настраиваемое прибором визуализации полей, скоро родится на основе синтеза малой магнитной рамочной антенны и антенны ЕН типа, относительно произвольно регулирующих фазу и напряженность составляющих полей в ближней зоне.
Лекция профессора закончилась. Слушатели стали потихоньку расходиться. Рождественский сон продолжался. - "Схоластика и словоблудие!" слышалось в след лирику-радиолюбителю, но он не обернулся и не стал возражать, а лишь весело улыбнулся. Улыбнулся и профессор, похожий на А.М. Бонч-Бруевича, потому что они оба кое-что знали и о самой схола́стике (название происходит от греческого σχολαστικός - учёный и Scholia - "школа"). Коридоры опустели, но улыбка профессора почему-то осталась висеть в воздухе, переливаясь, словно разноцветные огни новогодней елки. И все это сильно напоминало зазеркалье из 'Алисы в Стране чудес'.
2014 г. Андрей Карлеба, IP50AA
- © Copyright Карлеба Андрей Александрович (ua6agw@mail.ru)
- Размещен: 19/06/2015, изменен: 09/01/2016. 20k. Статистика.
- Эссе: Изобретательство
Связаться с программистом сайта.