4.2.4. Электромагнитное поле в ближней и дальней зонах элементарного электрического излучателя

Анализ составляющих поля, создаваемого элементарным электрическим излучателем, показывает, что они не равноценно изменяют свои значения с изменением расстояния электромагнитной волной, хотя последняя и имеет характер сферической волны. Если расстояние r до искомой точки пространства принято выражать в волновых числах, то это расстояние представится в виде произведения кr [1-6]. Измеряя окружающее излучатель пространство в величинах кr, можно установить одинаковую закономерность распространения электромагнитных волн для следующих трех зон:

- ближняя, для которой параметр кr << 1;

- промежуточная, для которой параметр кr = 1;

- дальняя, для которой параметр кr >> 1.

Рассматривая зоны, видим, что промежуточная зона является разделяющей между ближней и дальней. Поэтому промежуточная зона интереса не представляет. Важными для связистов флота, с точки зрения изучения физических процессов, являются ближняя и дальняя зоны. Физические процессы, протекающие в ближней зоне, представляют интерес при решения проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в условиях ограниченной площади и высокой насыщенности излучателями. При этом, под электромагнитной совместимостью РЭС понимается беспомеховая работа средств в заданной электромагнитной обстановке. Дальняя зона, в особенности физические процессы, представляют интерес с целью передачи информации на надводные корабли, подводные лодки и летательные аппараты, находящиеся в удаленных районах Мирового океана. Ниже исследованы ближняя и дальняя зоны с целью установления параметров электромагнитной волны и закономерностей ее распространения.

4.2.4.1.Поле элементарного электрического излучателя в ближней зоне

Ближняя зона (или зона индукции) ограничена расстоянием от излучателя, измеряемым в волновых числах, равным кr << 1 или r << (λ/ 2π). (4.19)

Если принять условие (4.19), то можно упростить формулы (4.16) и (4.18) по следующим причинам:

- в выражениях для составляющих поля Н_φ, Е_θ и Е_r члены ряда 1/ кr, 1/(кr)² и 1/ (кr)³ образуют неравенство

1 1 1

―― >> ―― >> ―― , (4.20)

(кr)³ (кr)² (кr)

в котором членами ряда 1/(кr) и 1 /(кr)² в виду их малости можно пренебречь;

- фазовый множитель стремится к единице

l i m е ^{– j к r} = 1 ,

^(кr)→0

это означает, что все процессы в ближней зоне происходят мгновенно, то есть фаза составляющих поля для этой зоны совпадает с фазой тока излучателя и, следовательно, фазовый множитель можно из формул исключить.

Учитывая выполненный анализ поля, формулы для ближней зоны примут вид: I l

Е _r = ─ j ――― cosθ;

2 πωε r³

I l

Е _θ = ─ j ――― sinθ; (4.21)

4 πωε r²

I l

Н _φ = ――― sinθ;

4 π r²

E _φ = Η _θ = Η _r = 0.

Таким образом, в системе (4.21) приведены выражения для всех составляющих поля элементарного электрического излучателя в ближней зоне. Анализ составляющих позволяет дать следующую характеристику физических процессов, происходящих в ближней зоне диполя [1-6]:

1. Отсутствие в выражениях (4.21) фазового множителя указывает на то, что все электромагнитные процессы в ближней зоне происходят мгновенно. Такой режим, который позволяет не учитывать фазу векторов поля в ближней зоне, называется квазистатическим.

2. Поле, описываемое выражениями (4.21), не имеет волнового характера. Это объясняется тем, что основной вклад в уровень напряженности электрического поля в ближней зоне вносят электрические заряды или статическое электричество. На рисунке 2.8 представлена структура поля для ближней зоны в виде физической и математической моделей. Таким образом, рисунок 4.8 дает полное описание структуры поля ближней зоны.

3. Рассматривая векторы поля, можно заметить, что суммарный вектор электрического поля, равный Σ Е = Е _θ + Е _r, располагается вдоль мнимой отрицательной оси, а вектор магнитного поля Н _φ – вдоль действительной оси. Следовательно, векторы Н и Е сдвинуты по фазе на угол π / 2, причем магнитный вектор опережает электрический. Отставание электрического поля по фазе объясняется наличием зарядов, как инерционной системы, влияющей на структуру поля ближней зоны. Запаздывание приводит к тому, что, когда по времени напряженность магнитного поля в ближней зоне максимальна, напряженность электрического поля в это же время равна нулю. Это означает, что в моменты времени кратные π / 2 в ближней зоне существует либо магнитное поле и отсутствует электрическое, либо существует электрическое и отсутствует магнитное поле. К чему же приводит существующий сдвиг по фазе между векторами?

Z

Е _В

divE _В = 0;

Е _ст rot E _В = ─ jωμ H _В.

rot E _ст = 0 ; δ

divE _ст = ρ / ε . Н _В

div H _В = 0;

rot H _В = δ + jωD.

Заряды электрические

Рис. 4.8

4. Сдвиг по фазе между векторами вызывает движение энергии поля за период π /2 от источника, а в следующий период π / 2 – к источнику, то есть каждые четверть периода вектор Пойнтинга меняет направление. Следствием этого физического процесса явилось второе определение ближней зоны как индукционной зоны. На рисунке 4.9 показан колебательный характер поля.

Таким образом, рисунок 4.9 наглядно обосновывает изменение направления вектора Пойнтинга, каждый период которого равен π / 2 от полного колебательного периода. Это значит, что основная часть энергии поля ближней зоны колеблется, меняя направление перемещения, то возбуждается сторонними источниками в окружающем излучатель пространстве, то снова возвращается полем к сторонним источникам в излучателе.

x

Н _х

z

Е_у

у

Н_х Е_у

П П П

z

у Е _у Е _у Н _х Н _х

π / 2 π / 2 π / 2

Рис. 4.9