Излучение и прием электромагнитных волн: Излучение и прием электромагнитных волн: принцип, антенны, формулы

Содержание

Излучение и прием электромагнитных волн: принцип, антенны, формулы

Пример HTML-страницы

С энергетической точки зрения электромагнитная волна может рассматриваться как процесс переноса энергии от источника излучения в окружающее пространство. Каждую секунду источник через передающую антенну излучает энергию, численно равную его мощности Р, и эта энергия уходит в окружающее пространство, подобно расходящимся кругам на воде.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Энергию, проходящую при этом через единицу площади картинной плоскости, находящейся на некотором расстоянии R от передающей антенны в единицу времени, называют вектором Пойнтинга (размерность Вт/м2).

Среднее значение данного вектора по поверхности сферы радиуса R с центром в точке размещения передающей антенны составляет, очевидно, Здесь W — усреднение по поверхности сферы, — площадь этой поверхности. Следует подчеркнуть, что приведенная зависимость имеет место только в идеализированных условиях распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.

В реальных условиях вид этой зависимости существенно изменяется, о чем будет сказано в следующем пункте.

Поскольку передающие антенны имеют обычно направленные свойства, так что в различные направления излучают сигналы различной интенсивности, в каждом конкретном направлении модуль вектора Пойнтинга не равен среднему значению, а отличается от него в число раз, равное усилению по мощности G передающей антенны в рассматриваемом направлении:

Выражение (1.2) представляет собой фактически определение коэффициента усиления антенны в любом выбранном направлении, согласно которому, он есть отношение , измеренное в этом направлении.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В соответствии с законом сохранения энергии, чем большая часть мощности источника переносится волной в данном направлении, тем меньшая часть этой мощности излучается в других направлениях. Поэтому, чем больше коэффициент усиления антенны, тем уже диаграмма ее направленности.

Известно следующее ориентировочное соотношение, отображающее описанную зависимость

где G — коэффициент усиления в направлении максимума диаграммы; — раствор (в градусах) диаграммы направленности антенны в двух ортогональных плоскостях (по уровню минус 3 дБ).

Перейдем теперь к энергетическим соотношениям при приеме электромагнитных волн. Для ряда антенн, включая и зеркальные, можно исходить из того, что антенна, в идеале без потерь, собирает всю энергию электромагнитной волны, падающую на ее поверхность.

Таким образом, мощность на выходе приемной антенны определяется произведением вектора Пойнтинга на площадь проекции антенны на картинную плоскость принимаемой волны:

В выражении (1.4) под S следовало бы понимать геометрическую площадь , если бы вся она одинаково эффективно использовалась антенной. Фактически это в силу ряда причин не так; поэтому в (1.4) должна подставляться так называемая эффективная площадь антенны, несколько меньшаягде — коэффициент использования площади, величина по определению меньше единицы (0,5-0,8). В приведенных соотношениях передающая антенна характеризуются коэффициентом усиления, а приемная — эффективной площадью.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

Между тем каждая антенна, вообще говоря, может быть использована и как приемная, и как передающая. Поэтому любая антенна может быть эквивалентно охарактеризована любой из указанных двух характеристик.

В теории антенн доказана справедливость следующего соотношения между этими характеристиками одной и той же антенны

Выше отмечалось, что прямая связь эффективной площади антенны с геометрической площадью проекции антенны на картинную плоскость имеет место не всегда. Так, штыревые антенны вообще не имеют площади, а для широко распространенных спиральных антенн сверх того еще существенную роль играет и размер спирали, измеренный вдоль направления распространения.

Тем не менее любым антеннам может быть, в соответствии с (1. 6), приписана эффективная площадь, после чего по (1.4) можно определить и мощность принимаемого антенной сигнала. При этом если исходным является коэффициент усиления в данном направлении, обозначенном в (1.6) индексом 1, то и эффективная площадь определяется для этого направления и мощность принятого сигнала оценивается при облучении антенны волной с этого направления.

Естественно, что для каждой антенны существует такое направление, в котором ее усиление, а следовательно, и эффективная площадь, максимальны. Когда говорят об эффективной площади антенны без указания направления имеют ввиду именно максимальную площадь.

Антенны, применяемые в случае излучения и приема радиоволн, рассчитываются на волны определенной поляризации. Так, если в качестве антенны используется штырь, то в идеале он формирует (принимает) только те радиоволны, направление поляризации которых параллельно этому штырю.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

С теми же волнами будут согласованы и зеркальные или рупорные антенны, в которых такие штыри используются в качестве облучателей. Очевидно, что антенна, согласованная с данной линейной поляризацией, не должна принимать сигнал ортогональной к ней поляризации.

Могут быть созданы антенны, согласованные с волнами круговой поляризации. Например, можно в качестве такой антенны использовать пару перпендикулярных друг другу штырей, размещенных в картинной плоскости принимаемой волны (рис 1.4). Сигнал с выхода одного из штырей должен пропускаться через фазовращатель на 90°, после чего суммироваться с выходным сигналом другого штыря.

Знак фазового сдвига должен быть выбран соответствующим направлению вращения круговой поляризации принимаемого сигнала. При наличии согласования сигналы на входах сумматора окажутся синфазными, так что будет происходить когерентное их суммирование.

Если на ту же схему подать волну противоположного вращения, то сигналы на входах сумматора окажутся противофазными и будут в сумматоре полностью компенсироваться. Итак, антенна, идеально согласованная с волной круговой поляризации одного направления вращения, совершенно не принимает волну с противоположной круговой поляризацией.

Таким образом, как при линейной, так и при круговой поляризации существует по две ортогональные их разновидности и при том такие, что антенна, идеально согласованная с одной из них, совершенно не реагирует на другую, и наоборот.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Легко видеть, что линейная и круговая поляризация между собой ортогональными не являются. Антенна круговой поляризации принимает линейно поляризованную волну и, наоборот, антенна линейной поляризации принимает волну круговой поляризации с небольшим ослаблением (около 3 дБ).

Отметим, что электромагнитная волна с эллиптической поляризацией может быть представлена как сумма двух составляющих с ортогональными круговыми поляризациями. Возможность такого представления поясняется рис 1.5, где изображены линейно поляризованные составляющие исходной, эллиптически поляризованной волны и две волны с круговой поляризацией, на которые она может быть разложена.

Рис 1.5 представляет пространственное положение векторов в картинной плоскости волны. Что касается их изменения во времени, то следует помнить, что фаза горизонтальных векторов сдвинута на 90° относительно вертикальных.

Однако изменение пространственного положения вектора на противоположное означает одновременно и поворот его фазы во времени на 180°; поэтому, если первая волна правой части рисунка имеет правую круговую поляризацию, то второй вектор — левую.

(Рисунок иллюстрирует равенство волны, представленной в его левой части, сумме двух волн, показанных справа.)

Данные рис. 1.5 показывают, что для волны с коэффициентом эллиптичности , отношение мощностей составляющих волн основной и ортогональной круговых поляризаций составляет

Поскольку приемная антенна радиолинии предназначается для приема основной поляризации принимаемой волны, дополнительная (ортогональная) оставляющая ею не принимается. Поэтому передача сигнала с эллиптической поляризацией приводит к потерям мощности сигнала в радиолинии:

раз, даже при использовании приемной антенны с идеальной круговой поляризацией.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В системах связи часто реализуется возможность повышения эффективности использования полосы рабочих частот за счет одновременной передачи совпадающих по спектру радиоволн на ортогональных поляризациях.

При этом идеальное разделение таких волн может быть достигнуто только при идеальной поляризации как в передающей, так и в приемной антеннах.

Применительно к круговой поляризации, неидеальность поляризационных свойств антенны определяется коэффициентом эллиптичности волны, создаваемой антенной при работе на передачу.

Эту неидеальность можно характеризовать также уровнем кроссполяризации , показывающей, во сколько раз (по мощности) антенна, при ее работе на прием, лучше принимает сигнал с той поляризацией, на которую она рассчитана, чем с ортогональной к ней. Вышеизложенное позволяет установить следующую связь между двумя указанными показателями:

Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электромагнитная волна— возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью света.

Электромагнитная волна является поперечной: направления векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов.

Плотность энергии электромагнитного поля в вакууме пропорциональна квадрату напряженности электрического поля:

Плотность энергии электромагнитного поля

в вакууме пропорциональна квадрату напряженности электрического поля:

где ε₀— диэлектрическая проницаемость вакуума.

Уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля, распространяющейся в положительном направлении оси X со скоростью v:

Длина волны— расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника:

Плоскополяризованная (или линей-нополяризованная) электромагнитная волна — волна, в которой вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Плоскость поляризации электромагнитной волны — плоскость, проходящая через направление колебаний вектора напряженности электрического поля и направление распространения волны.

Фронт электромагнитной волны —

поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Плотность потока энергии электромагнитной волны — мощность электромагнитного излучения, проходящая сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.

Интенсивность электромагнитной волны — среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны.

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля:

Интенсивность излучения точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника: Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты: Спектр электромагнитных волн условно делят на восемь диапазонов частот (длин волн) (табл. 7):

волны звуковых частот;
радиоволны;
СВЧ (микроволновое) излучение;
инфракрасное (ИК) излучение;
видимый свет;
ультрафиолетовое (УФ) излучение;
рентгеновское излучение;
γ-излучение.

Таблица 7

Источники электромагнитного излучения различных диапазонов частот

Радиосвязь — передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.

Различают четыре вида радиосвязи,

отличающиеся типом кодирования передаваемого сигнала (см. табл. 6):

радиотелеграфная связь;
радиотелефонная связь и радиовещание;
телевидение;
радиолокация.

Модуляция передаваемого сигнала — кодированное изменение одного из его параметров.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

Ширина канала связи — полоса частот, необходимая для передачи данного звукового сигнала.

Детектирование (или демодуляция) — процесс выделения низкочастотных звуковых колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.

Частотная модуляция — изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала

Источник:

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В. А., 2002 год),
задача №57
к главе «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

».

Все задачи

← Ответы на вопросы «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 53. Радиотелефонная связь, радиовещание»

Ответы на вопросы «Геометрическая оптика. § 54. Принцип Гюйгенса» →

Электромагнитные волны | Волны: очень краткое введение

Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicWaves: A Very Short IntroductionVery Short IntroductionsАтомная, молекулярная и оптическая физикаЭлектромагнетизм, оптика и акустикаPhysicsBooksJournals Мобильный телефон Введите поисковый запрос

Закрыть

Расширенный поиск

Иконка Цитировать Цитировать
Разрешения
Делиться
- Твиттер
- Подробнее

Укажите

Голдсмит, Майк, «Электромагнитные волны», Waves: A Very Short Introduction , Very Short Introductions (

Oxford

, 2018; онлайн-издание, Oxford Academic, 22 ноября 2018 г. ), https://doi.org/10.1093/ actrade/9780198803782.003.0006, по состоянию на 13 марта 2023 г.

Выберите формат Выберите format.ris (Mendeley, Papers, Zotero).enw (EndNote).bibtex (BibTex).txt (Medlars, RefWorks)

Закрыть

Advanced Search

Abstract

В книге «Электромагнитные волны» рассматривается история научных исследований электромагнитного спектра, включая открытие Эйнштейном квантовой природы электромагнитного излучения.

Это объясняет, что единственная разница между светом, радиоволнами и всеми другими формами электромагнитного излучения заключается в длине фиктивных, но удобных волн или, что то же самое, в энергии задействованных фотонов. Эти различные энергии приводят к различным механизмам образования и поглощения различных видов излучения, и именно это вызывает их различное поведение. Обсуждаются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Ключевые слова: поглощение, фоновое излучение, Большой взрыв, космический микроволновый фон, эффект Доплера, электромагнитный спектр, Христиан Гюйгенс, свет, излучение, радио, скорость поглощения света, фоновое излучение, Большой взрыв, космический микроволновый фон, эффект Доплера, электромагнитный спектр, Христиан Гюйгенс , свет, радиация, радио, скорость света

Предмет

ФизикаАтомная, молекулярная и оптическая физикаЭлектромагнетизм, оптика и акустика

Серия

Краткие введения

В настоящее время у вас нет доступа к этой главе.

Доступ к контенту в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту одним из следующих способов:

Доступ на основе IP

Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов. Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с IP-аутентификацией.

Войдите через свое учреждение

Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения. Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.

Щелкните Войти через свое учреждение.
Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа.
При посещении сайта учреждения используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.

Войти с помощью читательского билета

Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.

Члены общества

Доступ члена общества к журналу достигается одним из следующих способов:

Войти через сайт сообщества

Многие общества предлагают единый вход между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Если вы видите «Войти через сайт сообщества» на панели входа в журнале:

Щелкните Войти через сайт сообщества.
При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.

Вход через личный кабинет

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам. См. ниже.

Личный кабинет

Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.

Просмотр учетных записей, вошедших в систему

Щелкните значок учетной записи в правом верхнем углу, чтобы:

Просмотр вашей личной учетной записи и доступ к функциям управления учетной записью.
Просмотр институциональных учетных записей, предоставляющих доступ.

Выполнен вход, но нет доступа к содержимому

Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции. Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.

Ведение счетов организаций

Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.

Покупка

Наши книги можно приобрести по подписке или купить в библиотеках и учреждениях.

Информация о покупке

Электромагнитные поля и общественное здоровье: мобильные телефоны

Учитывая большое количество пользователей мобильных телефонов, важно исследовать, понимать и контролировать любое потенциальное воздействие на здоровье населения.

Мобильные телефоны общаются, передавая радиоволны через сеть стационарных антенн, называемых базовыми станциями. Радиочастотные волны представляют собой электромагнитные поля и, в отличие от ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи или гамма-лучи, не могут ни разорвать химические связи, ни вызвать ионизацию в организме человека.

Уровни воздействия

Мобильные телефоны представляют собой маломощные радиочастотные передатчики, работающие на частотах от 450 до 2700 МГц с пиковой мощностью от 0,1 до 2 Вт. Трубка передает питание только тогда, когда она включена. Мощность (и, следовательно, радиочастотное воздействие на пользователя) быстро падает с увеличением расстояния от телефона. Таким образом, человек, использующий мобильный телефон на расстоянии 30–40 см от тела, например, при обмене текстовыми сообщениями, доступе в Интернет или использовании устройства «свободные руки», будет подвергаться гораздо меньшему воздействию радиочастотных полей, чем тот, кто держит телефон напротив. их голова.

В дополнение к использованию устройств «свободные руки», которые удерживают мобильные телефоны подальше от головы и тела во время телефонных разговоров, воздействие также снижается за счет ограничения количества и продолжительности звонков. Использование телефона в зонах с хорошим приемом также снижает воздействие, поскольку позволяет телефону передавать с пониженной мощностью. Эффективность использования коммерческих устройств для уменьшения воздействия радиочастотного поля не доказана.

Мобильные телефоны часто запрещены в больницах и в самолетах, поскольку радиочастотные сигналы могут мешать работе некоторых электромедицинских устройств и навигационных систем.

Есть ли какие-либо последствия для здоровья?

За последние два десятилетия было проведено большое количество исследований, чтобы оценить, представляют ли мобильные телефоны потенциальный риск для здоровья. На сегодняшний день не установлено никаких неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных использованием мобильных телефонов.

Кратковременное воздействие

Нагревание тканей является основным механизмом взаимодействия радиочастотной энергии с телом человека. На частотах, используемых мобильными телефонами, большая часть энергии поглощается кожей и другими поверхностными тканями, что приводит к незначительному повышению температуры мозга или любых других органов тела.

В ряде исследований изучалось влияние радиочастотных полей на электрическую активность мозга, когнитивные функции, сон, частоту сердечных сокращений и кровяное давление у добровольцев. На сегодняшний день исследования не предлагают каких-либо последовательных доказательств неблагоприятных последствий для здоровья от воздействия радиочастотных полей на уровнях ниже тех, которые вызывают нагрев тканей. Кроме того, исследования не смогли подтвердить причинно-следственную связь между воздействием электромагнитных полей и симптомами, о которых сообщали сами пациенты, или «электромагнитной гиперчувствительностью».

Долгосрочные эффекты

Эпидемиологические исследования, изучающие потенциальные долгосрочные риски воздействия радиочастот, в основном искали связь между опухолями головного мозга и использованием мобильных телефонов. Однако, поскольку многие виды рака невозможно обнаружить в течение многих лет после взаимодействия, которое привело к опухоли, и поскольку мобильные телефоны не были широко распространены до начала 1990-х годов, эпидемиологические исследования в настоящее время могут оценивать только те виды рака, которые проявляются в течение более коротких периодов времени. Однако результаты исследований на животных постоянно показывают отсутствие повышенного риска развития рака при длительном воздействии радиочастотных полей.

Несколько крупных многонациональных эпидемиологических исследований завершены или продолжаются, включая исследования случай-контроль и проспективные когортные исследования, в которых изучается ряд конечных точек здоровья у взрослых. Крупнейшее на сегодняшний день ретроспективное исследование случай-контроль на взрослых, Interphone, координируемое Международным агентством по изучению рака (IARC), было разработано для определения связи между использованием мобильных телефонов и раком головы и шеи у взрослых.

Международный объединенный анализ данных, собранных из 13 стран-участниц, не выявил повышенного риска развития глиомы или менингиомы при использовании мобильных телефонов более 10 лет. Есть некоторые признаки повышенного риска глиомы у тех, кто сообщил о самых высоких 10% кумулятивных часов использования сотового телефона, хотя не было последовательной тенденции увеличения риска с большей продолжительностью использования. Исследователи пришли к выводу, что предубеждения и ошибки ограничивают силу этих выводов и препятствуют причинно-следственной интерпретации.

Основываясь главным образом на этих данных, IARC классифицировал радиочастотные электромагнитные поля как потенциально канцерогенные для человека (группа 2B). Эта категория используется, когда причинно-следственная связь считается достоверной, но нельзя с достаточной степенью уверенности исключить случайность, предвзятость или искажение.

Хотя повышенный риск развития опухолей головного мозга не установлен, рост использования мобильных телефонов и отсутствие данных об использовании мобильных телефонов за периоды более 15 лет требуют дальнейших исследований использования мобильных телефонов и риска развития рака мозга. В частности, в связи с недавней популярностью использования мобильных телефонов среди молодых людей и, следовательно, потенциально более длительным сроком воздействия, ВОЗ содействовала дальнейшим исследованиям этой группы. В настоящее время проводится несколько исследований по изучению потенциального воздействия на здоровье детей и подростков.

Ответ ВОЗ

В ответ на обеспокоенность общественности и правительства ВОЗ в 1996 г. учредила Международный проект по электромагнитным полям (ЭМП) для оценки научных данных о возможном неблагоприятном воздействии электромагнитных полей на здоровье. К 2016 г. ВОЗ проведет официальную оценку риска всех изученных последствий для здоровья от воздействия радиочастотных полей. Кроме того, как отмечалось выше, Международное агентство по изучению рака (IARC), специализированное учреждение ВОЗ, провело обзор канцерогенного полей, как с мобильных телефонов в мае 2011 г.

ВОЗ также определяет и продвигает приоритеты исследований в области радиочастотных полей и здоровья, чтобы заполнить пробелы в знаниях посредством своих программ исследований.

ВОЗ разрабатывает информационные материалы для общественности и способствует диалогу между учеными, правительствами, промышленностью и общественностью для повышения уровня понимания потенциальных неблагоприятных рисков для здоровья, связанных с мобильными телефонами.

(1) Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Заявление об «Руководстве по ограничению воздействия изменяющихся во времени электрических, магнитных и электромагнитных полей (до 300 ГГц)» , 2009.\r\n

(2) Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Стандарт IEEE для уровней безопасности в отношении воздействия на человека радиочастотных электромагнитных полей, от 3 кГц до 300 ГГц , IEEE Std C95.1, 2005 г. :00.0000000+00:00″,»image»:»https://cdn.who.int/media/images/default-source/imported/who_059542.jpg?sfvrsn=2334a18a_3″,»издатель»:{«@type «:»Организация»,»название»:»Всемирная организация здравоохранения: ВОЗ»,»логотип»:{«@type»:»ImageObject»,»url»:»https://www.

Излучение и прием электромагнитных волн: принцип, антенны, формулы

Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона.