Изучение прикладных вопросов электродинамики в курсе общей физики может сопровождаться экспериментами по моделированию трасс распространения электромагнитных волн, которые могут быть в определенной степени отнесены к категории учебных исследовательских экспериментов. В данной статье мы рассмотрим только моделирование подстилающей поверхности и влияние зонных кольцевых экранов.

При моделировании трассы распространения электромагнитных волн необходимо учитывать следующие параметры земной поверхности: проводимость и диэлектрическая проницаемость, степень шероховатости поверхности.

Распространение электромагнитных волн над поверхностью земли в элементарном случае может быть охарактеризовано как прямой волной, так и рассеянной от подстилающей поверхности, так что в точке приема происходит сложение этих волн. Поскольку условия когерентности в этом случае практически выполняются всегда, то принимаемый сигнал представляет собой результат интерференции. Элементарная модель плоской, идеально проводящей земли, позволяющая использовать метод зеркальных изображений, не может дать удовлетворительный результат даже в случае гладкой поверхности, поскольку не учитывается поглощение [1, c.434].

Реальные трассы распространения электромагнитных волн можно охарактеризовать эффективной (кажущейся) диэлектрической проницаемостью, которая определяет отражение от поверхности, и величина которой в значительной степени определяется содержанием влаги в земной поверхности. Этим же фактором определяется поглощение в земной поверхности, поскольку влажные вещества обычно обладают более высокой проводимостью. При прочих равных условиях коэффициент отражения и коэффициент поглощения больше от поверхностей с большей комплексной диэлектрической проницаемостью, поскольку в ней наводятся большие по величине токи проводимости или смещения. Высота неровностей характеризует характер отражения: от почти зеркального при ровных поверхностях до приблизительно равномерного во всех направлениях при неровностях, характерный размер которых существенно превышает длину волны.

Создание теоретических (математических) моделей трасс распространения электромагнитных волн связано с существенными трудностями, которые приводят к сильной идеализации и, как следствие, к непригодности таких моделей для исследования. Большая часть трудностей связана с тем, что в действительности подстилающая поверхность обладает резкой неоднородностью. Статистические методы описания в моделях подстилающей поверхности предполагают изотропность статистических характеристик, что непригодно для описания большинства реальных земных поверхностей.

Именно поэтому при прокладке трасс распространения радиоволн и в радиолокационной практике для оценки влияния подстилающей поверхности с конца 50-х годов прошлого века используется экспериментальное моделирование. Лабораторные измерительные установки с использованием участков реальных земных поверхностей уникальны. В частности, можно назвать лабораторную установку пионера в этой области - Университета шт. Огайо, а также лабораторную установку Станции технических исследований Армии США. В этой измерительной установке для проведения экспериментов участки земной поверхности с характерными размерами 2 мЧ4 м ввозились в лабораторию на тележке [2, с.117]. Экспериментальное моделирование трассы распространения электромагнитных волн радиодиапазона может быть осуществлено с использованием демонстрационной установки ПЭВ. В качестве источника излучения используется СВЧ-генератор 3 см-диапазона с амплитудной модуляцией 1000 Гц, нагруженный на излучающий пирамидальный рупор. В качестве приемного устройства используется пирамидальный рупор с детекторной секцией, оконечная аппаратура представлена усилителем и милливольтметром.

Рис.1. Схема эксперимента по моделированию подстилающей поверхности модель подстилающей поверхности СВЧ-генератор

В процессе эксперимента модель подстилающей поверхности перемещается в вертикальной плоскости. Если в качестве модели использовать плоский металлический лист, то фактически имеем дело со стандартным демонстрационным экспериментом по интерференции электромагнитных волн, при котором интерференционные замирания сигнала достигают значений 15 - 18 дБ. Модели с различной характерной высотой неровностей - существенно меньше длины волны, сравнимой с длиной волны и много большей длины волны - могут изготавливаться группами студентов. В эксперименте измеряется входной сигнал, и оцениваются интерференционные замирания сигнала, характеризующие коэффициент рассеяния и поглощения.

При проектировании реальных трасс распространения электромагнитных волн необходимо учитывать потери на распространение в свободном пространстве. Для уменьшения таких потерь используют зонные кольцевые экраны.

Рассмотрим свободное пространство между передающей и приемной антенной как совокупность вторичных элементарных источников, объединенных по известному принципу в кольцевые зоны Френеля. Радиус первой зоны Френеля , аналогично для n-ой зоны Френеля , где L - расстояние между передающей и приемной антенной, ? - длина электромагнитной волны. Для нахождения поля излучения в точке наблюдения необходимо найти результат интерференции элементарных источников в этой точке. Если обозначить поля, создаваемые соответствующими зонами Е₁, Е₂, Е₃ и т.д., то для поля в точке наблюдения М:

.

Поля излучения элементарных источников от соседних зон Френеля в точке наблюдения почти одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе, следовательно, взаимно компенсируются. Таким образом, вклад зон Френеля с большими номерами несущественен, а волна распространяется прямолинейно, поскольку только в этом направлении все элементарные источники дают максимум в интерференционном распределении. Наибольший отрицательный вклад в амплитуду результирующего сигнала, очевидно, вносят элементарные источники, расположенные во второй зоне Френеля, имеющей вид кольца с минимальным радиусом и максимальным радиусом . Если рассмотреть неполный фазовый фронт волны с изъятой второй зоной Френеля, то теоретически сигнал должен возрасти почти в два раза. Поэтому можно экранировать на трассе распространения электромагнитных волн вторую зону Френеля для усиления сигнала и частичной компенсации потерь в свободном пространстве.

Эксперимент по исследованию распространения радиоволн на трассе с учетом зонных кольцевых экранов требует несложного дополнительного оборудования. Это изготовленное из картона и оклеенное алюминиевой фольгой кольцо, имеющее размеры второй зоны Френеля. Это кольцо размещается на стандартной стойке посередине между приемной и передающей рупорной антенной. Измеряются уровни принимаемого сигнала в отсутствие и при наличии зонного кольца. В эксперименте наблюдается почти двукратное увеличение сигнала. Теоретические значения не могут быть достигнуты в эксперименте, поскольку устранить полностью мешающие отражения не представляется возможным.

Схема эксперимента изображена на рис.2. На фото в качестве оконечной аппаратуры показан осциллограф.

Постановка исследовательских экспериментов, имеющих прикладной характер, в общей дидактической системе преподавания курса общей физики существенным образом способствует внедрению элементов технологии контекстного обучения. Именно такие модельные эксперименты используются в инженерной практике расчета трасс радиолиний, в том числе трасс для сотовой радиотелефонной связи (1800 - 1900 МГц) и коммуникационных трасс Wi-Fi IEEE 802.11b, g, (2 - 6 ГГц).

Рис.2. Эксперимент с зонным кольцевым экраном

Литература

курс общая физика моделирование трасса электромагнитная волна

1. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие. / В.В. Никольский. - М.: Наука, 1978.

2. Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника. - М: Советское радио, 1976. - Т 1.

Размещено на Allbest.ru