Распространение волн в автомобиле

Распространение волн в автомобиле

 

Известно, что в твердой, жидкой или газообразной среде, обладающей упругостью, под действием внешних сил возникают колебательные движения, в результате которых происходит распространение волн. Колебания, это повторяющиеся изменения значения величины относительно некоторого среднего значения. Распространение колебаний в какой-либо среде и называется волнами. Вот о том, как происходит распространение волн в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

 

Волновод

 

Волноводы применяются для распространения электромагнитных волн. Для этой цели обычно служат двухпроводные и коаксиальные ка­бели, полосковые и микрополосковые линии передачи.

При высоких частотах переменный элек­трический ток, протекая по проводнику, распределяется не равномерно по сечению. С увеличением частоты он все более смеща­ется к поверхностному слою (скин-эффект). В двухпроводных линиях происходит допол­нительное смещение тока, протекающего по одному проводнику, в сторону другого прово­дника (эффект близости). В частности, увели­чиваются омические потери и, таким образом, происходит затухание линии.

Линия передачи обладает внутренним со­противлением, называемым волновым сопро­тивлением (характеристическим импедансом) Z. В линиях, используемых в автомобилях (ТЕМ-моды или L-линии) волновое сопро­тивление напрямую связано с емкостью С и индуктивностью L на единицу длины линии l:

Z = L/C

В таблице «Волновое сопротивление для некоторых типов линий передач» приведены формулы для расчета волнового сопротивления для некоторых типов линий передач.

 

Волновое сопротивление для некоторых типов линий передач

 

Волновое сопротивление также определя­ется отношением амплитуд электрического и магнитного полей электромагнитных волн, распространяющихся по линии:

Z = Ê/H

Линия с волновым сопротивлением Z, нагру­женная сопротивлением R, имеет коэффици­ент отражения, определяемый по формуле:

r = (R-Z)/(R+Z)

Произведение квадрата абсолютного значе­ния коэффициента отражения и падающей мощности линии выражает отраженную долю мощности:

Pr = [r]2·P0

Если линия нагружена согласующим резистором, мощность равна:

Pt = (1- [r]2 )·P0

В идеальном случае при R = Z коэффициент отражения r равен нулю. В этом случае от­раженная доля мощности отсутствует, таким образом, на согласующий резистор R будет передана полная мощность.

При высоких частотах и большой протяжен­ности линий напряжение и электрический ток на линии больше не постоянны. За опреде­ленный момент времени обе эти величины меняются вдоль линии. В этом случае в одних местах по всей длине линии передачи будет устанавливаться максимум амплитуды коле­баний напряжения, в то время как в других местах будет отмечено только минимальное напряжение. Соотношение максимальной и минимальной амплитуд на линии выражается коэффициентом стоячей волны S:

S = Umax/Umin

Если на одном конце линии возбуждается волна с синусоидальной функцией времени, а на другом конце линия нагружена резисто­ром, то коэффициент стоячей волны можно рассчитать по коэффициенту отражения:

S = 1+ [r]/1- [r]

В идеальном случае S = 1 отраженная волна отсутствует и амплитуда напряжения во всех местах на линии остается неизменной.

 

 

Направленные ответвители и согласующие трансформаторы

 

Направленные ответвители используются в со­четании с согласующими трансформаторами, для того чтобы передавать электромагнитную волну от одного волновода к другому. Согласую­щие трансформаторы уменьшают коэффициент отражения при переходе от одного волнового сопротивления к другому или при переходе от пары симметричных волноводов (например, двухпроводной линии) к асимметричному одному (например, к коаксиальной линии).

Направленные ответвители и согласующие трансформаторы обычно взаимно согласо­ваны, действуя как и в одном направлении, так и в обратном.

Распространение электромагнитных волн в свободном пространстве

 

Если волноводом является свободное про­странство, то волновое сопротивление (ха­рактеристический импеданс, Z0) равно:

Z= √μ00

При излучении электромагнитных волн в сво­бодном пространстве при помощи антенны, напряженность электрического поля связана с напряженность магнитного поля через вол­новое сопротивление Z0. Плотность потока энергии S электромагнитной волны, излучае­мой передатчиком, определяется через амплитуды напряженности электрического поля Ê и напряженности магнитного поля Н. В сво­бодном пространстве плотность потока энер­гии электромагнитной волны уменьшается обратно пропорционально квадрату расстоя­ния от передатчика:

S = 1/2Ê·H

S(r) = S(r0)·(r02/r2)

С другой стороны, напряженности электрического и магнитного полей снижаются обратно пропорционально расстоянию от передатчика:

Ê (r) = Ê(r0)·r0/r

H(r) = H(r0)·r0/r

В автомобилях приемник расположен так близко к передатчику, что образуется область ближнего поля. Радиопульты дистанционного управления, например, генерируют через токо­вые катушки магнитные поля, напряженность которых в области ближнего поля обратно про­порциональна кубу расстояния от передатчика.

 

 

Антенны

 

Направленный ответвитель от волновода, вы­ходящий в свободное пространство, называ­ется антенной. Антенны обычно являются вза­имными устройствами, то есть, используются в качестве передающих и приемных антенн.

Электромагнитные волны в свободном про­странстве состоят из переменных во времени электрического и магнитного полей. Векторы напряженности электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направ­лению распространения волны. Направление соответствующего электрического поля опре­деляет направление поляризации электромаг­нитной волны. В основном, антенны разрабо­таны таким образом, что они могут передавать и принимать волну с ориентацией вектора электрического (иногда и магнитного) поля только в одном единственном направлении. То есть, антенны передают только линейно поляризованную волну и, соответственно, принимают волну только одной определен­ной поляризации.

Существует различие между узкополос­ными антеннами (вибраторными антеннами, используемыми, например, для сетей GPS, GSM, Bluetooth, WLAN или даже УКВ) и широ­кополосными антеннами, которые использу­ются в транспортных средствах в качестве пе­редающих и приемных антенн для измерений на электромагнитную совместимость (ЕМС). Примером антенны с узким диапазоном частот является полуволновой вибратор со стержнем или тросом длиной l=0,96 λ/2 (λ — длина волны в свободном пространстве). Оптимальная длина становится короче для более толстых стержней, или, в случае необходимости, также посредством соединения с дополнительными емкостями. В сочетании с расширенной по­верхностью металла вибратора, длина одного λ/4-вибратора сокращается в два раза.

Диаграмма направленности полуволнового вибратораПримером широкополосной антенны яв­ляется логопериодическая антенна. В ней используются несколько полуволновых вибраторов разной длины, подключенных к двухпроводной линии. Не существует антенны, которая работала бы в режиме передачи равно­мерно во всех направлениях. Кроме того, нет антенны, которая бы действовала в режиме приема во всех направлениях одинаково хо­рошо. Работу антенны в зависимости от на­правления характеризует диаграмма направ­ленности (также ее называют характеристикой направленности антенны). На рис. «Диаграмма направленности полуволнового вибратора» показана диаграмма направленности полуволнового вибратора, установленного в вертикальной секции вибраторной антенны. На диаграмме отложены значения плотности потока энергии при разных углах.

Часто интерес представляет не вся диа­грамма направленности, но только изображен­ный на ней максимум, указывающий предпо­чтительное для данной антенны направление. Ориентирование антенны таким образом по­зволяет добиться максимальной плотности потока энергии излучения Smax на поверхности антенны в режиме передачи:

D0 = Smax/S0

Коэффициент усиления антенны G приводится в децибеллах:

G = 10·logD0

Потери усиления антенны, как правило, также связаны с коэффициентом усиления G, ко­торый становится меньше, чем в идеальном случае. Та же направленность и тот же коэф­фициент усиления антенны применимы и для режима приема. В этом случае эти параметры показывают, насколько меняется подводимая мощность антенны по сравнению с эталонной антенной. В стандартах ЕМС расчеты произво­дятся не по коэффициенту усиления антенны, а с помощью антенного фактора AF:

AF = 20 log(E/U)

Антенный фактор указывает на то, что ампли­туда напряжения U (в вольтах) падает при под­ключении к антенне входного сопротивления измерительного устройства, когда устанав­ливается электрическое поле с амплитудой Е (В/м). Тот же антенный фактор применяется в режиме передачи при амплитуде напряжения U (в вольтах), когда на выходе передающей антенны имеется излучаемая волна, характе­ризуемая электрическим полем с амплитудой Е (В/м).

Коэффициент усиления антенны и антен­ный фактор могут быть преобразованы один в другой:

AF = 10 log(4π·Z02RL) — G

где:

RL — входное сопротивление измеритель­ного устройства и антенного входа (Ом, как правило, 50 Ом);

Z0 — волновое сопротивле­ние свободного пространства (равное 377 Ом);

λ-длина волны (м).

В следующей статье я расскажу об электрических эффектах в металлических проводниках.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *