Лекція № 17: “Елементарні рамковий та щілинний вібратори. Елемент Гюйгенса” Елементарний рамковий вібратор Якщо елементарний електричний вібратор, подібний до розглянутого раніше, зігнути в кільце навколо осі г, то отримаємо елементарний рамковий (кільцевий) вібратор зі структурою поля, що збуджується струмом І (рис.1, а. Із рис.1, а випливає, що при зазначеному просторовому положенні рамкового вібратора його поле симетричне відносно осі z.
Рис.1 Елементарний рамковий вібратор Оскільки в точках з координатами
напруженості електричного поля однакові за модулем і протилежні за напрямом (знаком), то в будь-якій точці на осі z при
результуюча напруженість Е = 0, а при
результуюча напруженість досягає максимального значення. Тому в будь-якому вертикальному перерізі діаграма спрямованості має форму горизонтальної «вісімки» (рис.1,б), тобто
, а в горизонтальному — форму кола (рис.1, в), тобто
. Таким чином, ДС рамкового вібратора має вигляд, подібний до зображеного ДС елементарного електричного вібратора, при якому рамка не випромінює вдовж осі z. Тому рамковий вібратор можна розглядати як умовний елементарний електричний вібратор, що збуджується гіпотетичним магнітним струмом
. При цьому відносно диполя Герца з електричним струмом у структурі поля (рис.1, а) силові лінії Е замінюються лініями Н і, навпаки, силові лінії Н замінюються на лінії Е на підставі властивості переставної двоїстості рівнянь Максвелла. Такий диполь зі струмом
, еквівалентний за своєю дією елементарному витку з електричним струмом, називають магнітним диполем. Основні співвідношення для компонентів поля, що характеризують рамковий вібратор, такі:

де
- площа витка радіусом R та довжиною
На підставі аналізу наведених виразів випливає, що за інших однакових умов потужність випромінювання диполя Герца перевищує потужність випромінювання елементарного рамкового вібратора в
рази. Наприклад, при
, або
. відповідні перевищення потужності випромінювання сягають 400 та 40 000 раз. Тому одновиткові рамкові антени доцільно використовувати лише як приймальні. 2. Елементарний щілинний вібратор
Рис.2 Елементарний щілинний вібратор Якщо в необмеженому металевому листі прорізати щілину з розмірами, значно меншими за довжину хвилі, та до її країв прикласти змінну напругу U, то в розкриві щілини виникне змінне електричне поле напруженістю Е. Далі на підставі першого та другого рівнянь Максвелла, що описують відповідні фізичні явища у просторі, створюється власне електромагнітна хвиля. Таким чином, можна отримати елементарний щілинний вібратор, еквівалентом якого за структурою поля можна вважати магнітний диполь, орієнтований удовж осі z. З розгляду рис.2 випливає, що в далекій зоні домінують складові
та
, а нормована ДС має форму тороїда, оскільки характеристика спрямованості щілини
,
подібна до зображеної на ДС елементарного електричного вібратора. Щілина випромінюватиме, якщо вона перетинатиме лінії струмів провідності в металевому листі, наприклад у стінці хвилеводу. 3. Елемент Гюйгенса Елементарні вібратори, які вже розглянуто, характеризуються симетричними двопелюстковими ДС типу
. Але в багатьох практично важливих випадках необхідно мати системи з односпрямованим випромінюванням (прийомом) радіохвиль. Вібраторну систему з однопелюстковою ДС можна отримати при суміщенні двох взаємно перпендикулярних вібраторів — диполя Герца та рамкового вібратора, які розміщено в поперечній площині хОу (рис. 3, а, б). Тут двопелюсткові ДС стосуються вібраторів, розміщених у площинах рисунків, а ДС у вигляді кола — вібраторів, перпендикулярних до площин рисунків. Припускається, що відповідні струми в обох незалежних вібраторах такі, що напруженості полів у будь-якій точці далекої зони однакові. При цьому сумарні нормовані ДС системи вібраторів мають форму кардіоїди
, тобто така система є спрямованою з максимумом випромінювання в напрямі кута
.
Рис.3 Елемент Гюйгенса Система є технічно реалізованою, якщо в ній магнітний вібратор із гіпотетичним магнітним струмом
замінити на еквівалентний йому за своєю дією виток із реальним електричним струмом
. Таку систему зображено на рис. 3, в. З розгляду цього рисунка випливає, що така система має максимум випромінювання вздовж осі z (обидва струми співнапрямлені). У далекій зоні вектор Е паралельний струму I та породжує в тій самій точці простору відповідну перпендикулярну складову вектора Н, а отже,
. Нескінченно малий елемент уявної хвильової поверхні, в якій містяться вектори Е та Н , називається елементом Гюйгенса. Ці вектори є наслідками реальних елементарних струмів. Елемент Гюйгенса. Елемент Гюйгенса є моделлю вторинного джерела хвилі і породжує подібні до себе. Він випромінює тільки «вперед» і дає змогу створити наочну модель процесу поширення фронту хвилі у вільному просторі. Конструктивна сукупність реального електричного вібратора та реальної рамки з електричним струмом є найпростішим прототипом антени, ДС якої має чітко визначений нуль, наприклад у радіопеленгаторі — системи визначення координат об'єкта, що випромінює радіохвилі.