Изотропный излучатель — это теоретический точечный источник волн , излучающий одинаковую интенсивность излучения во всех направлениях. [1] [2] [3] [4] Она может быть основана на звуковых или электромагнитных волнах , и в этом случае она также известна как изотропная антенна . У него нет предпочтительного направления излучения, т. е. он излучает равномерно во всех направлениях по сфере с центром в источнике.
Изотропные излучатели используются в качестве эталонных излучателей, с которыми сравниваются другие источники, например, при определении усиления антенн . Когерентный изотропный излучатель электромагнитных волн теоретически невозможен, но некогерентные излучатели можно построить . Изотропный излучатель звука возможен, поскольку звук представляет собой продольную волну .
Термин изотропное излучение означает поле излучения, имеющее одинаковую интенсивность во всех направлениях в каждой точке; таким образом, изотропный излучатель не производит изотропное излучение. [5] [6]
В физике изотропный излучатель — это точечный источник излучения или звука. На расстоянии Солнце представляет собой изотропный излучатель электромагнитного излучения.
Поле излучения изотропного излучателя в пустом пространстве можно найти из закона сохранения энергии . Волны движутся по прямым линиям от точки источника в радиальном направлении . Поскольку у него нет выделенного направления излучения, плотность мощности [7] волн в любой точке не зависит от углового направления , а только от расстояния от источника. Предполагая, что он расположен в пустом пространстве, где нет ничего, что могло бы поглощать волны, мощность, падающая на сферическую поверхность, окружающую излучатель, с излучателем в центре, независимо от радиуса , должна быть полной мощностью в ваттах, излучаемой источником. Поскольку плотность мощности в ваттах на квадратный метр, попадающая в каждую точку сферы, одинакова, она должна равняться излучаемой мощности, деленной на площадь поверхности сферы [3] [8]
Таким образом, плотность мощности, излучаемой изотропным излучателем, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника.
Термин «изотропное излучение» обычно не используется для обозначения излучения изотропного излучателя, поскольку в физике он имеет другое значение. В термодинамике это относится к диаграмме электромагнитного излучения, которая может быть обнаружена в области термодинамического равновесия , например, в черной тепловой полости при постоянной температуре. [5] В полости, находящейся в равновесии, плотность мощности излучения одинакова во всех направлениях и в каждой точке полости, а это означает, что количество мощности, проходящей через единицу поверхности, постоянно в любом месте и при этом поверхность ориентирована в любой точке. направление. [6] [5] Это поле излучения отличается от поля изотропного излучателя, в котором направление потока энергии повсюду от точки источника и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от него.
В теории антенн изотропная антенна — это гипотетическая антенна, излучающая радиоволны одинаковой интенсивности во всех направлениях. [1] Таким образом, говорят, что он имеет направленность 0 дБи (дБ относительно изотропного) во всех направлениях. Поскольку он полностью ненаправленный, он служит гипотетическим наихудшим случаем, с которым можно сравнивать направленные антенны.
В действительности можно показать, что когерентный изотропный излучатель линейной поляризации невозможен. [9] [a] Его поле излучения не могло быть согласовано с волновым уравнением Гельмгольца (полученным из уравнений Максвелла ) во всех направлениях одновременно. Рассмотрим большую сферу, окружающую гипотетический точечный источник в дальней зоне диаграммы направленности, так, чтобы на этом радиусе волна на разумной площади была по существу плоской. В дальнем поле электрическое (и магнитное) поле плоской волны в свободном пространстве всегда перпендикулярно направлению распространения волны. Таким образом, электрическое поле должно быть касательно поверхности сферы повсюду и непрерывно вдоль этой поверхности. Однако теорема о волосатом шаре показывает, что непрерывное векторное поле , касающееся поверхности сферы, должно падать до нуля в одной или нескольких точках сферы, что несовместимо с предположением об изотропном излучателе с линейной поляризацией.
Некогерентные изотропные антенны возможны и не нарушают уравнения Максвелла. [ нужна цитация ] На практике небольшие антенны всех типов примерно изотропны, если их самый длинный размер намного меньше одной длины волны (скажем, ~1/ 10 волна или меньше): чем меньше антенна, тем более изотропной она становится. [б]
Несмотря на то, что на практике точно изотропная антенна не может существовать, она используется в качестве базы сравнения для расчета направленности реальных антенн. Коэффициент усиления антенны , равный направленности антенны , умноженной на эффективность антенны , определяется как отношение интенсивности ( мощности на единицу площади) радиомощности, принимаемой на заданном расстоянии от антенны (в направлении максимального излучения), к интенсивность , полученная от идеальной изотропной антенны без потерь на том же расстоянии. Это называется изотропным усилением.
В приложениях измерения ЭМП изотропный приемник (также называемый изотропной антенной) представляет собой калиброванный радиоприемник с антенной, которая аппроксимирует изотропную диаграмму приема ; то есть он имеет почти одинаковую чувствительность к радиоволнам любого направления. Он используется в качестве полевого измерительного прибора для измерения источников электромагнитного излучения и калибровки антенн. Изотропная приемная антенна обычно аппроксимируется тремя ортогональными антеннами или чувствительными устройствами с диаграммой направленности всенаправленного типа, такими как короткие диполи или небольшие рамочные антенны .
Параметр, используемый для определения точности измерений, называется изотропным отклонением .
В оптике изотропный излучатель — это точечный источник света. Солнце приближается к (некогерентному) изотропному излучателю света. Некоторые боеприпасы, такие как сигнальные ракеты и солома, обладают свойствами изотропного излучателя. Является ли радиатор изотропным, не зависит от того, подчиняется ли он закону Ламберта . В качестве излучателей сферическое черное тело является и тем и другим, плоское черное тело является ламбертовским, но не изотропным, плоский хромированный лист не является ни тем, ни другим, а по симметрии Солнце изотропно, но не ламбертовским из-за потемнения края .
Изотропный излучатель звука — это теоретический громкоговоритель , излучающий звук одинаковой громкости во всех направлениях. Поскольку звуковые волны являются продольными волнами , возможен когерентный изотропный излучатель звука; примером может служить пульсирующая сферическая мембрана или диафрагма, поверхность которой со временем расширяется и сжимается в радиальном направлении, толкая воздух. [10]
Апертуру изотропной антенны можно определить с помощью термодинамического аргумента, который следует ниже. [11] [12] [13]
Предположим, идеальная (без потерь) изотропная антенна A, расположенная внутри тепловой полости CA, подключена через линию передачи без потерь через полосовой фильтр F ν к согласованному резистору R в другой тепловой полости CR ( характеристическое сопротивление антенны, линии и все фильтры совпадают). Обе полости имеют одинаковую температуру. Фильтр F ν пропускает только узкую полосу частот от до. Обе полости заполнены излучением черного тела, находящимся в равновесии с антенной и резистором. Часть этого излучения принимается антенной.
Сумма этой мощности в пределах полосы частот проходит через линию передачи и фильтр F ν и рассеивается в виде тепла в резисторе. Остальное отражается фильтром обратно к антенне и переизлучается в резонатор. Резистор также создает шумовой ток Джонсона-Найквиста из-за случайного движения его молекул при температуре. Величина этой мощности в пределах полосы частот проходит через фильтр и излучается антенной. Поскольку вся система имеет одинаковую температуру, она находится в термодинамическом равновесии ; между полостями не может быть чистой передачи мощности, иначе одна полость будет нагреваться, а другая охлаждаться, что нарушает второй закон термодинамики . Следовательно, потоки мощности в обоих направлениях должны быть равны.
Радиошум в резонаторе неполяризован и содержит равную смесь состояний поляризации . Однако любая антенна с одним выходом поляризована и может принимать только одно из двух ортогональных состояний поляризации. Например, антенна с линейной поляризацией не может принимать компоненты радиоволн с электрическим полем, перпендикулярным линейным элементам антенны; аналогично антенна с правой круговой поляризацией не может принимать волны с левой круговой поляризацией. Следовательно, антенна принимает только ту составляющую плотности мощности S в резонаторе, которая соответствует ее поляризации, что составляет половину общей плотности мощности.
Мощность шума Джонсона -Найквиста, создаваемая резистором при температуре в диапазоне частот, равна