!+ + + +

Рис. 3.2. Свободные колебания в полуволновом вибраторе

правлению, поэтому излучения от них складываются. Эквивалентная схема такого вибратора (рис. 3.1,6) состоит из бесконечно большого числа элементарных конденсаторов и катушек индук-тивиостей, равномерно распределенных по всей длине, т. е. представляет собой открытый колебательный контур. Колебательные процессы в тако.ч контуре по сути ничем не отличаются от рассмотренных ранее процессов в закрытом колебательном контуре.

На рис. 3.2 показаны схема для возбуждения свободных колебаний и процесс образования этих колебаний в вибраторе. Если к вибратору подключить источник постоянной ЭДС, то распределенные емкости зарядятся до максимального значения (рис.3.2,о). После отключения источника и соединения проводов начнется разряд емкостей, в результате чего ток через вибратор увеличивается. На концах вибратора значение тока всегда остается равным нулю, а в центре ток достигает максимального значения, так как по этому участку проходят разряды всех емкостей (рис. 3.2,6). К моменту полного разряда распределенных емкостей энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей. В следующий момент ток, не меняя своего направления, начинает уменьшаться, емкости перезаряжаются. Мгновенному нарастанию и убыванию тока препятствует ЭДС самоиндукции индуктивностей. К моменту, когда ток уменьшится

до нуля, емкости полностью перезарядятся и напряжение на концах вибратора достигнет первоначального значения, но противоположного знака (рис. 3.2,в). После этого весь процесс повторяется, но только ток проходит в противоположном направлении (рис. 3.2, г, д).

Так как вибратор представляет разомкнутую на конце линию, то большинство свойств двухпроводной линии, рассмотренных ранее, у него сохраняется. Во время колебательного процесса в вибраторе тоже образуются стоячие волны, причем на концах провода всегда находятся пучности напряжения и узлы тока. Длина волны вибратора вдвое больше длины антенного провода, т. е. Яо=2/.

Основное отличне вибратора от линии заключается в его способности хорошо излучать радиоволны. Переменный ток создает вокруг вибратора переменное электромагнитное поле, которое и переносит энергию в окружающее пространство. Если один из проводов симметричного вибратора убрать, а второй разместить вертикально над землей и нижний конец заземлить, то получим несимметричный вибратор (рис. 3.3,а), длина которого в 2 раза меньше полуволнового вибратора и равна Я/4.

Длина волны колебаний, возникающих в четвертьволновом несимметричном вибраторе, в 4 раза больше длины антенного провода, т. е. Яо = 4/.

Распределение напряжения и тока по длине вибратора можно построить, представив, что в земле есть его зеркальное отображение (рис. 3.3,6), которое в совокупности с самим вибратором образует полуволновый вибратор.

3.2. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ АНТЕНН

Количество энергии, которое антенна излучает (принимает) в различных направлениях, неодинаково. Направленные свойства антенны характеризуются рядом показателей, приведенных ниже.

Диаграмма направленности наглядно изображает зависимость напряженности электрического поля Е или мощности поля Р, создаваемых в равноудаленных от антенны точках, от направления излучения:

£ =9,(6 ) или P=Y2(e°).

Рис. 3.3. Четвертьволновый вибратор: в - несимметричный вибратор; б - распрелелепие f к / по длине вибратора

Вибратор

/ж да А)

о 90 leo 270 ЗдО г)

Рнс. 3.4. Диаграммы направлсиности полу-волпового вибратора:

а, б - вертикальная и горизонтальная в полярной системе координат; е. г - всртнка.чьная и горизонтальная в прямоугольной системе координат; д - пространственная

Обычно диаграмму направленности снимают в двух плоскостях - горизонтальной и вертикальной и строят либо в полярной, либо в прямоугольной системе координат, но первая используется чаще.

Рассмотрим диаграмму направленности полуволнового вибратора в полярной системе координат (рис. 3.4).

В вертикальной плоскости, совпадающей с осью вибратора, максимальное излучение наблюдается в направлении, перпендикулярном оси вибратора, а в направлении оси излучение отсутствует; диаграмма направленности имеет вид восьмерки (рис. 3.4,а). В плоскости, перпендикулярной к оси, вибратор во всех направлениях излучает одинаково и диаграмма направленно-

сти имеет вид окружности (рис. 3.4,6). Те же самые диаграммы показаны иа рис. 3.4, е, г в прямоугольной системе координат, Пространственная диаграмма направленности имеет вид тороида (рис. 3.4. d).

Практически диаграмму направленности можно снять, обойдя вибратор по окружности в интересующей нас плоскости с каким-нибудь индикатором напряженности поля или измерителем мощности. В каждой точке этой окружности показания прибора будут пропорциональны величине их радиусов OA и ОБ (рис. 3.4, d). Разрешающая способность антенны определяется шириной диаграммы, которая показывает, в пределах какого угла напряженность электрического поля Е уменьн1ается в V2 раз, а мощность излучения в 2 раза по сравнению с нх максимальным зпаче1шем. Ширина диаграммы направленности, показанной на рис. 3.4, а, равна 2Q.

Ксэффициет направленного действия D - это отношение плотности потока мощности направленной антенны к плотности потока мощности ненаправленной антенны той же мощности иа том же расстоянии:

где Яср - средняя плотность потока мощности ненаправленной антенны.

Любая антенна является реальной системой, в которой часть мощности, подводи.чой от передатчика, теряется иа нагрев изоляторов, проводов, утечку и т. д., поэтому ранее рассмотренный вибратор не является идеальной линией и в нем, строго говоря, возникает режим не стоячих, а смешанных волн. Благодаря наличию смешанных волн и происходит излучение энергии в пространстве, величина которой эквивалентна некоторому условному активному сопротивлению и.злучення, включенному в пучность тока. Величина сопротивления и.злучсния

где Ре-мощность излучения; / - действующее значение тока в пучности вибратора.

Потребляемая ангенной мощность Р.д складывается из мощности излучения Ps и мощности потерь Ра , которая зависит от со-противлешш потерь:

а Полное активное сопротивление антенны Ra = + Ня.

Коэффициент полезного действия антенны представляет отношение мощности излучения (полезной) ко всей мощности, подводимой к антенне (затраченной):

Из последнего равенства вытекает, что чем больше мощность и сопротивление излучения, тем больше КПД. Для полуволнового вибратора значение КПД довольно высокое -порядка 90%.

Коэффициент усиления антенны G зависит от ее направленных свойств и потерь:

0 = Pv 7)a/Psp=Dt,a.

Каждый элемент антенны излучает энергию, пропорциональпук току, проходящему через него. Так, у полуволиового симметрично го вибратора больше всего энергии излучают элементы, расположенные в центре, так как именно там находится пучность тока. Если заменить площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, на равноценную площадь прямоугольника с тем же самым основанием, то количество и.злучаемой (принимае мой) энергии пе изменится (рнс. 3.5). Высота такого прямоугольника является действующей высотой кд,. Понятие действующей высоты относится только к проволочным антеннам и не применимо для зеркальных, рупорных, антенн поверхностных волн и других антенн УКВ. Очень часто используется понятие действующей высоты для приемных антенн, потому что у них оно определяет величину наводимой ЭДС Ец: Е}, = ЕНц, где Е - напряженность электрического поля, приходящаяся на 1 м действующей высоты приемной антенны. Действующая высота полуволнового вибратора Лд=0,641., где L - геометрическая высота вибратора.

3.3. РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ АНТЕНН. СПОСОБЫ НАСТРОЙКИ АНТЕНН В РЕЗОНАНС

Антенна обладает бесконечным числом резонансных частот, так же как длинная линия. Резонанс симметричной антенны наступает всякий раз, когда по длине антенны укладывается целое число полуволн, причем наиболее длинная из них та, половина которой равна длине провода вибратора. Несимметричная антенна

также представляет собой резонансную систему, когда по ее длине укладывается целое число четвертей волн, причем основной будет та, четверть длины которой равна длине антенны.

В зависимости от того, к какой точке антенны подключен источник питания, в ней возникает либо резонанс токов, либо резо-Рис 3 5 Определение напряжений. Если источник распола-действующсй высоты ан- гается в пучности тока, имеет место резо-тениы нанс напряжении; входное сопротивление

Гис. 3.6. Размсп1ение источника питания в симметричноч и несимметричном вибраторе

Рис. 3.7. Способы пастроики антенны:

в-включением катушки индуктивности; б - включением конденсатора

антенны мало и равно сопротивлению потерь (рнс. 3.6,а, б). Если ломестить источник в узлах тока, наблюдается резонанс токов; входное сопротивление антенны велико (рис. 3.6,в, г).

Большое количество резонансных частот дает возможность ис-лользовать антенну для работы на нескольких фиксированных волнах. Для перестройки антенны внутри диапазона используются катушки индуктивности или конденсаторы, которые включаются так, как показано на рис. 3.7, а, б. Можно было бы изменять длину самой антенны, ко практически реализовать это сложно. Включение катун1ки индуктивности увеличивает длину свободных колебаний, так как общая индуктивность провода увеличивается. При включении конденсатора в антенну общая емкость уменьшается, так как конденсатор подключается последовательно с емкостью антенного провода. Частота свободных колебаний увеличивается, а длина волны становится нри этом меньше. Большинство современных радиостанций работает в широком диапазоне частот, и для настройки их антенн используется целый набор различных индук-.тивностей и емкостей.

3.4. ОСОБЕННОСТИ АНТЕНН ДЛИННЫХ, СРЕДНИХ, КОРОТКИХ И УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

Антенны длинных (ДВ) и средних (СВ) волн. Они обычно Объединяются в одну группу. Эти антенны представляют собой ча-яце всего несимметричный вибратор или провод с верхней гори-