Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

АНТЕННЫ

6-2. СИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ (ДИПОЛИ)

Симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180° (рис. 6-2). Благодаря этому направления токов в симметричных точках обеих половин вибратора оказываются одинаковыми. Для того чтобы получить максимальный ток в проводах вибратора, а следовательно, и максимальное излучение, используют резонанс, т. е. устанавливают частоту тока в вибраторе равной частоте его собственных колебаний.

Рис. 6-2. Симметричный вибратор и его эквивалентная схема.

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметричном вибраторе. Присоединим его половины к зажимам источника постоянной э.д.с. (рис. 6-3, а). После того как распределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замкнем половины вибратора короткой перемычкой (рис. 6-3, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. Очевидно, что через отрезки провода вибратора, расположенные у середины, протекает наибольший электрический заряд, и поэтому разрядный ток в них имеет максимальное значение, к концам же провода ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределенной индуктивности возникает э.д.с. самоиндукции. Разность потенциалов между точками, равноудаленными от середины вибратора, тем больше, чем дальше эти точки от середины, так как тем большая часть распределенной индуктивности провода участвует в ее создании (рис. 6-3, б). Знак потенциала относительно средней точки по обе стороны от нее различен, так как в одной половине вибратора ток течет к ней, а в другой - от нее.

Рис. 6-3. Свободные колебания в симметричном вибраторе.

По мере разряда распределенных емкостей ток в проводе нарастает и достигает максимума, когда они полностью разрядятся. При этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостями, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей
(рис. 6-3, е). Если вначале индуктивность провода вибратора препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его уменьшению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее направление (рис. 6-3, г). За счет этого происходит перезаряд распределенных емкостей, и когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными (рис. 6-3, д). После этого процесс протекает в обратном направлении (рис. 6-3, е, ж, з, и).

Таким образом, в вибраторе возникают свободные электрические колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряжения и вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины l, т. е.

(6-1)

Поэтому симметричный вибратор называют также полуволновым диполем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собственных колебаний.

При превращении линии в излучающую систему - антенну необратимые потери энергии возрастают. К тепловым потерям PП добавляются потери на излучение . Таким образом, мощность, потребляемая антенной,

(6-2)

Увеличение необратимых потерь в системе можно рассматривать как увеличение ее активного сопротивления, т. е. можно считать, что полное активное сопротивление антенны

(6-3)

где:

- сопротивление тепловых потерь;
- так называемое сопротивление излучения.

В системах с распределенными постоянными, в которых ток и напряжение меняются от точки к точке, целесообразно определять активное сопротивление, исходя из энергетических соображений, и использовать для этого закон Джоуля-Ленца, связывающий мощность с током и сопротивлением:

 

Будем считать, что активное сопротивление антенны равно такому сосредоточенному сопротивлению, в котором при протекании тока, равного максимальному току в антенне, выделяется та же мощность, что и в антенне. Тогда

(6-4)

где:

- амплитуда тока в пучности стоячей волны в антенне.

На основании выражения (6-3) можно написать:

(6-5)

Поскольку антенна служит преобразователем энергии, то важнейшей ее характеристикой является к.п.д., равный отношению мощности излучения к подводимой мощности:

(6-6)

На основании выражений (6-6) и (6-5) можно записать:

(6-7)

Отсюда следует, что к.п.д. антенны тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением тепловых потерь. Однако абсолютное значение сопротивления излучения имеет также существенное значение. Как и во всякой колебательной системе, ток и напряжение при резонансе, а также резонансные свойства антенны существенно зависят от активного сопротивления. Чем оно больше, тем при заданной мощности генератора меньше амплитуда тока в антенне при резонансе. Но чем меньше ток, тем меньше и напряжение в антенне. Последнее выгодно, потому что при заданной мощности излучения это позволяет снизить требования к изоляции антенны.

Чем больше сопротивление излучения, тем шире полоса пропускания антенны и менее резко изменяется ее входное сопротивление при изменении рабочей частоты передатчика. Это облегчает согласование антенны с фидером и генератором на всех частотах, на которых должна работать антенна.

Излучающие свойства антенны, а следовательно, и сопротивление излучения зависят от характера распределения тока в излучающем проводе. В случае вынужденных колебаний в антенне их частота определяется частотой э.д.с, подводимой к антенне. Распределение тока и напряжения вдоль антенного провода может быть самым различным. Оно определяется тем, что возбуждаемые в антенне волны тока и напряжения отражаются от открытого конца антенного провода и образуют стоячие волны аналогично тому, как это происходит в разомкнутой длинной линии. Для того чтобы найти характер распределения тока и напряжения в режиме вынужденных колебаний, нужно по частоте генератора и скорости распространения электромагнитных воли вдоль проводов, используя формулу (5-1), определить длину возбуждаемой волны. Затем на изображении антенны, выполненном, в соответствующем масштабе, построить график стоячих волн, начиная с разомкнутого конца, где будут находиться узел тока и пучность напряжения (рис. 6-4).

Рис. 6-4. Распределение тока в симметричных вибраторах различной длины.

С изменением длины вибратора от нуля до сопротивление излучения непрерывно возрастает (рис. 6-5). При длине вибратора когда в каждой его половине укладываются одна целая полуволна и часть следующей, в антенном проводе около его середины появляются участки, в которых направление токов противоположно направлению токов в крайних участках. Излучение этих участков частично ослабляет излучение крайних участков, и сопротивление излучения несколько уменьшается. Однако с ростом длины вибратора оно снова возрастает и достигает нового максимума при , когда, казалось бы, излучение противофазных участков должно было уничтожить друг друга. Объясним это явление.

Рис. 6-5. Зависимость сопротивления излучения от электрической длины симметричного вибратора.

Из рис. 6-6 видно, что в достаточно удаленные точки, лежащие на перпендикуляре к оси вибратора (рис. 6-6, а), приходят волны с противоположными фазами от участков вибратора с противоположно направленными токами и взаимно уничтожаются. Однако в точки, расположенные на прямых, идущих под меньшими углами к оси вибратора (рис. 6-6, б), эти волны приходят, имея значительную разность хода ; поэтому разность их фаз может приближаться к 0 или 360° и в этих направлениях может происходить усиление излучения. Этим объясняется увеличение сопротивления излучения при . При дальнейшем увеличении длины антенны происходят аналогичные изменения: чередования убывания и возрастания сопротивления излучения, причем его величина в последующих максимумах и минимумах постепенно возрастает.

Рис. 6-6. Сложение волн, излучаемых симметричным вибратором по различным направлениям (d - длина хода волны; - разность хода).

Из сказанного ясно, что сопротивление излучения зависит не от абсолютных размеров вибратора, а определяется отношением их к длине волны. Так, например, все полуволновые диполи обладают сопротивлением излучения = 73,1 Ом независимо от того, равна ли их длина сотням метров или нескольким сантиметрам; все вибраторы длиной в целую волну имеют сопротивление излучения = 200 Ом и т. д.

Вследствие потерь на излучение и тепловых потерь в антенне, помимо стоячей, есть еще бегущая волна. Однако во всех антеннах (кроме антенн бегущей волны) амплитуда бегущей волны по сравнению с амплитудой стоячей невелика, и поэтому при расчете реактивной составляющей входного сопротивления антенны ее можно не учитывать.

Распределение стоячих волн тока и напряжения в антенне в первом приближении будет таким же, как в разомкнутой линии, т.е.

 

где - ток в пучности и - напряжение в пучности стоячих волн в проводе антенны,
а l - расстояние, отсчитываемое от разомкнутого конца. Поэтому реактивную составляющую входного сопротивления антенны можно подсчитать по формуле

(6-8)

По аналогии с длинными линиями принимаем, что отношение амплитуд напряжения к току равно волновому сопротивлению антенного провода. Вычисляя волновое сопротивление антенны как входное сопротивление бесконечного провода без потерь, В.Н.Кессених получил формулу для его расчета:

(6-9)

где d - диаметр провода.

Для проводов, обычно используемых в антеннах, расчеты по этой формуле хорошо согласуются с опытными данными, и величина волнового сопротивления получается близкой к 1000 Ом.

Таким образом, реактивную составляющую входного сопротивления симметричных антенн можно рассчитывать по формуле

(6-10)

Эта формула дает необходимую точность для большинства практических расчетов, что также видно из сравнения экспериментально снятой зависимости входного сопротивления антенны от величины отношения (сплошная кривая на рис. 6-7) с кривой (штриховой на рис. 6-7), рассчитанной по формуле (6-10). Общий характер изменения реактивного сопротивления в обоих случаях совпадает, за исключением узких областей значений , близких к значениям, соответствующим целым числам.

Рис. 6-7. Зависимость входного сопротивления антенны от её электрической длины.

При расчете антенны очень важно знать величину ее входного сопротивления при резонансе. В этом случае входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер. Мощность, потребляемая в антенне,

(6-11)

откуда

(6-12)

При резонансе, когда длина диполя равна 0,5, 1,5, 2,5 и т.д., антенна питается в пучности тока. Следовательно, и согласно выражению (6-3)

(6-13)

Это сопротивление представляет собой относительно малую величину (порядка единиц или десятков ом).

Характер изменения входного сопротивления при изменении отношения вблизи значений 0,5; 1,5; 2,5 и т. д. (рис. 6-7) соответствует его поведению вблизи резонанса в последовательном контуре. Поэтому часто говорят, что при данной величине отношения в антенне имеет место резонанс напряжений.

Когда длина диполя равна , 2, 3 и т.д., питание антенны производится в пучности напряжения и мощность, потребляемая в антенне,

 

откуда

 

Так как отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока равно волновому сопротивлению, то

(6-14)

Поскольку , а имеет порядок единиц или десятков ом, то составляет тысячи и даже десятки тысяч ом. Рисунок 6-7 показывает, что входное сопротивление при изменении отношения вблизи значений, соответствующих целым числам, изменяется аналогично сопротивлению параллельного контура вблизи резонанса. Поэтому часто говорят, что при такой величине отношения имеет место резонанс токов.

Условия питания антенны в пучности тока и пучности напряжения резко различаются. В первом случае антенна представляет собой активную нагрузку с небольшим сопротивлением и потребляет сравнительно большой ток, амплитуда же напряжения на входе незначительна. Во втором случае антенна имеет очень большое входное сопротивление и потребляет очень небольшой ток, амплитуда же напряжения на входе относительно высока. Поэтому часто говорят, что в первом случае антенна питается током, а во втором - напряжением.

Сравнение графика, приведенного на рис. 6-7, с аналогичными зависимостями, снятыми для реальной линии (рис. 5-19), показывает полную родственность явлений в длинной линии и антенне. Однако следует отметить и ряд следующих особенностей:

  1. резонансные кривые антенн значительно менее острые, чем у длинных линий;

  2. величина активной составляющей входного сопротивления антенны при резонансе напряжений много больше, чем у реальной линии, а при резонансе токов - много меньше;

  3. с увеличением длины антенны максимумы резонансной кривой сильно убывают и становятся более расплывчатыми;

  4. точная резонансная длина антенны на несколько процентов меньше целого числа полуволн.

Эти особенности объясняются тем, что потери в антенне вследствие излучения много больше, чем в обычной неизлучающей линии.

Резонансные свойства антенны существенно зависят от диаметра вибратора. С увеличением диаметра уменьшается волновое сопротивление, благодаря чему изменяется и величина входного сопротивления, увеличивается полоса пропускания и возрастает укорочение. Для обычных однопроводных антенн укорочение составляет около 5% от длины антенны. Поэтому резонансную длину полуволнового вибратора можно рассчитать по формуле

(6-15)

где l - в метрах, а f - в мегагерцах.

Точная резонансная длина вибраторов, кроме того, зависит от числа и места установки изоляторов, от изолирующего покрытия провода антенны и от наличия расположенных вблизи предметов (оттяжек, мачт, железобетонных строений и т.п.), вносящих дополнительные активное и реактивное сопротивление в антенну. Поэтому окончательная настройка антенны производится уже после ее установки.

Если передатчик работает в широком диапазоне частот, то приходится иметь дело с расстроенной антенной. Для получения резонанса с помощью органов настройки компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления антенны. При этом активную составляющую можно подсчитать, исходя из следующих соображений. Мощность, потребляемая в антенне,

(6-16)

где амплитуда тока на входе антенны определяется из уравнения стоячей волны тока:

 

Следовательно,

 

Сравнивая это выражение с формулой для вычисления сопротивления антенны (6-4), найдем, что

(6-17)

Формула (6-17) справедлива для антенн любой длины, за исключением случаев резонанса токов, когда точки питания попадают в узел тока; в этом случае нужно пользоваться формулой (6-14).

При одной и той же величине тока в пучности антенны различной формы и размеров создают разную напряженность поля излучения. Для того чтобы легче можно было сравнивать между собой различные антенны, вводят еще один параметр: действующую длину антенны. Как уже говорилось ранее, мощность излучения отрезка провода антенны пропорциональна квадрату тока в этом отрезке. Следовательно, напряженность поля пропорциональна току в первой степени. Подсчитать напряженность результирующего поля антенны можно графически, построив в определенном масштабе график распределения тока в антенном проводе (рис. 6-8, а). Разбив полученный график на небольшие участки (в пределах которых величину тока можно считать неизменной), умножаем их длину на величину тока и, просуммировав, определяем площадь SТ1 участка, ограниченного кривой тока и проводом антенны. Сокращенно эту площадь называют площадью тока антенны.

Рис. 6-8. Определение действующей высоты антенны.
а - распределение тока в реальной антенне;
б - эквивалентная антенна с той же площадью тока и равномерным его распределением.

Антенны с одинаковой площадью тока создают поле одинаковой напряженности. Поэтому удобно характеризовать излучение антенны, заменяя ее некоторой прямолинейной воображаемой антенной, имеющей ту же площадь тока, но в которой ток одинаков по всей ее длине и равен току в пучности стоячей волны тока реальной антенны (рис. 6-8, б). Длину такой воображаемой антенны называют действующей (или эффективной) длиной реальной антенны. Это понятие было введено еще в то время, когда использовались главным образом вертикальные антенны. Поэтому данный параметр часто называют действующей высотой, а не длиной антенны.

Чем равномернее распределение тока по антенному проводу, тем ближе действующая высота антенны к геометрической и тем лучше используется излучающий провод. Действующая высота полуволнового вибратора

 

где hГ - геометрическая длина вибратора.

Введение этого понятия позволяет получить общую для всех типов антенн зависимость напряженности электрического поля, создаваемого в некоторой точке пространства, от величины тока, действующей высоты и расстояния до данной точки. Напряженность поля, создаваемая антенной, пропорциональна площади тока, т.е. произведению величины тока в пучности на действующую высоту. С увеличением расстояния от антенны напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию r :

(6-18)

где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от условий распространения электромагнитных волн, направления по отношению к антенне, для которого подсчитывается напряженность поля, и от выбранной системы единиц.

Электрическое поле графически можно охарактеризовать векторами, величина и направление которых изображают величину и направление электрических сил, действующих в различных точках пространства. Протекание переменного тока по проводу прямолинейной антенны создает в окружающем пространстве электрическое поле, векторы которого параллельны проводу антенны (рис. 6-9). Это означает, что электрический заряд, помещенный в это поле, под его действием движется параллельно проводу антенны. Такое поле принято называть поляризованным полем или полем поляризованных волн. Вопрос о поляризации имеет в радиотехнике весьма существенное значение. Так, например, если в поле вертикально поляризованных волн поместить горизонтальную приёмную антенну, то никаких токов в ней наводиться не будет (рис. 6-9, а). Чем ближе направление оси приемной антенны к направлению поляризации, тем больший ток наводится в ней.

Рис. 6-9. Поляризованное поле линейного излучателя.
а - вертикальная поляризация;
б - горизонтальная поляризация.

Напряженность поля, излучаемого линейным симметричным вибратором, в данной точке пространства определяется двумя факторами: поляризацией излучения вибратора и сложением волн, излученных его различными участками. Рассмотрим влияние этих факторов на примере симметричного полуволнового диполя.

Электрическое поле волн, излучаемых в направлении А (рис. 6-10, а) обладает максимальной интенсивностью, поскольку оно совпадает с направлением поля источника, возбуждающего колебания в вибраторе. Кроме того, синфазные токи, текущие в обеих половинах диполя, создают синфазные волны, которые усиливают друг друга. Поэтому излучение в направлении А максимально и приблизительно равно арифметической сумме волн, излученных отдельными участками вибратора в этом направлении. Электрические волны, излучаемые в направлении Б (рис. 6-10, б), значительно слабее, поскольку электрическое поле волны EВ создается только составляющей поля вибратора E0, перпендикулярной направлению распространения Б. По этой же причине вибратор ничего не излучает в направлении своей оси, так как составляющая поля, перпендикулярная направлению оси вибратора, равна нулю. С другой стороны, волны, излученные синфазными токами различных участков вибратора, приобретают значительную разность хода при распространении в направлении Б. Поэтому в зависимости от того, насколько направление Б отличается от направления А, они будут либо усиливать, либо ослаблять друг друга.

Рис. 6-10. Излучение диполя по различным направлениям.

Для того чтобы характеризовать излучение антенн по различным направлениям, строят диаграммы направленности (их называют также характеристиками излучения). Они представляют собой графики, характеризующие в относительных единицах интенсивность излучения антенны по различным направлениям, лежащим в той или иной плоскости. Обычно приводятся диаграммы для двух плоскостей: горизонтальной и вертикальной. Чаще всего они строятся в полярной системе координат. При этом расстояние от центра до кривой характеризует в некотором масштабе интенсивность излучения по данному направлению.

Диаграмма излучения полуволнового вибратора (рис. 6-11) имеет максимум в направлении, перпендикулярном оси вибратора. С уменьшением угла интенсивность излучения падает и в направлении оси вибратора становится равной нулю. В плоскости, перпендикулярной оси диполя, вследствие симметрии антенны излучение по всем направлениям одинаково, и диаграмма направленности имеет вид окружности.

Рис. 6-11. Диаграммы направленности полуволнового вибратора.
а - пространственное изображение;
б - в горизонтальной плоскости;
в - в вертикальной плоскости.

Диаграммы направленности дают достаточно полное представление об интенсивности излучения полуволновой антенны по различным направлениям в пространстве.

Направленность излучения антенных устройств обычно желательна. За редким исключением абсолютно ненаправленное излучение не только ненужно, но и невыгодно, так как всегда существуют направления, по которым излучать энергию не имеет смысла, и, наоборот, есть направления, по которым желательно создавать максимально интенсивное излучение. Часто конструируют специальные антенные системы, обладающие резко выраженными направленными свойствами. Обычно диаграмму направленности характеризуют шириной, оценивая ее углом между двумя направлениями, по которым мощность излучения уменьшается в 2 раза по сравнению с мощностью излучения по главному направлению.

Предположим, что приемник принимает сигналы от передатчика, работающего с абсолютно ненаправленной антенной, излучающей энергию равномерно по всем направлениям. Если затем заменить эту антенну направленной антенной и направить максимум излучения в сторону приемника, то при той же мощности излучения громкость приема возрастет. Таким образом, замена ненаправленной антенны на направленную эквивалентна увеличению мощности передатчика. Число, которое показывает, во сколько раз можно уменьшить мощность передатчика при переходе с ненаправленной антенны к направленной, сохраняя неизменной силу сигнала в направлении главного излучения, принято называть коэффициентом направленного действия антенны. Например, полуволновый диполь обладает коэффициентом направленного действия, равным 1,64.

Поскольку абсолютно ненаправленных антенн не существует, то более реальную оценку выигрыша можно получить сравнением направленности различных антенн с некоторой наиболее часто употребляемой слабо направленной антенной. Такой эталонной антенной обычно считают полуволновый симметричный диполь. В дальнейшем мы и будем определять коэффициент направленного действия антенн по отношению к его излучению в направлении максимального излучения. Произведение коэффициента направленного действия на к.п.д. антенны принято называть усилением и выражать в децибелах.

Выше говорилось главным образом о передающих антеннах, излучающих электромагнитные волны, но сделанные выводы относятся также и к приемным антеннам. Так, например, если при передаче антенна дает максимальное излучение электромагнитных воли в некотором направлении, то при работе этой же антенны в качестве приемной приходящие с этого направления волны будут наводить наибольшие токи в антенне; волны, приходящие с тех направлений, куда антенна при передаче не излучает, воздействия на антенну при приеме не оказывают.

Иными словами, направленные свойства антенны при переходе с передачи на прием не изменяются. Поэтому при приеме станций с заданного направления всегда выгодно использовать направленную приемную антенну, не принимающую передачу мешающих станции с других направлений. Она будет создавать на входе приемника более мощный сигнал, чем ненаправленная антенна. На основании этого мы можем сказать, что понятия коэффициента направленного действия и усиления остаются в силе и при работе антенны на прием.

Эти свойства обратимости антенн позволяют без ущерба для полноты ограничиться рассмотрением их свойства при работе только на передачу. Конечно, существует целый ряд специально приемных антенн, однако они в подавляющем большинстве случаев используются только в магистральных сетях и в этой книге рассматриваться не будут.

В этой главе:
6-1. ИЗЛУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ
6-2. СИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ (ДИПОЛИ)
6-3. ВЛИЯНИЕ ЗЕМЛИ НА ИЗЛУЧЕНИЕ АНТЕНН,
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ
6-4. РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ АНТЕНН. ГАРМОНИКОВЫЕ АНТЕННЫ
6-5. СИНФАЗНЫЕ И ПРОТИВОФАЗНЫЕ АНТЕННЫ. РЕФЛЕКТОРЫ И ДИРЕКТОРЫ
6-6. ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
6-7. СЛОЖНЫЕ ВИБРАТОРЫ
6-8. РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
6-9. АНТЕННЫ ДЛИННЫХ И СРЕДНИХ ВОЛН
6-10. АНТЕННЫ КОРОТКИХ ВОЛН
6-11. АНТЕННЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН
СОЛНЕЧНАЯ ЗАРЯДКА со встроенным аккумулятором!

Вы только на емкость встроенного аккумулятора взгляните - более чем 7 А·ч...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Приставка к вольтметру для измерения параметров полевых транзисторов.

При проектировании схем на полевых транзисторах их параметры лучше знать заранее, точный подбор пары полевых транзисторов по их статическим параметрам...

Доставка "Почтой России"...

webmaster@radio-1895.ru