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

ГЛАВА ШЕСТАЯ

АНТЕННЫ

6-3. 

ВЛИЯНИЕ ЗЕМЛИ НА ИЗЛУЧЕНИЕ АНТЕНН,
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ

До сих пор мы рассматривали антенну изолированно от внешних факторов, которые оказывают влияние на ее излучающие свойства. Но антенна работает, как правило, вблизи поверхности земли, влияющей как на мощность излучения антенны, так и на диаграмму направленности. Чтобы учесть влияние на работу антенны поверхности земли, которая большей частью является проводником, упрощенно считают, что антенна располагается над поверхностью идеального проводника. Излученные при этом антенной электромагнитные волны приходят в некоторую произвольную точку пространства P двумя различными путями: непосредственно от самой антенны и отразившись от поверхности проводника (рис. 6-12, а).

Рис. 6-12. Излучение антенны над идеально проводящей поверхностью.
а - путь прямой и отраженной волны;
б - электрический заряд и его зеркальное изображение.

Для того чтобы найти результирующее поле, в точке P после сложения прямой и отраженной волны удобно пользоваться представлением о "зеркальном изображении антенны", которое можно пояснить следующим образом. Если над идеально проводящей поверхностью на высоте h в точке A помещен заряд +q (рис. 6-12, б), то на ней вследствие электростатического притяжения свободные заряды размещаются так, что горизонтальная составляющая электрического поля на поверхности равна нулю. Если бы она не была равна нулю, то под ее действием по поверхности стали перемещаться заряды. Однако покоящийся заряд не может вызвать непрерывного движения зарядов в проводнике, и, следовательно, электрическое поле у поверхности проводника должно получить направление, перпендикулярное поверхности. Такую же форму имеет поле, если металлическую поверхность убрать, а внизу на расстоянии 2h под зарядом в точке Б поместить второй заряд, равный по величине и противоположный по знаку первому заряду. Второй заряд называется зеркальным изображением первого. При этом поле в произвольной точке поверхности В будет определяться векторами F1 и F2 полей зарядов +q и -q. Поскольку заряды удалены от точки В на одинаковые расстояния, то величины векторов F1 и F2 одинаковы. Горизонтальные составляющие этих векторов F и F уничтожают друг друга, а вертикальные F и F складываются. Это и позволяет заменить действие проводящей поверхности действием "зеркального заряда".

Если заряд, помещенный над идеально проводящей поверхностью, начнет двигаться по вертикали вниз, то его зеркальное изображение будет перемещаться также к поверхности, т.е. снизу вверх. Поместив над поверхностью вертикальный провод, в котором в данный момент времени ток течет сверху вниз, мы вызовем в его зеркальном изображении перемещение зарядов обратного знака снизу вверх и, следовательно, прохождение тока в том же направлении, что и в проводе (рис. 6-13, а). Поэтому, если над идеально проводящей поверхностью поместить вертикальную антенну, ее поле определится как поле антенны и как поле ее зеркального изображения, в котором течет ток той же величины и того же направления. Таким образом, вертикальная антенна и ее зеркальное изображение образуют систему двух синфазных вибраторов. Если же заряд, поднятый над идеально проводящей землей, движется в горизонтальном направлении, например слева направо (рис. 6-13, б), то противоположный по знаку зеркальный заряд передвигается в том же направлении. Значит, если в горизонтальной антенне течет ток в одном направлении, то в ее зеркальном изображении ток течет в другом, противоположном направлении. Таким образом, горизонтальная антенна и ее зеркальное изображение образуют систему из двух противофазных вибраторов. Из сказанного видно, что наличие хорошо проводящей земли под антенной существенно изменяет ее свойства.

Рис. 6-13. Направления токов в проводах и их зеркальных изображениях.

Если вертикальную антенну расположить так, чтобы ее нижний конец касался поверхности земли, то она образует вместе со своим зеркальным изображением симметричный вибратор (рис. 6-14, а), резонансная волна которого в 2 раза длиннее этого симметричного вибратора и, следовательно, в 4 раза больше высоты самой антенны. Поэтому заземленную антенну часто называют четвертьволновым вибратором.

Рис. 6-14. Несимметричный заземленный вибратор.
а - распределение тока и напряжения в вибраторе и его зеркальном изображении;
б - включение возбуждающего генератора.

Такая вертикальная антенна была предложена в 1895г. А.С.Поповым. С тех пор и до настоящего времени наряду с симметричным вибратором она считается одним из основных, наиболее распространенных антенных устройств. Достоинство заземленного вибратора заключается в простоте его устройства и малой длине, что особенно важно при работе на относительно длинных волнах.

Поскольку вместе с зеркальным изображением заземленный вибратор образует симметричный полуволновый вибратор, то поле его излучения над поверхностью земли является полем полуволнового вибратора (рис. 6-15), нижняя половина диаграммы направленности которого срезана землей.

Рис. 6-15. Диаграммы направленности несимметричного вибратора.
а - в горизонтальной плоскости;
б - в вертикальной плоскости.

Вследствие того, что распределение тока и напряжения вдоль несимметричного заземленного вибратора такое же, как и у симметричного, характер изменения его реактивного и активного сопротивлений такой же, как у симметричного, а все расчетные формулы, выведенные для симметричного вибратора, справедливы и для несимметричного. Единственная разница заключается в том, что потенциал второго зажима генератора, соединенного с землей, в любой момент времени равен нулю. Поэтому разность потенциалов между зажимом несимметричного вибратора и землей всегда вдвое меньше, чем между этим зажимом и его зеркальным изображением. Следовательно, входное сопротивление несимметричного вибратора оказывается вдвое меньшим, чем у симметричного, а сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора равно половине сопротивления излучения полуволнового диполя, т.е. = 36,5 Ом. По той же причине волновое сопротивление несимметричных антенн можно считать равным половине волнового сопротивления симметричных антенн, т.е. .

Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, то характер распределения тока в земной поверхности изменяется, в результате чего поле излучения вибратора меняется. Кроме того, увеличение активного сопротивления земли приводит к возрастанию потерь во всей излучающей системе, состоящей из вибратора и земли, уменьшению амплитуды тока, уменьшению излучаемой мощности и к.п.д. антенны.

Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны, куда стекаются все токи, наведенные антенной в земле (рис. 6-16, а). Для улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию земли: закапывают в землю металлические листы, провода, улучшают химический состав почвы, пропитывая ее различными солями, или используют противовесы. Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом приблизительно в 0,35. Поэтому металлизацию земли производят в радиусе порядка полуволны вокруг основания антенны.

Рис. 6-16. Заземление и противовес.

Опыт показывает, что нет надобности выполнять заземление в виде сплошного металлического листа; достаточно хорошо работает система радиально расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину 20-50 см.. Увеличение общего числа проводов улучшает качество заземления, однако увеличение их числа свыше 100-120 уже не дает существенного эффекта. Качество заземления улучшается, если радиальные провода соединяются между собой перемычками.

Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний должен достаточно хорошо экранировать антенный провод от земли, играя роль хорошо проводящей поверхности (рис. 6-16, б). Он обычно дает худшие результаты, чем заземление, но в ряде случаев его применение оказывается технически более целесообразным (например, в передвижных радиостанциях, при установке станции па каменистом грунте и т.п.).

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
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru