Сайт "Cner"

Для осуществления радиосвязи нужно иметь устройства, преобразующие энергию какого-либо вида в энергию электромагнитных волн.

Электромагнитные волны представляют собой особую форму движущейся материи, проявлением которой являются распространяющиеся в пространстве переменные электрические и магнитные поля.

Известно, что электрические и магнитные поля связаны с движением электрических зарядов. Проводник, по которому протекает постоянный электрический ток, создает в окружающем пространстве постоянные электрическое и магнитное поля и никакой энергии не излучает. Вся подводимая к нему энергия выделяется в проводнике в виде тепла. Если же сила тока в проводнике изменяется, то окружающие его электрическое и магнитное поля также будут изменяться. Эти изменения с огромной скоростью будут передаваться от зоны, расположенной вблизи проводника, в окружающее пространство — проводник станет излучателем электромагнитной энергии.

Возбуждение излучателей осуществляется генераторами переменной ЭДС. Провода излучающей системы можно присоединять к генератору различными способами. Если эти проводники одинаковой длины и конфигурации, то они образуют симметричную антенную систему (рис. 1,д). Во многих излучателях это условие не выполнено; часто излучающий провод присоединяется к одному зажиму генератора, в то время как второй зажим соединяется с землей (рис. 1,6). Такие системы образуют несимметричные антенны. В диапазоне длинных и средних волн, а иногда и на части коротковолнового диапазона земля является хорошим проводником и играет роль «второго провода» антенны.

Излучение антенны тем интенсивнее, чем больший ток протекает в ее проводах. Для получения большой силы тока используют явление электрического резонанса в антенне, т. е. так подбирают ее параметры, чтобы частота ее собственных колебаний совпадала с частотой генератора. При резонансе антенна представляет для генератора чисто активную нагрузку. Это свойство резонансных систем используется для определения резонансной частоты антенны. Помимо резонансных антенн, этим же свойством обладают антенны бегущей волны.

При подключении к зажиму генератора провода вдоль него начинает распространяться волна переменного тока и напряжения. Часть энергии этой волны переходит в энергию электромагнитных волн. Если создать на конце антенны такие условия, чтобы вся оставшаяся энергия там поглощалась, то антенна будет представлять для генератора чисто активную нагрузку. Поскольку в таких антеннах энергия переносится волной, бегущей в одну сторону — от генератора к концу антенны,— их называют антеннами бегущей волны. В таких антеннах на конце включается специально подобранное сопротивление R_н (рис. 2), величина которого зависит от геометрических данных антенны.



Если конец антенны не нагружен, остаток энергии не может поглотиться и отразиться от конца провода к его началу. Появится так называемая отраженная волна. Очевидно, что на конце антенны фаза отраженной волны равна, фазе падающей волны напряжения. Если фаза отраженной волны у зажимов генератора равна или противоположна фазе ЭДС генератора, то антенна представляет для него чисто активную нагрузку.

В первом случае (равенство фаз) прямая и отраженная волны будут складываться, в результате чего амплитуда напряжения на входе антенны значительно увеличится; амплитуда же тока на входе, наоборот, резко уменьшится. Это объясняется тем, что условия сложения прямой (падающей) и отраженной волн тока и напряжения противоположны. Действительно, положительная падающая волна напряжения (рис. 3) заставляет ток идти к концу антенны, а положительная отраженная волна заставляет его двигаться в противоположном направлении. Таким образом, падающая и отраженная волны напряжения складываются, а падающая и отраженная волны тока вычитаются.



Результат сложения падающих и отраженных волн в антенном проводе в различные моменты времени показан на рис. 4, из которого видно, что закон распределения амплитуд тока повторяет закон распределения амплитуд напряжения со сдвигом на четверть волны. На конце провода всегда находится максимум (пучность) напряжения и минимум (узел) тока. По мере удаления от конца амплитуда тока нарастает, а амплитуда напряжения падает и на расстоянии в четверть волны от конца образуются узел напряжения и пучность тока и т. д. Через каждые полволны картина повторяется. Рассмотренный случай представляет собой пример образования стоячих волн тока и напряжения в антенне, причем входное сопротивление ее оказывается весьма большим. Если в антенне нет потерь энергии, то амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей, напряжение на входе антенны удвоено, ток равен нулю, а входное сопротивление — бесконечности. Чем больше потери энергии в антенне, тем меньше амплитуда отраженной волны, меньше амплитуда напряжения на входе, больше сила тока и, следовательно, меньше входное сопротивление. Описанные явления аналогичны явлениям резонанса в параллельном контуре, поэтому часто их и называет параллельным резонансом в антенне. Он будет наблюдаться в том случае, когда волна, дойдя до конца и вернувшись обратно, пройдет путь, равный целому числу волн. Иными словами, параллельный резонанс в антенне наблюдается тогда, когда ее длина равна целому числу полуволн.
 


Когда длина антенны равна целому числу четвертей волн, отраженная волна приходит на вход с противоположной фазой и создает там узел напряжения и пучность тока. Если антенна не имеет потерь, то отраженная волна равна падающей и напряжение на входе равно нулю, в то время как сила тока удвоена. Входное сопротивление в этом случае равно нулю. Чем больше потери в антенне, тем больше разность падающей и отраженной волн, больше напряжение на входе, меньше ток и больше входное сопротивление. Эти явления аналогичны явлениям при резонансе в последовательном контуре, поэтому их часто называют последовательным резонансом в антенне.

Если антенна симметрична, то сформулированные выше условия выполняются для каждого из ее проводов, т. е. резонансная длина симметричных антенн вдвое больше резонансной длины несимметричных.

Аналогия между резонансом в антенне и колебательном контуре заключается не только в рассмотренных выше явлениях, но и в характере изменения реактивной составляющей входного сопротивления при расстройке антенны. Например, если несколько укоротить длину антенны по сравнению с резонансной длиной при последовательном резонансе, то в ее входном сопротивлении появится реактивная составляющая емкостного характера. Объясняется это следующим образом. Каждая единица длины антенного провода обладает некоторой индуктивностью, а также емкостью по отношению к земле или второму проводу; в первой накапливается магнитная энергия, пропорциональная квадрату силы протекающего через нее тока, а во второй — электрическая энергия, пропорциональная квадрату напряжения.

Как было показано ранее, резонанс наступает тогда, когда в проводе укладывается целое число четвертей волн; при этом запасаемые магнитная и электрическая энергии равны. Если укоротить антенну, то исключится участок провода вблизи пучности тока и узла напряжения, где 'преобладает магнитная энергия (заштрихованный участок на рис. 5), и антенна будет вести себя как нагрузка емкостного характера. При удлинении антенны характер входного сопротивления станет индуктивным. Вблизи от параллельных резонансов картина будет противоположной.



От колебательного контура антенна отличается наличием бесконечного множества резонансных частот. Это позволяет использовать ее на различных частотах. Однако здесь возникают затруднения при согласовании с генератором из-за резкой разницы в величине входных сопротивлений антенн при последовательном и параллельном резонансах.

Наименьшую резонансную частоту принято называть основной для данной антенны, а более высокие — высшими резонансными частотами или гармониками. Основной резонансной частотой несимметричной антенны будет та, при которой в ней уложится четверть волны, а у симметричной — половина. Это обстоятельство препятствует применению для целей связи сравнительно низких частот.

Конечно, можно использовать и антенны, длина которых много меньше резонансной, но они будут работать недостаточно эффективно. Причина этого заключается в следующем. Возникновение излучения увеличивает необратимые потери энергии в антенне, что условно можно объяснить как увеличение ее активного сопротивления на некоторую величину, называемую сопротивлением излучения. Чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением тепловых потерь провода, тем большая часть подводимой к антенне энергии преобразовывается в энергию электромагнитных колебаний и тем выше коэффициент полезного действия антенны как преобразователя энергии.

При использовании антенны, длина которой отличается от резонансной, необходимо включать дополнительный орган настройки, сопротивление которого по характеру противоположно сопротивлению реактивной составляющей входного сопротивления антенны. Введение его часто значительно увеличивает сопротивление тепловых потерь и снижает КПД антенны. Кроме того, при использовании антенн, длина которых меньше резонансной, сопротивление излучения резко падает.



Для пояснения сказанного рассмотрим две антенны одинаковой длины, одна из которых работает на резонансной волне (в ней укладывается четверть длины волны), а вторая — на значительно более длинной волне, вследствие чего вдоль нее укладывается меньше четверти волны (рис. 6). Интенсивность излучения антенны, очевидно, пропорциональна количеству зарядов, участвующих в колебательном движении вдоль антенного провода. Это количество зарядов в определенном масштабе можно представить в виде так называемой площади тока антенны, заключенной между изображением антенны и кривой распределения тока в ней (заштрихованная область на рис. 6). Из рисунка видно, что при одинаковой силе тока источника (у основания антенны) площадь тока, а следовательно, интенсивность излучения и сопротивление излучения у резонансной антенны будут больше.

Иначе говоря, для создания одинаковой интенсивности излучения антенну с меньшим сопротивлением излучения нужно питать большим током. Увеличение силы тока неизбежно приводит к повышению тепловых потерь; кроме того, увеличивается напряжение на распределенных индуктивностях, вследствие чего повышаются требования к изоляции антенны. При малом сопротивлении излучения резонансная характеристика антенны, как и всякой колебательной системы, сужается, что ухудшает ее диапазонные свойства, усложняет настройку и, вследствие увеличения разницы во входных сопротивлениях при последовательном и параллельном резонансах, затрудняет согласование антенн с генератором при работе на многих диапазонах. Поэтому всегда следует стремиться к получению возможно большего сопротивления излучения антенны.

Для удобства сравнения антенн между собой часто пользуются понятием действующей высоты антенн — так называют высоту некоторой мнимой антенны, имеющей при равномерном распределении тока вдоль провода ту же площадь тока (а следовательно, и одинаковую интенсивность излучения), что и данная реальная антенна. Чем ближе действующая высота антенны λ_д к ее геометрической длине λ_г (рис. 7), тем лучше распределение тока в ней.



Закон распределения тока в излучающем проводе у антенн одинаковой конфигурации определяется исключительно их электрической длиной — длиной антенны, выраженной в долях длины волны. Следовательно, все антенны одинакового вида, имеющие одинаковую электрическую длину, должны иметь равные сопротивления излучения.

При использовании излучателей, образованных линейными проводниками, необходимо учитывать, что их излучение поляризовано. Действительно, поскольку возбуждающий ток проходит вдоль прямолинейного проводника, он может создать в окружающем пространстве электрическое поле, векторы напряженности которого лежат в плоскости, проходящей через излучатель. Поэтому, если расположить приемную антенну перпендикулярно этой плоскости, никакая ЭДС в ней наведена не будет; чем меньше угол между приемной и передающей антеннами, тем больше величина наведенной ЭДС.

Электромагнитные волны являются волнами поперечного типа: векторы напряженности электрического и магнитного полей располагаются перпендикулярно направлению распространения электромагнитных волн. Поэтому в создании излучения в направлении под углом к излучателю участвует лишь некоторая составляющая электрического поля антенны, перпендикулярная данному направлению. Поэтому наиболее интенсивное излучение получается в направлении перпендикуляра к оси; по мере же приближения к оси антенны оно убывает до нуля.



Излучение антенны в различных направлениях неравномерно еще потому, что оно представляет собой результат излучения отдельных ее элементов в различных направлениях. Поэтому поле излучения антенны определяется конфигурацией излучающих проводов и распределением тока вдоль них. Так, например, если в антенне течет ток одного направления (длина антенны меньше половины волны), то в направлении перпендикуляра к ее оси излучение всех ее элементов будет складываться, создавая наиболее интенсивное излучение (рис. 8,а). В других направлениях волны, излученные отдельными участками, приобретают разность хода, сравнимую с длиной волны; складываясь, эти волны дадут менее интенсивное суммарное излучение. Если же в антенне укладывается полная волна тока, то в одной ее половине ток течет в противоположном направлении по сравнению с другой. Поэтому в направлении, перпендикулярном к оси (рис. 8,6), волны, излученные обеими половинами антенны, взаимно уничтожаются; в других направлениях благодаря появлению разности хода они складываются, причем так как разность фаз между ними будет меньше 180°, то создастся некоторое результирующее поле. Под каким-то углом к оси разность хода станет такой, что излучения отдельных участков будут усиливать друг друга. Таким образом, излучение линейных антенн в различных направлениях весьма неравномерно. Для того чтобы наглядно характеризовать излучение антенны, строят в определенном масштабе графики, характеризующие интенсивность поля, создаваемого антенной в различных направлениях. Эти графики называют характеристиками излучения или диаграммами направленности антенны.

Усиление излучения в некоторых направлениях выгодно, если оно направлено в сторону приемной станции. Если бы работа велась на антенну, излучающую равномерно по всем направлениям, то для получения той же напряженности поля в месте приема пришлось бы использовать более мощный передатчик. Этот выигрыш в мощности передатчика называется выигрышем антенны по данному направлению по сравнению с ненаправленной антенной.

Перечисленные выше параметры излучателей необходимы для правильной оценки эффективности излучающих свойств антенных устройств.