Антенна

Колебательный контур не излучает в окружающее пространство энергию электромагнитных волн, так как энергия электрического поля сосредоточена в конденсаторе, а энергия магнитного поля — в катушке индуктивности. Длинная двухпроводная линия l = λ/4, разомкнутая или короткозамкнутая на конце, тоже практически не излучает электромагнитных волн, поскольку расстояние между проводами мало. Действительно, токи в проводах идут навстречу друг другу (в одном проводе от начала к концу линии, а в другом проводе от конца к началу), поэтому можно считать, что в окружающем пространстве магнитные поля, создаваемые токами, компенсируют друг друга и результирующее магнитное поле равно нулю.

Если провода разомкнутой двухпроводной линии, длиной в четверть волны, развернуть на 180°, то токи в проводах будут иметь одно направление и в окружающем пространстве появится электромагнитное ноле, т. е. линия превратится в антенну (полуволновой вибpатор).

Таким образом, антенна представляет «открытую» колебательную систему с распределенными параметрами и ее размеры должны быть соизмеримы с длиной волны

На рис. 209, а показаны электрически и магнитное поля и распределение напряжений и токов в вибраторе длиной 2l = λ/2, где λ —длина излучаемой электромагнитной волны. Рис. 209. Распределение напряжений и токов и антеннах и диаграммы направленности: а — полуволновой вибратор; б и в — расположение вибраторов при отсутствии связи; г — вертикальная антенна; д — образная антенна.

Напряженность поля в любой точке окружающего пространства можно определить, суммируя cooтветствующие поля, создаваемые элементарными участками (элементарными диполями) провода вибратора. Установлено, что чем больше частота и амплитуда тока в вибраторе, тем большую напряженность поля удается обеспечить в месте приема. С увеличением расстояния от излучателя напряженность поля падает.

Мощность колебаний, подводимых к антенне, можно определить по формуле

где R_A — входное сопротивление антенны, учитывающее сопротивление потерь R_п и сопротивление излучения R_изл; I_A — максимальное значение тока в антенне.

Излучаемая мощность

где R_изл — сопротивление излучения, отнесенное к току у основания антенны.

К. п. д. Вибратора

Величина к. п. д. полуволнового вибратора приближается к 100%.

Если волны распространяются без преломления, то при значительном удалении от вибратора силовые линии электрического поля располагаются параллельно вибратору, а силовые линии магнитного поля — перпендикулярно ему. Поляризацию радиоволн определяют по направлению электрического поля (при горизонтальном расположении вибратора излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию).

Большинство антенн, и в том числе полуволновой вибратор, обладают свойством направленного излучения, т. е. могут концентрировать излучение в каком-либо одном направлении. Направленное действие антенн иллюстрируют с помощью диаграмм направленности, которые графически наглядно показывают изменение плотности потока излучаемой мощности в зависимости от направления.

Диаграммы направленности строят обычно в двух плоскостях — вертикальной и горизонтальной. Вертикально расположенный полуволновый вибратор в горизонтальной плоскости пе обладает направленным излучением — диаграмма направленности имеет форму круга, центр которого расположен в середине вибратора; в вертикальной плоскости диаграмма направленности имеет форму восьмерки (рис. 209, а). Шириной диаграммы направленности называется угол θ, в пределах которого излучаемая мощность уменьшается в два раза по сравнению с излучаемой мощностью в направлении максимального излучения. Направленное действие антенн характеризует коэффициент направленного действия D, показывающий во сколько раз следует уменьшить мощность передатчика, если антенну, не обладающую направленным излучением, заменить эквивалентной антенной, обеcпечивающей вместе приема одинаковую напряженность поля.

Коэффициент усиления антенны определяется произведением коэффициента направленного действия D на к.п.д антенны:

К_ус = Dη.

Направленность и поляризацию излучаемых волн следует учитывать при установке антенн. Лучшая связь имеет место при параллельном расположении вибраторов передающей и приемной установок. Если же вибраторы будут повернуты друг относительно друга на 90°, то связи не будет либо вследствие направленного действия вибраторов (рис. 209, б), либо вследствие того, что волны, излучаемые первым вибратором, имеют не ту поляризацию, какая необходима, чтобы их мог принять второй вибратор (рис. 209, в). Во всех промежуточных положениях вибраторов связь будет, но хуже, чем при их параллельном расположении.

Для излучения электромагнитных волн используются также несимметричные антенны. Простейшей из них  является  вертикально   расположенный  провод.

Антенны всегда устанавливают недалеко от поверхности земли или около каких-либо проводящих поверхностей (корпус корабля, самолета и т. д.). Напряженность поля, создаваемая в окружающем пространстве, определяется напряженностью, создаваемой не только волнами, идущими непосредственно от антенны, но и волнами, отраженными от проводящей поверхности. Землю приближенно считают идеальным проводником.

При анализе влияния земли на направленность излучения антенны пользуются методом зеркальных изображений: землю заменяют фиктивной антенной, представляющей собой зеркальное изображение действительного вибратора, но с зарядом обратного знака. На рис. 209, г показаны вертикальный провод-антенна, расположенный непосредственно у поверхности земли, и его зеркальное изображение (пунктир). Характеристика направленности такой антенны в горизонтальной плоскости представляет круг, а в вертикальной — половину восьмерки.

Итак, вертикальную антенну мы заменили симметричным вибратором. Нетрудно прийти к выводу, что при одинаковой амплитуде тока в симметричной и несимметричной антеннах разность потенциалов между проводом и землей в несимметричном вибраторе будет в два раза меньше, чем на зажимах симметричного вибратора. Следовательно, входное сопротивление вертикальной антенны оказывается в два раза меньшим, чем у симметричного вибратора, а излучение в горизонтальном направлении увеличивается в два раза по сравнению с излучением одиночного вибратора. При определении излучающих сиойаи антенны вводят понятие о действующей высоте антенны hд .

Действующая высота антенны — высота фиктивной антенны с равномерным распределением тока по ее высоте, равным значению тока у основания антенны. Отсюда сопротивление излучения

Чем меньше действующая высота антенны отличается от действительной ее высоты, тем большую напряженность поля можно получить в месте приема. Напряженность поля в месте приема пропорциональна корню квадратному из мощности излучения и обратно пропорциональна расстоянию между передающей и приемной антеннами. Так как ток в конце антенны всегда равен нулю, то для увеличения действующей высоты к антенне добавляют горизонтальную часть (Г-образные, Т-образные, метелочные, зонтичные антенны).

На рис. 209, д показаны Г-образная антенна, распределение тока в ней и ее действующая высота. Как видно, распределение тока вдоль вертикальной части антенны оказывается более равномерным. В горизонтальной части антенны и в ее зеркальном изображении токи сдвинуты по фазе на 180°, поэтому электромагнитные поля, создаваемые горизонтальными проводами, взаимно компенсируются. Таким образом, горизонтальные части антенн не оказывают существенного влияния на величину излучаемой мощности.

Мы предполагали, что земля является идеальным про водником. В действительности же земля обладает поте рями, которые могут значительно снизить к. п. д. антенны (особенно у антенн длинных волн, где R_изл мало).  Для уменьшения потерь в земле вблизи антенны, на глубине грунтовых вод, располагают металлическую сварную плоскую конструкцию — заземление или устанавливают противовес в виде либо металлической сетки, либо отдельных проводников, расположенных обычно на высоте до 2—3 м от поверхности земли.