Доклад (Готовый семинар)

Вибраторные антенны. На практике широко используются антенны, состоящие из прямолинейных проводников. У этих антенн отсутствует излучение вдоль оси провода, поляризация линейная, ДНА осесимметричная. Распределение тока вдоль такого проводника можно считать синусоидальным. Такие излучатели называются вибраторными. Они обладают хорошо выраженными резонансными свойствами при длине волны l = λ/2, m=1, 2, 3 …

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметрич­ном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам источника посто­янной ЭДС (рис. 6.3,а). После того как распределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его поло­винами возникнет разность потенциа­лов, отключим источник питания и за­мкнем обе половины вибратора корот­кой перемычкой (рис. 6.3, а). 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 наи­большее значение; к концам же провода ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно, посколь­ку в распределенных индуктивностях возникает ЭДС 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.

По мере разряда распределенной емкости ток в проводе нарастает и до­стигает максимума, когда она полностью разрядится. При этом вся энергия элект­рического поля, запасенная емкостью, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей (рис. 6.3,в). Если вначале индуктивность про­водов 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 распределенной емкости, ,и, когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными (рис. 6.3,д). После этого процесс проте­кает в обратном направлении (рис. 6.3,е—и). Таким образом, в вибраторе возникают свободные электрические ко­лебания. При этом в нем устанавлива­ются стоячие волны тока ,и напряжения и вдоль его длины укладывается поло вина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны λо собст­венных колебаний симметричного вибра­тора вдвое больше его длины, т. е. λ=l/2.

Рис. 6.3. Свободные колебания в симметричном вибраторе

Поэтому симметричный вибратор на­зывают также полу волновым 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 Р_а добавляются потери на из­лучение Таким образом, мощность, потребляемая антенной,

В системах с распределенными по­стоянными, в которых ток .и напряжение меняются от точки к точке, целесооб­разно определять активное сопротивле­ние .исходя из энергетических соображе­ний, используя закон Джоуля — Ленца, связывающий мощность с током и со­противлением, т. е. P = I²R/2. 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

где ImA — амплитуда тока в пучности стоячей волны в антенне.

На основании выражения можно написать

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

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

Отсюда следует, что КПД 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 позволяет снизить требо­вания к изоляции антенны.

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 ЭДС, под­водимой к антенне. Распределение тока и напряжения вдоль антеннего провода может быть самым различным. Оно оп­ределяется тем, что возбуждаемые в антенне волны тока и напряжения отра­жаются от конца антенного провода и образуют стоячие волны аналогично то­му, как это происходит в разомкнутой длинной линии. Для того чтобы найги характер распределения тока и напря­жения в режиме вынужденных колеба­ний, нужно по частоте генератора и ско­рости распространения электромагнит­ных волн вдоль проводов, используя формулу λ =vT, 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

Сопротивле­ние излучения не зависит от абсолютных размеров вибратора, а определяется от­ношением их к длине волны. Так, все полуволновые диполи обладают сопро­тивлением излучения R∑ = 73,1 Ом независимо от того, равна ли их длина сотням метров или нескольким санти­метрам. Все вибраторы длиной в целую волну имеют сопротивление излучения R∑ = 200 Ом и т. д. Вследствие потерь на излучение и тепловых потерь в ан­тенне помимо стоячей волны существу­ет еще и бегущая волна. Однако во всех антеннах (кроме антенн бегущей вол­ны) амплитуда бегущей волны по срав­нению с амплитудой стоячей волны не­велика, и поэтому при расчете реактив­ной составляющей входного сопротивле­ния антенны ее можно не учитывать.

Электрическое поле графически мож­но охарактеризовать векторами, значе­ние и направление которых изображают значение 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. 6.10). Это означает, что электрический заряд, помещенный в это поле, под его действием движется параллельно про­воду антенны. Такое поле принято назы­вать поляризованным или полем по­ляризованных волн.

Вопрос о поляризации имеет в ра­диотехнике существенное значение. Так, если в поле вертикально поляризован­ных волн поместить горизонтальную приемную антенну, то никаких токов в ней наводиться не будет (рис. 6.10,а). Чем ближе направление оси приемной антенны к направлению поляризации, тем больший ток наводится в ней. На­пряженность поля, излучаемого линей­ным симметричным вибратором, в дан­ной точке пространства определяется двумя факторами: поляризацией излу­чения вибратора и сложением волн, из­лучаемых его различными участками. Рассмотрим влияние этих факторов на примере симметричного полуволнового диполя.

Рис. 6.10. Поляризация поля линейного излучателя: а — вертикальная поляризация; б — горизонтальная поляриза­ция

Электрическое поле волн, излучае­мых в направлении А (рис. 6.11,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 одна другую. Поэто­му излучение в направлении А макси­мально и приблизительно равно ариф­метической сумме волн, излученных от­дельными участками вибратора в этом направлении.

Рис. 6.11. Излучение диполя по различным направлениям

Электрическое поле волн, излучае­мых в направлении Б (рис. 6.11,6), зна­чительно слабее, поскольку электриче­ское поле волны Ев создается только составляющей поля вибратора Е₀, 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 Δd при распространении в направле­нии Б. Поэтому в зависимости от того, насколько направление Б отличается от направления А, они будут только час­тично усиливать друг друга.

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. 6.12) 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.