Антенные устройства и распространение радиоволн

Антенной называется система проводников, служащих для излучения радиоволн на передающей станции и для улавливания радиоволн на приемной станции. Иначе говоря, антенна осуществляет преобразование энергии тока высокой частоты в, энергию радиоволн или, наоборот, преобразует энергию радиоволн в энергию тока высокой частоты.

Впервые антенны в виде полуволнового вибратора и рамки применил Генрих Герц (1888). В дальнейшем в технику антенных устройств большой вклад внесли такие ученые и изобретатели, как А. С. Попов (1895 и позже), М. В. Шулейкин (после 1920), А. А. Пистолькорс, В. В. Татаринов, М. А. Бонч-Бруевич и другие.

В состав антенного устройства во многих случаях, помимо самой антенны, служащей для излучения или приема радиоволн, входит еще фидерная линия, которая служит для передачи с наименьшими потерями электромагнитных волн от передатчика к антенне или от антенны к приемнику. Для правильной работы антенного устройства сами фидерные линии не должны обладать антенным эффектом, т. е. излучать или принимать радиоволны.

Принято разделять антенны на передающие и приемные, хотя принципиальной разницы в устройстве между ними в большинстве случаев нет. Передающая антенна должна излучать в нужном направлении электромагнитные волны с возможно большей энергией. В приемной антенне радиоволны, пришедшие в определенном направлении, должны создавать колебания с возможно большей энергией.

Антенные устройства обладают свойством обратимости. Это значит, что любая передающая антенна, как правило, может работать в качестве приемной и наоборот. Кроме того, если антевна, работающая в качестве передающей, обладает некоторыми свойствами, то подобные же свойства остаются и в случае использования данной антенны для приема. Например, если антенна лучше всего излучает волны в некотором определенном направлении, то она будет принимать лучше всего волны, приходящие с этого же направления. Практически иногда передающие и приемные антенны все же имеют некоторые различия.

Рассмотрим прежде всего элементарные принципы устройства и работы простейших антенн.

Замкнутый колебательный контур, имеющий малые размеры по сравнению с длиной волны, очень плохо излучает электромагнитные волны. Это можно объяснить следующим образом.

Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты.

Рис.1 - Противоположные направления токов в элементах колебательного контура.

Рис.1. Противоположные направления токов в элементах колебательного контура виде петли (рис.1 а), то в двух его половинках токи направлены в противоположные стороны.

Волны, создаваемые этими токами, противоположны по фазе и, если расстояние между проводами d мало по сравнению с длиной волны, то эти волны будут в пространстве взаимно уничтожаться.

Таким образом, провод в виде петли почти не излучает электромагнитные волны. То же можно оказать и о проводе в виде прямоугольного или круглого витка (рис. 1 (б) и (в)), имеющего размеры много меньше длины волны. Токи в противоположных сторонах квадратного витка направлены в разные стороны и волны, создаваемые этими токами, имеют противоположные фазы. В направлении, перпендикулярном к плоскости витка, эти волны взаимно уничтожаются. А в направлении вдоль плоскости витка сдвиг фаз между этими волнами немного отличается от 180°, так как одна из волн проходит лишний путь, равный d, и несколько запаздывает по фазе. Но если сторона витка много меньше длины волны, то запаздывание ничтожно и практически волны, идущие в этом направлении, также взаимно уничтожаются.

У круглого витка малого диаметра каждому данному элементу провода, например элементу А на рис.1 в, соответствует другой диаметрально противоположный элемент (Б на рис.1 б), причем в этих элементах токи направлены в разные стороны. Волны, создаваемые этими элементами, имеют противоположные фазы и практически взаимно уничтожаются.

Если бы размер d составлял заметную часть длины волны (ламбда), то волны, идущие в направлении вдоль плоскости витка от его противоположных сторон, имели бы сдвиг фаз, значительно отличающийся от 180°, так как одна из волн заметно запаздывала бы, и поэтому взаимного уничтожения волн не получалось бы. Только в направлении, перпендикулярном витку, волны шли бы путями одинаковой длины и взаимно уничтожали бы друг друга.

В радиотехнических колебательных контурах, работающих на средних и коротких волнах, витки катушек имеют обычно диаметр порядка нескольких сантиметров, а длина волны измеряется десятками и сотнями метров. При таком соотношении практически можно считать, что каждый виток в отдельности не излучает, а следовательно, и вся катушка в целом также не будет излучать.

Весь контур на этих волнах можно представить как один виток, в противоположных элементах которого токи протекают в разных направлениях. В соединительных проводах АБ и ВГ (рис.1) токи имеют противоположные направления. То же можно сказать и о токах в участках АВ и БГ, т. е. в катушке и в конденсаторе. Так как геометрические размеры контура малы по сравнению с длиной волны, то контур практически излучает очень слабо.

Однако возможно изменить устройство колебательного контура так, что в отдельных его элементах токи будут иметь одинаковое направление в пространстве, т.е. колебания в отдельных элементах контура совпадут по фазе. Тогда волны, создаваемые этими элементами, взаимно не уничтожатся и получится значительное излучение. Это достигается превращением замкнутого контура (рис. 2 а) в открытый контур, т.е. в антенну.

Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соединительные провода в прямую линию (рис.2 6), то направления токов в этих проводах станут одинаковыми. Подобный контур излучает волны все же недостаточно, так как отсутствует излучение катушкой, и токи, протекающие по обкладкам конденсатора, направлены в противоположные стороны и под прямым углом к токам в соединительных проводах.

Дальнейшее увеличение излучения волн получится, если вытянуть провод катушки в прямую линию и вместо обкладок для создания необходимой емкости применить провода достаточной длины (рис.2 в). Тогда направление токов во всех элементах провода будет одно и то же, т. е. колебания во всех частях провода будут совершаться в одинаковых фазах, и излучение волн станет наибольшим. Таким образом, открытый контур в простейшем случае представляет собой прямолинейный провод. Практически в нем все же обычно оставляют небольшую катушку Lee для связи с генератором (рис.2 г).

Всякий провод обладает собственной индуктивностью и собственной емкостью, распределенными по его длине, а поэтому является своеобразным колебательным контуром, в котором можно получить свободные электрические колебания. На схеме (рис.3 а) в положении 1 переключателя П обе половины провода заряжаются от батареи Б.

Рис.3 - Схема возбуждения свободных колебаний в открытом контуре и колебательный процесс в нем.

Если перевести переключатель в положение 2, то электроны будут двигаться вдоль провода в направлении от нижней его половины к верхней, а затем в обратном направлении, т. е. в проводе возникнут свободные затухающие колебания.

Отдельные фазы колебательного процесса в проводе показаны на (рис.3 б). В верхней части рисунка показано распределение электрического и магнитного полей, а в нижней части — график изменения тока и напряжения в антенне.

Напряжением в какой-либо точке антенны принято называть разность потенциалов между данной точкой и симметрично ей расположенной точкой на второй половине провода. График тока показывает также изменение напряженности магнитногЬ поля, а график напряжения—изменение напряженности электрического поля. На (рис.3 6) график напряжения и соответствующее ему электрическое поле изображены штриховой линией, а график тока и соответствующее ему магнитное поле — сплошной линией.

В начальный момент (0 на рис.3 6) провод обладает потенциальной энергией электрического поля зарядов, сосредоточенных на верхней и нижней половинах провода. Тока еще нет, а разность потенциалов имеет максимальную величину. При возникновении движения электронов вдоль провода ток возрастает, а напряжение уменьшается, и энергия электрического поля переходит в кинетическую энергию магнитного поля, создаваемого током. Через четверть периода электрическое поле заменяется магнитным полем. В этот момент (1 на рис.3 б) ток максимален, а напряжение равно нулю. Затем ток и магнитное поле уменьшаются. Возникает эде самоиндукции, которая поддерживает движение электронов и провод перезаряжается. Энергия переходит из магнитного поля в электрическое. К концу второй четверти периода (момент 2) снова энергия сосредоточена в электрическом поле, но направление поля изменилось на обратное. Далее, в течение следующей половины периода весь процесс повторяется в обратном направлении и восстанавливается первоначальное состояние.

В промежуточные моменты, не изображенные на верхнем чертеже, одновременно существуют электрическое и магнитное поля, так как энергия распределена между обоими полями. Электрическое и магнитное поля имеются вдоль всего провода, причем магнитное поле наиболее сильное в середине провода, где ток наибольшей величины, а на концах провода ток равен нулю и магнитное поле отсутствует.

Открытый контур, представляющий собой прямолинейный провод, в котором могут происходить свободные электрические колебания, называют симметричным вибратором или, короче, просто вибратором, или диполем. Для получения в нем незатухающих колебаний его связывают с генератором, например, при помощи индуктивной связи (рис.4). В простейшем случае антенное устройство для длинных, средних, а иногда и коротких волн может быть выполнено следующим образом. По возможности выше над землей подвешивается сама антенна, т.е. система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля или второй провод, называемый противовесом и подвешенный невысоко над землей.

Рис.4 - Индуктивная связь открытого контура с генератором

Такое антенное устройство является несимметричным. Емкость Са между антенной и землей (или противовесом) доходит до десятков или даже сотен пикофарад. Схематически антенные устройства с заземлением и с противовесом показаны на (рис.5 а) я б. На этих же рисунках даны условные обозначения антенны, земли и противовеса, применяемые в радиотехнических схемах.

Рис.5 - Антенное устройство с заземлением (а) и с противововесом (б)

Литература

Знаете ли Вы, низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.