Общие принципы построения антенн.

Антенна является необходимым элементом любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Антенна радиопередатчика (передающая антенна) предназначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излучаемых ею электромагнитных волн. Антенна радиоприемника (приемная антенна) предназначена для преобразования принятых ею электромагнитных волн в энергию тока высокой частоты. Характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет обратимость их использования. Обратимость антенн находит выражение не только в принципиальной возможности использования одной и той же антенны в качестве передающей или приемной, но и в том, что основные параметры антенны сохраняются при использовании ее как для передачи, так и для приема. Это имеет большое практическое значение. Так, многие передвижные радиостанции, предназначенные для связи, имеют общую антенну для передачи и для приема
Рис. 1.10. Симметричные антенны

.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного канала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот. При передаче электромагнитной энергии по линии стремятся уменьшить излучение самой линии. Для этого провода линии располагают параллельно и по возможности ближе друг к другу. При этом поля двух одинаковых по значению, но противоположно направленных токов взаимно компенсируются и излучения энергии в окружающее пространство не происходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого можно использовать те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излучающих свойств. Можно, например, раздвинуть провода линии на некоторый угол, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана работа V-образных и ромбических антенн, излучающие провода которых расположены под острым углом один к другому (рис. 1.10, а, б), и симметричного вибратора, получающегося при разведении проводов на 180° (см. рис. 1.10, в).

Рис. 1.11. Несимметричные антенны

Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из системы. Это приводит к получению несимметричного вибратора (рис. 1.11, а). Все антенны, использующие этот принцип работы, относятся к классу несимметричных антенн. К ним также принадлежат Г-образные и Т-образные антенны (см. рис. 1.11, б, в).

Рис. 1.12. Синфазные (а, б) и противофазные (а-д) антенны

Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтекаются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого необходимо создать фазовый сдвиг в половину длины волны, например за счет неизлучающего шлейфа (рис. 1.12, а). На таком же принципе основаны синфазные антенны, получившие широкое распространение (см. рис. 1.12, б).

Фидер будет излучать, если расстояния между проводами по некоторым направлениям приобретают значительную разность хода. Более того, можно так подобрать расстояние между проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих проводов. Это широко используется в многочисленных противофазных антеннах. Работу таких антенн нетрудно понять из трех примеров, приведенных на рис. 1.12, в-д. В антенне (см. рис. 1.12, в) противофазность токов в проводах обеспечивается подключением их к фидеру на расстоянии в пол волны. Антенна, изображенная на рис. 1.12, г, представляет собой фидер, как бы расширенный на конце. В антенне на рис. 1.12, д противофазность токов обеспечивается перекрещиванием питающих проводов.

Остановимся на работе симметричного вибратора как излучателя, который входит в состав многих антенн. Симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180°. Каждый элемент данной линии обладает определенной индуктивностью и емкостью между проводами (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Симметричный вибратор и его эквивалентная схема

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметричном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам источника постоянной ЭДС (рис. 1.14, а). После того как распределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замкнем обе половины вибратора перемычкой (см. рис. 1.14, б). 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 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 его создании (см. рис. 1.14, 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.

Рис. 1.14. Свободные колебания в симметричном вибраторе

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 (см. рис. 1.14, в). Если вначале индуктивность проводов вибратора препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его уменьшению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее направление (см. рис. 1.14, г). За счет этого происходит перезаряд распределенной емкости, и когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными (см. рис. 1.14, д). После этого процесс протекает в обратном направлении (см. рис. 1.14, 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 половина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны λ₀ собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины, т.е. λ = 21. Поэтому симметричный вибратор называют также полуволновым диполем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собственных колебаний.

Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его размер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам земли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подключается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 1.15, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней наводится ЭДС, которая действует как

Рис. 1.15. Четвертьволновый вибратор

зеркальное изображение основного вибратора (см. рис. 1.15, б). Такая антенна называется вертикальной несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна λ/4. Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля обладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны. Для улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию земли: закапывают в землю металлические листы, провода; улучшают химический состав почвы, пропитывая ее различными солями.

Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную металлизацию земли, достаточно хорошо работает система радиальных расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину 20...50 см. Качество металлизации 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. Он обычно дает худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является единственным выходом из положения. Обычно в качестве противовеса используется корпус автомобиля, на котором расположена радиостанция. Таким же образом поступают при необходимости установки радиостанции на каменистом грунте.