1.2. Элементарные антенны
В общем случае практический любой отрезок проводника, по которым протекает переменный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно также в любом отрезке проводника, находящемся в электрмагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Однако доля энергии электромагнитного поля, возникающая в проводнике, существенным образом зависит от его конфигурации, соотношения размеров проводника и длины волны электромагнитных колебаний, Для излучения и приема электромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются специфические радиотехнические устройства, называемые антеннами. Теория и экспериментальные исследования показывают, что простейшую излучающую (передающую) антенну (рис.1.9) можно создать из отрезка электрического проводника размером в половину длины излучаемой волны (аналог колебательного контура., в середину которого включен генератор колебаний высокой частоты. Антенну, полученную из отрезка проводника размером в половину длины волны излучения, называют полуволновым вибратором.
Рис. 1.9. Полуволновой вибратор: а – устройство; б – диаграмма направленности.
Простейший вид диаграммы направленности создается элементарным диполем, у которого наибольшая интенсивность излучения имеет место в направлении, перпендикулярном проводнику; вдоль проводника излучение отсутствует. Увеличение длины излучающего проводника приводит к к существенному изменению электромагнитного поля, поскольку каждый элементарный излучатель (диполь) создает свое поле излучения. Полное электромагнитное поле излучения в любой точке пространства равно сумме элементарных полей. На рис.1.9, б сплошной линией показана диаграмма направленности вертикально расположенного полуволнового вибратора, построенная в меридиональной (азимутальной) плоскости. Здесь же штриховой линией показана диаграмма направленности элементарного диполя.
Отметим очевидное – для вертикально расположенного вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имеет вид окружности (круговая ДН), а в вертикальной – круговых вытянутых восьмерок. Подобная форма диаграммы направленности в горизонтальной плоскости свидетельствует о всенаправленности излучения полуволнового вибратора вдоль поверхности Земли.
Концентрация излучаемой энергии в узком секторе позволяет резко увеличить дальность распространения волн. Это можно осуществить с помощью многовибраторных антенн. Если параллельно излучающему вибратору 1 на расстоянии чуть меньше λ/4 расположить другой полуволновой вибратор 2 (рефлектор), то в нем под воздействием поля излучения будет индуцироваться переменный ток, который возбудит свое электромагнитное поле (рефлектор действует как отражатель). Данное электромагнитное поле, суммируясь с электромагнитным полем излучающего вибратора, сузит диаграмму направленности со стороны последнего. Если перед излучающим вибратором (рис. 1.10) также расположить
Рис.1.10. Антенна типа волновой канал.
несколько вспомогательных вибраторов 3 (директоров), то, подбирая их длину и расстояние между ними можно еще более сузить диаграмму направленности в направлении излучения и ослабить ее с противоположной стороны. Построенная таким образом конструкция называется антенной типа волновой канал и широко используется в качестве приемной телевизионной антенны. Отметим такой важный параметр антенны, как коэффициент направленного действия, показывающий во сколько раз средняя мощность, излучаемая (принимаемая) в заданном направлении, больше средней мощности, излучаемой по всем направлениям. Параметр, равный произведению коэффициента направленного действия и коэффициента полезного действия, характеризует коэффициент усиления антенны.
В диапазонах километровых волн габариты даже одновибраторных антенн оказываются столь большими, что возникают существенные трудности в их реализации. В частности, поднимать излучатель на высоту, сравнимую, например с длиной волны в 3…5 км, практически невозможно. Оказалось, что имеется очень простое решение этой проблемы. Поскольку Земля для этих диапазонов радиоволн является достаточно хорошим проводником, то в качестве антенн можно использовать не полуволновой, а четвертьволновой заземленный вибратор. Такая антенна носит название четвертьволновой вибраторной антенны и представляет собой вертикальную излучающую конструкцию, между основанием которой и Землей включен источник высокочастотных колебаний (рис.1.11, а).
Рис.1.11. Четвертьволновая вибраторная антенна.
В этом случае отраженные от Земли радиоволны будут создавать электромагнитное поле, аналогичное тому, которое возбуждается незаземленным четвертьволновым элементом полуволнового вибратора. Результирующее же электромагнитное поле над поверхностью Земли будет практически таким же, как и излучение одним полуволновым вибратором. Однако мощность излучения почти в два раза меньше.
Для создания остронаправленного излучения энергии электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн менее метра широко используются антенны с параболическим отражателем. Излучатель такой антенны должен быть расположен в фокусе параболического зеркала. В этом случае данная антенна будет концентрировать электромагнитное излучение в узком секторе пространства, подобно отражающему зеркалу оптического прожектора или электрического фонаря (рис.1.12.).
Рис.1.12. Параболическая антенна.