В чем разница между диполем (симметричной вибраторной антенной) и антенной (штыревая антенна с проволочными противовесами)?

Горизонтальные вибраторы, расположенные в несколько этажей

Если расположить горизонтальные полуволновые вибраторы, возбуждаемые синфазно, друг над другом, то ширина диаграммы направленности такой системы в горизонтальной плоскости останется такой же, как и у одиночного полуволнового вибратора. Напротив, в вертикальной плоскости в этом случае электромагнитное излучение будет концентрироваться в узкий пучок. На рис. 10-5 изображены четыре полуволновых вибратора, расположенные друг над другом в вертикальной плоскости на расстоянии λ/2 друг от друга (возбуждение вибраторов синфазное) и приведена диаграмма направленности такой системы в вертикальной плоскости. Такое сочетание вибраторов называется многовибраторной антенной, иногда многовибраторной антенной решеткой с синфазным возбуждением.

Излучение электромагнитных волн происходит в обе стороны от плоскости антенны. Усиление антенны, обусловленное концентрацией излучения в вертикальной плоскости, зависит в первую очередь от числа «этажей» и от расстояния между вибраторами. Оптимальное расстояние между этажами равняется 0,65—0,75 λ. Однако расстояние, равное λ/2, с механической точки зрения имеет некоторые преимущества, и поэтому обычно это расстояние между вибраторами и выбирают. Ниже указаны коэффициенты усиления, получаемые при использовании антенных решеток, состоящих из горизонтальных синфазно возбуждаемых полуволновых вибраторов, расположенных в вертикальной плоскости друг над другом на расстоянии λ/2. Итак, два параллельных синфазно возбуждаемых полуволновых вибратора дают усиление 4 дб, три — 5,5 дб, четыре — 6,8 дб, пять — 7,8 дб, шесть — 8,5 дб, семь — 9,2 дб, восемь — 9,7 дб, девять — 10,2 дб,а десять параллельных синфазно возбуждаемых полуволновых вибраторов дают усиление 10,7 дб.

Так же как и в случае линейно расположенных вибраторов, использование рефлекторов дает увеличение коэффициента усиления на 3 дб. Если расстояние между вибраторами и рефлекторами равняется 0,25 λ, то сопротивление излучения вибраторов в этом случае не меняется. Использование вместо рефлекторов рефлекторной решетки дает увеличение коэффициента усиления, равное 7 дб.

Диаграмма направленности

Электромагнитные волны распространяются от вибратора со скоростью света, но распределение излучения по всем направлениям происходит неравномерно. У всех антенн в определенных направлениях имеются максимумы, а в других — минимумы излучения. Для того чтобы полностью изобразить диаграмму направленности излучения, ее необходимо построить в трехмерном пространстве. На практике, однако, оказывается достаточным рассматривать сечения диаграммы направленности горизонтальной и вертикальной плоскостями.

Опытное снятие диаграммы направленности в горизонтальной плоскости осуществляется при помощи замера значений напряженности электрического поля в точках, расположенных на окружности некоторого радиуса вокруг антенны. Радиус должен составлять по меньшей мере 3—5 λ. Данные измерений затем наносятся в соответствии с направлением и напряженностью поля на бумагу с полярными координатами, и таким образом получается диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. На рис. 1-9 в качестве примера показана диаграмма направленности в горизонтальной плоскости горизонтального λ/2 вибратора.

Концентрические линии служат для задания масштаба по напряженности поля, в то время как радиальные линии образуют деление окружности на 360° и служат для определения направления. Как видно из рис. 1-9, диаграмма направленности полуволнового вибратора в плоскости, проходящей через его ось, имеет форму восьмерки, где максимум излучения расположен в направлении, перпендикулярном оси вибратора, а минимум — в направлении его оси.

Приведенная диаграмма является идеализированной; на практике она несколько изменяется под влиянием окружающих предметов, а также за счет дополнительного подключения каких-либо дополнительных элементов, например рефлекторов и директоров.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора в вертикальной плоскости при различной высоте подвеса его над поверхностью идеально проводящей земли изображена на рис. 1-10.

Из рассмотрения приведенных рисунков можно сделать вывод, что для радиолюбительской работы следует располагать полуволновый вибратор по меньшей мере на расстоянии λ/2 от поверхности Земли. Вибратор, расположенный на высоте λ/4, имеет значительную интенсивность излучения под высокими углами и поэтому применяется обычно для связи с самолетами, но дает плохие результаты при связях на большие расстояния.

Из диаграммы направленности можно определить и другие важные параметры, характеризующие антенну. В первую очередь нас интересует ширина диаграммы направленности. Под шириной диаграммы направленности понимается угол, внутри которого напряженность поля превосходит определенный уровень. Она определяется следующим образом: наибольшее напряжение на входе приемника (измерительного) принимается за единицу, затем определяются две точки по обеим сторонам главного лепестка диаграммы направленности, в которых напряжение уменьшается до $\sqrt{0,5}\approx{0,71}$ от значения максимального напряжения (что соответствует уменьшению мощности до 0,50), т. е. происходит уменьшение напряжения на 3 дб. Соответственно прямые (рис. 1-11), проведенные через центр, и эти точки образуют искомый угол, определяющий ширину диаграммы направленности.

Ширину диаграммы направленности можно также определить как угол, внутри которого мощность превосходит половину максимальной мощности, излучаемой в основном направлении.

Иногда применяется понятие ширины диаграммы направленности на уровне половинной напряженности поля. Этот угол определяется точками, расположенными по обе стороны от направления основного излучения, в которых напряженность поля достигает значения, равного 0,5 максимального. Половинная напряженность поля соответствует 0,25 мощности или уменьшению напряжения на 6 дб.

Изображенная диаграмма направленности (рис. 1-11) идеализированная. В действительности основной лепесток деформируется и появляются боковые лепестки диаграммы направленности.

Часто применяют также изображение диаграмм направленности в прямоугольной системе координат (рис. 1-12). Если диаграмма направленности обладает симметрией относительно направления основного излучения, то это позволяет изображать диаграмму направленности только в секторе углов от 0° до 180°, причем максимум излучения совмещается с 0°.

Для изображения диаграмм направленности антенн с несимметричными лепестками по оси абсцисс откладываются углы от 0 до 360°. Для изображения диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в прямоугольной системе координат используют углы от 0 до 90°.

Дипольные типы

Короткий диполь

Короткий диполь — физически выполнимый диполь, сформированный двумя проводниками с полной длиной L существенно меньше чем половина длины волны λ/2. Поскольку та длина уменьшена, количественные заявления ниже становятся точными.

feedpoint обычно в центре диполя. Текущий профиль в каждом элементе, фактически заключительная часть синусоидальной постоянной волны, является приблизительно треугольным распределением, уменьшающимся от feedpoint тока до ноля в концах. Далекий полевой образец электрического поля на расстоянии r в направлении θ от оси антенны, находится в θ направлении (поперечный к направлению волны, в самолете антенны) величины:

где ω — частота радиана (ω = 2πf), и k — wavenumber (k=2π/λ). c — скорость света, и feedpoint ток, как предполагается.

Этот радиационный образец подобен и только немного менее направлен, чем тот из диполя полуволны.

Используя вышеупомянутое выражение для радиации в далекой области для данного feedpoint тока, мы можем объединяться по всему твердому углу, чтобы получить полную излученную власть.

где Z — импеданс свободного пространства, Z = 1 / (cε).

От этого возможно вывести радиационное сопротивление, равное (реальной) части имеющей сопротивление feedpoint импеданса, пренебрегая компонентом из-за омических потерь. Устанавливая P к власти, поставляемой в feedpoint (так как я — максимальный ток), мы находим:

Снова, эти отношения точны для L

куда k = 2π/λ и z бежит от −L /2 до L /2.

В далекой области это производит радиационный образец, электрическое поле которого дано

Направленный фактор, потому что [(π/2), cos ] /sin  едва отличается от sin  обращение к короткому диполю, приводящему к очень подобному радиационному образцу, как отмечено выше.

Числовая интеграция этого интеграла по всему твердому углу, как мы сделали для короткого диполя, поставляет стоимость для радиационного сопротивления:

Используя вызванный метод ЭДС, реальная часть ведущего импеданса пункта может также быть написана с точки зрения интеграла косинуса:

Если диполь не будут вести в центре, то сопротивление пункта подачи будет выше. Если пункт подачи будет расстоянием x от одного конца половины волны (λ/2) диполь, то радиационное сопротивление относительно feedpoint будет дано следующим уравнением.

Сравнивая излученную власть в θ = 0 к полной власти, найденной, объединяясь, мы находим, что направляющая выгода 1.64. Это может также быть непосредственно вычислено, используя интеграл косинуса:

: (2.15 dBi)

Монополь четверти волны

Антенна монополя четверти волны — антенна единственного элемента, питаемая в одном конце, который ведет себя как дипольная антенна. Это сформировано проводником в длине, подал более низкий уровень, который является около проводящей поверхности, которая работает отражателем (см. эффект земли), и пример антенны Маркони. У тока по отраженному изображению есть то же самое направление и фаза как ток в реальной антенне. Проводник четверти волны и ее изображение вместе формируют диполь полуволны, который исходит только в верхней половине пространства.

В этой верхней стороне пространства у испускаемой области есть та же самая амплитуда области, излученной диполем полуволны, питаемым тем же самым током. Поэтому, полная испускаемая власть — половина испускаемой власти диполя полуволны, питаемого тем же самым током. Поскольку ток — то же самое, радиационное сопротивление (реальная часть серийного импеданса) будет половиной серийного импеданса диполя полуволны. Поскольку реактивная часть также разделена на 2, импеданс антенны четверти волны

Симметричный вибратор

Симметричный вибра́тор, диполь — простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейный проводник длиной 2l радиуса a, питаемый в середине от генератора токами высокой частоты.

Полуволновый вибратор

Симметричный вибратор. l — Длина плеча; 2a — диаметр проводника

Анимированная схема приёма радиоволн полуволновым диполем

Полуволно́вый вибра́тор — модель реальной вибраторной антенны, представляющая собой прямолинейный проводник (нить тока), длина которого (2l) равна половине длины электромагнитной волны в среде, окружающей полуволновый вибратор. Полуволновым вибратором называют также широко распространенную на практике вибраторную антенну и излучающий элемент многоэлементных антенн в виде незамкнутого на концах проводника, общая электрическая длина которого 2l близка к λ/2, то есть используемую на частоте, близкой к частоте своего первого резонанса.

Тонкий вибратор

Для волны длиной λ{\displaystyle \lambda }, если радиус проводников вибратора a<<l{\displaystyle a<<l} и a<<λ{\displaystyle a<<\lambda }, то такой вибратор называется тонким.

Коротким называется вибратор у которого l<0.5∗λ{\displaystyle l<0.5*\lambda };длинным называется вибратор у которого l>0.5∗λ{\displaystyle l>0.5*\lambda }.

Сопротивление излучения

Сопротивлением излучения антенны называется активное эквивалентное сопротивление, на котором рассеивается мощность, равная мощности излучения антенны при равенстве токов в антенне и в сопротивлении. При помощи сопротивления излучения определяется потребление мощности антенной. Для того чтобы сравнивать друг с другом различные антенны, сопротивление излучения относится к току в пучности. В случае резонанса сопротивление излучения настроенной антенны и сопротивление потерь в сумме составляют активное входное сопротивление или сопротивление на зажимах антенны. Обычно сопротивление потерь значительно меньше сопротивления излучения. Сопротивление излучения зависит от расположения антенны по отношению к Земле и окружающим предметам, а также от ее геометрических размеров.

При известной излучаемой мощности Р_изл и максимальном значении тока I_макс сопротивление излучения может быть рассчитано по формуле $$R_{изл}=\frac{P_{изл}}{I_{макс}^2}.$$

Так как питание полуволновых вибраторов производится в пучности тока (геометрическом центре), то, следовательно, входное сопротивление равно сопротивлению излучения.

Теоретически входное сопротивление полуволнового вибратора 73 ом, но это значение определено в предположении, что проводник бесконечно тонкий (отношение λ/d = ∞) и антенна расположена бесконечно высоко над Землей.

В диапазоне КВ и УКВ диаметр провода вибратора редко бывает меньше 2 мм, при этом входное сопротивление равно от 60 до 65 ом.

Кривая рис. 1-8 показывает зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения λ/d.

Вертикальная антенна с дополнительными горизонтальными отражающими элементами

Данное устройство представляет собой, по существу, половину диполя, установленного вертикально. Термин монополь также используется для описания этой установки. Земля ниже под антенной, проводящая поверхность с наименьшим λ / 4 по радиусу или образец λ / 4-проводников, называемых радиальными, составляют вторую половину антенны (рис.5).

Если антенна подключена к хорошему заземлению, она называется антенной Маркони. Основной структурой служит другая λ / 4 половина передатчика. Если плоскость заземления имеет достаточный размер и проводимость, то производительность заземления эквивалентна вертикально установленному диполю.

Длина четвертьволновой вертикали:

λ/4 = 246 K/f_MHz

Коэффициент K меньше 0,95 для вертикалей, которые обычно изготавливаются с более широкой трубкой.

Импеданс точки питания представляет собой половину диполя или примерно 36 Ом. Фактическая цифра зависит от высоты над землей. Подобно диполю, плоскость заземления является резонансной и обычно имеет реактивный компонент в своем основном импедансе. Наиболее распространенной линией передачи является 50-Ω коаксиальный кабель, поскольку он относительно хорошо соответствует импедансу антенны с КСВ ниже 2: 1.

Вертикальная антенна с дополнительным отражающим элементом является ненаправленной. Горизонтальная диаграмма направленности — это круг, в котором устройство излучает сигнал одинаково хорошо во всех направлениях. На рисунке 6 показана вертикальная диаграмма направленности. По сравнению с вертикальной диаграммой направленности диполя плоскость заземления имеет более низкий угол излучения, что дает преимущество более широкого распространения при частотах ниже примерно 50 МГц.

Коэффициент укорочения

До сих пор не делалось различия между «электрической» и «геометрической» длинами вибратора. Фактически электрическая и геометрическая длины вибратора равны только в том случае, когда проводник становится бесконечно тонким. Скорость распространения (отшнуровывания) электромагнитных волн от проводника несколько меньше, чем скорость распространения света. В связи с этим, особенно на концах антенны, возникает емкостный ток, который эквивалентен увеличению длины антенны. Поэтому действительная длина вибратора (геометрическая длина) должна быть несколько уменьшена по отношению к его электрической длине. В действительности коэффициент укорочения трудно точно определить, так как на него влияют высота подвеса антенны, окружающие предметы (дома, деревья) и т. д. В УКВ диапазоне, кроме того, коэффициент укорочения зависит и от отношения λ/d.

На рис. 1-7 изображена зависимость коэффициента укорочения (k) полуволнового вибратора в УКВ диапазоне от длины волны и диаметра провода вибратора.

Пример. Требуется найти геометрическую длину вибратора (полуволнового) для частоты 144 Мгц диаметром 25 мм.

Частота 144 Мгц соответствует длине волны приблизительно 208 см. Отсюда получаем соотношение 208 см : 2,5 см = 80. По графику рис. 1-7 находим, что отношению λ/d = 80 соответствует коэффициент укорочения k = 0,90. Таким образом, требуемая длина вибратора равна $\frac{\lambda}{2}k=\frac{208}{2}\cdot0,90=93,6 см$.

Следует отметить, что часто применяемая для расчета УКВ вибраторов упрощенная формула $$l=\frac{141}{f}$$ не учитывает влияние отношения λ/d и поэтому дает только приблизительные значения.

В коротковолновом же диапазоне, где отношение λ/d больше 5 000 (f < 30 Мгц), упрощенные формулы $$l=\frac{142,2}{f}$$ или $$l=\frac{142200}{f}$$ вполне удовлетворяют всем требованиям практики (напомним, что эти формулы верны только для полуволновых вибраторов).

История

Герц использовал медные стержни с металлическими шарами на концах, в искровой промежуток которых включалась катушка Румкорфа. Если подать на такую конструкцию высокое напряжение, в промежутке проскочит искра, а в вибраторе возникнут колебания с периодом меньше, чем время горения искры. Длина электромагнитных волн примерно в два раза превышает размеры самого вибратора. Наименьший из применявшихся Герцем вибраторов (0,26 м) позволял получить колебания с частотой порядка 5⋅108 Гц, что соответствует длине волны в 0,6 м. Герц также помещал вибраторы в фокусе вогнутых зеркал для получения направленных плоских волн.

С помощью металлических зеркал и асфальтовой призмы Герц убедился в том, что законы отражения и преломления электромагнитных волн невидимого спектра подчиняются законам геометрической оптики видимого спектра.

Герц также померил скорость электромагнитной волны, создав стоячую волну и измерив её λ{\displaystyle \lambda }.