Добрались до антенн - немного теории.

38 2391

     Антенна- настолько важная часть радиотракта, что среди радиолюбителей, особенно начинающих и малоопытных, а а также в среде "как бы радиолюителей" - различных нахватавшихся верхушек "знатоков" постоянно ходят легенды о каких то "сверхантеннах", имеющих небольшие размеры, но в силу своей "особой" "засекреченной" конструкции способных принимать сверхслабые сигналы, или излучать сигналы маломощных передатчиков так, как если бы их мощность была увеличена в 10 раз.

     Какой только ахинеи я не наслушался за время своей профессиональной и радиолюбительской деятельности - от ртутных антенн до каких то "диполей " из чуть ли не тазиков, способных принимать сверхдальние сигналы телевизионных передатчиков, антеннах из обручей для хула-хупа, обвитых проволокой и якобы "очищающих " сигнал от помех - и так далее, теперь вот еще и ЕН антенны и антенна Харченко.

     При этом ведь все эти антенны будут излучать и принимать - вопрос только в том, как. В принципе, связь можно вести, причем на довольно большое расстояние, используя простую вязальную спицу вместо антенны, а прием радиосигналов в коротковолновых диапазона - вообще используя гвоздь вместо антенны , либо касаясь антенного гнезда пальцем !

     Другой вопрос, что мы при этом услышим и какой мощности передатчик в этом случае нужно использовать.

     Прежде чем говорить о конструкциях антенн, разберемся , как создаются и излучаются радиоволны.

     Оставим в стороне антенны со специально заданными параметрами, работающие на СВЧ диапазонах (их конструкции и принципа работы сложны и требуют специальных знаний), будем вести разговор о проволочных антеннах радиовещательных диапазонов .

      Любой провод имеет так называемую распределенную индуктивность и емкость, показывающие величину этих параметров на единицу длины. Из их суммы получается емкость и индуктивность всего провода, а раз есть емкость и индуктивность, любой кусок провода можно рассматривать, как колебательный контур, настроенный на определенную частоту.

      При этом закономерность такова: чем толще провод, тем меньше его индуктивность, и тем больше емкость. Конкретные величины можно рассчитать по формулам - (см. http://www.proelectro2.ru/info/id_269)

      Если взять два провода длиной L и расположить их параллельно друг другу на расстоянии, значительно меньшем, чем 1/4 длины волны, мы получим так называемую двухпроводную линию.

     Связав эту линию с источником ВЧ колебаний, мы можем провести эксперименты, по результатам которых можно убедиться, что по ней распространяются волны, причем длина волны их будет равна приблизительно (с определенными поправками) длине этой волны в атмосфере.

     Изображенное на рисунке устройство называется двухпроводная измерительная линия. С ее помощью можно измерить длину волны генерируемых генератором колебаний, которые поступают на нее через петлю Е.

     Если с помощью перемычки В замкнуть провода и передвигать перемычку вдоль линии, то на индикаторе мы увидим изменение показаний, которые будут изменяться от некоего максимума до нуоя (или минимума показаний - в зависимости от конструкции линии ). Происходит это потому, что при закорачивании линии в одних точках она отбирает мощность ЭМ поля , и показания индикатора падают, в других же перемычка никакого существенного влияния не оказывает, мощность не отбирается, и показания остаются макимальными.  Измерив расстояние между двумя минимумами (или максимумами) , мы получим расстояние , равное половине длины волны генерируемых колебаний .

     Происходит это потому, что у нас разомкнутая линия и в ней установился режим так называемых стоячих волн, при котором на линии существуют максимумы и минимумы тока и напряжения. Максимум называется пучностью, минимум - узлом . При этом пучности напряжения  и тока сдвинуты на 90 градусов относительно друг друга - в точке пучности напряжения находится узел тока, и наоборот.

     Полностью описание линии и как работать с ней можно прочитать по ссылке

http://cxema.my1.ru/publ/radiosvjaz/transivery/azbuka_skhemotekhniki_ukv_apparatura_pribory_dlja_nastrojki_ukv_apparatury_2/56-1-0-4008

     Из этого эксперимента можно узнать следующее - если мы возьмем четвертьволновый отрезок двухпроводной линии и подключим его к ВЧ генератору так, что в точках питания будет узел напряжения, то на концах установится узел тока.

     Однако, такой отрезок линии , если подключить его к передатчику, не будет излучать электромагнитные волны . Дело в том, что он обладает так называемом свойством "квазистационарности" - при происходящих в нем процессах токи, электрические и магнитные поля проводов уравновешивают друг друга , и вся энергия возвращается в генератор , частично рассеиваясь в пучностях напряжения на диэлектриках, и в пучностях тока на сопротивлении проводов, приводя к их нагреванию .

Это приводит к перегреву выходных элементов генератора ВЧ (выходных транзисторов или ламп передатчика), обычно в таких случаях говорят - "Большой КСВ на выходе (в антенне)"

"Квазистационарность" такое состояние системы, при котором происходящие внутри нее процессы компенсируют друг друга, не требуя энергии, кроме необходимой на компенсацию потерь, и не отдавая никакой энергии во внешнюю среду (цепь) . Слово и обьяснение мудреные, однако понять это легко, если представить себе колонию бактерий из 100 миллионов клеток. Каждую минуту 1 миллион клеток погибает, но вследствии деления возникает миллион новых, то есть скорость гибели и появления новых клеток равны. Система находится в равновесии, ей необходимо лишь подводить воздух и питательную среду для компенсации потерь - питания делящихся клеток. Это и есть состояние квазистационарности.

Если же при тех же условиях за то же время будет появляться больше клеток - погибло миллион, образовалось два ) то есть, скорость одного процесса будет больше скорости другого значит, система вышла за пределы квазистационарности и нарушает равновесие.

Вернемся к антеннам .

Если взять описанный выше четвертьволновый отрезок линии, и развернуть провода так, чтобы они оказались на одной прямой, мы получим самую распространенную антенну - полуволновый диполь, или полуволновый вибратор.

Здесь а)- полуволновый диполь, получающийся из четвертьволнового отрезка двухпроводной линии; б) - распределение тока (i) и напряжения (u) вдоль диполя.

Видно, что в точках питания распределяется пучность тока и узел напряжения, на концах - наоборот.

В диполе условие квазистационарности нарушается - при таких размерах и расположении плеч образование электромагнитного поля диполя происходит с некоторым опозданием относительно того, что обеспечивало этот режим. Происходит это из -за того, что распространение электромагнитного поля происходит с конечной скоростью, которая не может превышать скорость света.

Диполь, как я уже писал выше, представляет из себя колебательный контур, и его половинки обладают емкостью - как между половинками диполя, так и между диполем и землей. Если Вибратор находится на большой высоте от земли, более 1 длины волны, она уже мало влияет на процесс образования волны.

Говоря об "излучении антенн", мало кто из "знатоков" знает, что сама антенна , ее провод ничего не излучает, никаких волн, а лишь создает вокруг себя электрическое и магнитное поля, которыее и возбуждают в дальнейшем в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле  - те самые радиоволны, которые и переносят информацию.

При поступлении на антенну ВЧ колебаний, емкость антенны ведет себя как нормальный конденсатор, и между половинками диполя возникает ток смещения. При этом , в отличии от половинок четвертьволновой линии, разные участки половинок вибратора находятся на разном расстоянии друг от друга, и ток смещения между ближними участками возникает , возрастает и падает быстрее , чем на удаленных участках. В пределах ближней зоны эта разница небольшая, и поэтому возникшее в ней электромагнитное поле не является полем излучения. Оно лишь создает вокруг себя следующее "кольцо" электромагнитного поля, а само строго в соответствии с ВЧ колебаниями пульсирует около антенны, возрастая от минимума до максимума и обратно.

Вот это изменение поля ближней зоны и создает ту самую электромагнитную волну, или поле дальней зоны , которая возникает в результате изменения магнитного и электрического полей. При этом возникновение его имеет ту же природу, что и ток смещения конденсатора - магнитное поле порождает электрическое , но это электрическое поле не может быть привязанным к антенне - между ним и антенной есть поле ближней зоны. Если бы скорость распространения полей была бесконечно большой, никакой волны у нас не возникло бы - потому что поля были бы разнофазны , имели бы разные знаки (как в четвертьволновой линии ) и уравновешивали бы друг друга.

Но на самом деле поля распространяются со скоростью света, и создавшееся поле дальней зоны оказывается в одной полярности с полем ближней зоны, которое отталкивает его от антенны. В результате электрическое поле здесь становится вихревым, замкнутым в виде кольца, вокруг которого и возникает магнитное поле . В свою очередь, это первое колебание поля дальней зоны создает следующее, с которым происходит то же самое , и так продолжается на все большем удалении от антенны. Это и есть та самая радиоволна .

То есть, за пределами ближней зоны антенны нарушается условие квазистационарности - поля, создающиеся в этой зоне, не уравновешиваются полями противоположного знака, и в результате остающаяся энергия излучается в виде радиоволны.

Сразу говорю, что на самом деле процессы, приводящие к излучению радиоволн, намного сложнее, их описание требует применения сложных формул, но суть примерно такая . Никакие "быстрые электроны" , "третьи поля" и эфир к образованию радиоволн отношения не имеют.

Да и то сказать, какие могут быть "быстрые электроны" - малейшее повышение скорости их движения привело бы к их столкновениям с атомами кристаллической решетки металла антенны, а выход их за пределы металла невозможен - во первых , энергии, подводимой к антенне, для этого недостаточно, во вторых, это тут же привело бы к появлению слоя плазмы вокруг провода или трубок антенны - что мы обычно не видим.

Можно спорить о том, как образуется волна, но один важный вывод из этого все таки сделать нужно при всех раскладах - размер антенны играет первостепенное значение в процессе образования радиоволны. Именно при соответствующем размере антенны нарушается условие квазистационарности и энергия перестает возвращаться в генератор, а начинает излучаться в пространство.

Да, антенны меньших размеров могут использоваться для работы радиостанций, но только как компромиссные варианты при условии создания искусственных условий для нарушения равновесия .

При том распределении тока и напряжения, которые есть у диполя, максимальные условия для излучения создаются перпендикулярно его полотну.

В результате радиоволны от такой антенны распространяются по траектории в виде тора, этакого бублика, в центре которого находится антенна.

Двухмерная диаграмма направленности такой антенны представляет из себя восьмерку .

       Продолжение следует.

Трамп заходит с козырей

Трамп произнес Главную речь, посвященную выборам. Если коротко - поражение не признал, никому ничего передавать не собирается. Формально - это казус бели. По понятиям - вызывает вторую сторону на стре...

Отряд мозоленогих двинул в наступление. На Шойгу.

Эко Силуанова вспучило. Почуял себя сотоварищи накануне грандиозного шухера, не иначе. Вон и Чубайс, говорят, в отставку запросился. Тот еще симптом. А Путин намедни на пресс-конференции Валдайского ф...

Обсудить
    • rst
    • 21 августа 2019 г. 21:47
    Может так понятнее и станет, что по двум одновременно)))))))). Опять хрень Вы пишите. И ЕH и Харченко конечно же работают. Первые хоть и не эффективны, но тем неимение компактны, вторые, например двойная восьмерка, эффективны и очень распространены у нас для приема ДМВ ТВ. К вопросу об эффективности! А вы не заметили как у сотовых телефонов "пропали" антенны? Или например насколько эффективны патч антенны для гнсс. С антеннами всё вообще просто. Берем надувной шарик и "гнем из него лошадку". Если где прибыло, где и убыло. ))) Излучение электромагнитной волны представляет сферу, вытягивая и искажая эту сферу мы получаем "усиление" антенны. Бьюсь об заклад, об импедансе вакуума, и том почему система либо излучает, либо накапливает энергию в виде стоячей волны, Вы и понятия не имеете. Так же и как и о том почему например трудно создать магнитную передающую антенну. Цикл ваших статей можно назвать - кручу верчу придурков как сам сделать хочу.
    • rst
    • 21 августа 2019 г. 21:56
    Да и то сказать, какие могут быть "быстрые электроны" - малейшее повышение скорости их движения привело бы к их столкновениям с атомами кристаллической решетки металла антенны, а выход их за пределы металла невозможен - во первых , энергии, подводимой к антенне, здля этого недостаточно, во вторых, это тут же привело бы к появлению слоя плазмы вокруг провода или трубок антенны - что мы обычно не видим. По пунктам: 1-е Быстрые это какие? Быстрее 0.1мм/c ? В проводнике то? А вы можете мне сказать диэликтрическую константу(эпсилон) меди например? А ведь скорость электрической компоненты эм поля замедлится в корень из этой величины раз. Именно поэтому и скин-эффект кстати. 2-е энергия вполне достаточно, чтобы любой проводник обладал эмиссией электронов даже при комнатных температурах. 3- В честь чего плазму то ты увидишь? Хотя конечно же мы это наблюдаем причем легко, поднеся к антенне неоновую лампочку или лампу дневного света, чем публику Никола и развлекал.
    • rst
    • 21 августа 2019 г. 21:58
    Совет примите скорость света в вакууме за 0, и тогда у вас эффекты будут не от превышения этой скорости, а от замедления.