Антенна как открытый колебательный контур

Антени

Преломление

При распространении в атмосфере радиоволны преломляются (или изгибаются). Преломление является результатом изменения скорости волны по мере изменения высоты или же происходит вследствие других изменений состояния атмосферы. При нормальных условиях скорость сигнала увеличивается с высотой, что приводит к его "изгибанию" по направлению к земле. Однако в некоторых случаях погодные условия могут приводить к таким изменениям скорости распространения в зависимости от высоты, которые значительно отличаются от обычных флуктуаций. В итоге только часть волны, передаваемой вдоль лини прямой видимости, достигнет антенны приемника. Возможна также ситуация, при которой сигнал не будет получен вообще.

Рис. 9.

Антенна представляет собой открытый электрический колебательный контур. Прежде, чем рассмотреть принцип излучения и приема антенной, рассмотрим процессы, происходящие в электрическом колебательном контуре.

Электрическим колебательным контуром называется система, состоящая из конденсатора и катушки, соединенных между собой в замкну­тую электрическую цепь (рис. 9).

При подключении обкладок заряженного конденсатора к концам катушки в последней возни­кает электрический ток и энергия электрического поля заря­женного конденсатора начина­ет превращаться в энергию маг­нитного поля.

С течением времени конден­сатор постепенно разряжается, напряжение на его обкладках уменьшается, уменьшается и энергия электрического поля между обкладками. Сила тока в контуре не возрастает мгновенно, так как этому препятствует ЭДС самоиндукции в катушке. Постепенное увеличение силы тока со­провождается постепенным уве­личением энергии магнитного по­ля катушки.

В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, и энергия электрического поля станет равной нулю, сила тока катушке и энергия магнитного поля достигнут максимальных значений.

После разрядки конденсатора и исчезновения внешнего электрического поля сила тока в катушке начинает убывать. Мгновенному прекращению тока пре­пятствует ЭДС самоиндукции, создающая электрический ток то­го же направления. Ток, создаваемый ЭДС самоиндукции ка­тушки, заряжает обкладки конден­сатора до первоначального значе­ния напряжения между ними, при этом знак заряда на обклад­ках оказывается противополож­ным первоначальному.

Таким образом, энергия магнитного поля тока в катушке превращается в энергию электрического поля заряженного конденсатора. Затем вновь происходит разряд конденсатора через катушку и т.д.— процесс периодически повторяется (рис. 10).

Рис. 10

Периодически повторяющиеся изменения силы тока в катушке и напряжения между обкладками конденсатора без потребления энергии от внешних источников называются свободными электромагнитными колебаниями.

Период свободных колебаний в электрическом контуре определяется как

(8)

Это уравнение называется формулой Томсона.

Представим, что выходной генератор передатчика индуктивно связан с замкнутым колебательным контуром LC (рис. 11, а). В этом контуре электрическое поле сосредоточено в небольшом зазоре между обкладками конденсатора, а магнитное поле охватывает небольшое пространство вокруг контурной катушки.

Как известно, электромагнитные волны представляют собой совокупность электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве со скоростью света. В электромагнитной волне электрическое и магнитное поля не разделены пространственно. Поэтому в данном случае, когда поля сконцентрированы раздельно (электрическое — в конденсаторе, а магнитное — в катушке самоиндукции), получение (излучение) электромагнитных волн невозможно.

Рис. 11. Схема перехода от замкнутого колебательного контура к антенне

Рис. 12. Распределение тока и напряжения в симметричном вибраторе

Условия излучения выполняются в открытом колебательном контуре, к которому можно перейти от замкнутого колебательного контура, раздвигая пластины конденсатора и одновременно увеличивая их размеры (для сохранения неизменной собственной частоты контура). Это показано на рис. 11 б), и в).Переход от рис. 11, в к рис. 11, г совершается поворотом пластин из горизонтального положения в вертикальное.

Антенна, полученная в результате такого схематично описанного перехода от замкнутого колебательного контура к открытому, отличается геометрической симметрией и потому называется симметричным вибратором.

Каждый элементарный участок вибратора 1—1', 2—2', 3—3' … обладает некоторой индуктивностью и емкостью (рис. 5, а). Под влиянием переменного напряжения, приложенного к выходным клеммам передатчика, в этих индуктивностях и емкостях возникает ток, направление которого показано на рис. 12, а стрелками. Ток, возникающий в любом элементарном участке антенны, проходит через зажимы генератора, а поэтому амплитуда тока I_m увеличивается от нуля до максимума в направлении от концов вибратора к его середине.

Элементарные индуктивности ... 4, 3, 2, 1, 1', 2', 3', 4'… соединяются между собой последовательно. Значит, общая индуктивность и общее индуктивное сопротивление имеют наибольшую величину между концами провода и равны нулю в его середине. Соответственно амплитуда напряжения U_m уменьшается от максимума до нуля при движении от концов вибратора к его средней точке. Кривые распределения напряжения и тока в симметричном вибраторе показаны на рис. 12, б. Для симметричного вибратора характерно, что на обоих его зажимах напряжения относительно земли равны по величине и противоположны по знаку.

Рис. 13. Распределение тока и напряжения в несимметричном вибраторе

На практике широко применяются несимметричные вибраторы (рис. 13), в которых земля заменяет второй провод симметричного вибратора. Такая замена возможна благодаря сравнительно хорошей проводимости земли. В несимметричном вибраторе, как и в симметричном, емкости элементарных участков соединяются между собой параллельно, а индуктивности этих участков — последовательно (рис. 13, a). Поэтому в несимметричной антенне на открытом конце ток равен нулю при максимальном напряжении, а на заземленном конце напряжение равно нулю при максимальном токе (рис. 13,б).