Вибратор Герца — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Максимальный поток электромагнитной энергии излучается перпендикулярно оси диполя Герца.Вибратор Герца (диполь Герца, антенна Герца) — простейшая система для получения электромагнитных колебаний, электрический диполь, дипольный момент которого быстро изменяется во времени. Представляет собой развёрнутый колебательный контур с минимальной ёмкостью и индуктивностью. Первые опыты с такой антенной были осуществлены Герцем в 1886—1888 годах.
Герц использовал медные стержни с металлическими шарами на концах, в искровой промежуток которых включалась катушка Румкорфа[1][2]. 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
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 }.
Симметричный вибра́тор, диполь — простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейный проводник длиной 2
Полуволновый вибратор[править | править код]
Симметричный вибратор. l — Длина плеча; 2a — диаметр проводника
Анимированная схема приёма радиоволн полуволновым диполемПолуволно́вый 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 2
Тонкий вибратор[править | править код]
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 };
В зависимости от отношения длины вибратора к длине волны, его диаграмма направленности принимает вид, указанный на рисунке:
Теория антенн — полуволновой диполь
Дипольная антенна разрезана и согнута для эффективного излучения. Длина всего провода, который используется в качестве диполя, равна половине длины волны (т. Е. L = λ / 2). Такая антенна называется
Диапазон частот
Диапазон частот, в которых работает полуволновой диполь, составляет от 3 кГц до 300 ГГц. Это в основном используется в радиоприемниках.
Строительство и работа полуволнового диполя
Это обычная дипольная антенна, где частота ее работы составляет половину ее длины волны . Следовательно, она называется полуволновой дипольной антенной.
Край диполя имеет максимальное напряжение. Это напряжение переменного (переменного) характера. При положительном пике напряжения электроны стремятся двигаться в одном направлении, а при отрицательном пике электроны движутся в другом направлении. Это можно объяснить цифрами, приведенными ниже.
Цифры, приведенные выше, показывают работу полуволнового диполя.
На рис. 1 показан диполь, когда индуцированные заряды находятся в положительном полупериоде. Теперь электроны стремятся двигаться к заряду.
На рис. 2 показан диполь с отрицательными зарядами. Электроны здесь стремятся отойти от диполя.
На рис. 3 показан диполь со следующим положительным полупериодом. Следовательно, электроны снова движутся к заряду.
На рис. 2 показан диполь с отрицательными зарядами. Электроны здесь стремятся отойти от диполя.
На рис. 3 показан диполь со следующим положительным полупериодом. Следовательно, электроны снова движутся к заряду.
Кумулятивный эффект этого производит эффект переменного поля, который излучается по той же схеме, что и на нем. Следовательно, выходной сигнал будет эффективным излучением, следующим за циклами диаграммы выходного напряжения. Таким образом, полуволновой диполь излучает эффективно .
На рисунке выше показано распределение тока в полуволновом диполе. Направленность полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, что достаточно хорошо. Где «i» представляет изотропное излучение.
Радиационная картина
Диаграмма направленности этого полуволнового диполя является ненаправленной в H-плоскости. Это желательно для многих приложений, таких как мобильная связь, радиоприемники и т. Д.
На приведенном выше рисунке показана диаграмма излучения полуволнового диполя как в плоскости H, так и в плоскости V.
Радиус диполя не влияет на его входной импеданс в этом полуволновом диполе, потому что длина этого диполя равна полуволне, и это первая резонансная длина. Антенна эффективно работает на своей резонансной частоте , которая происходит на своей резонансной длине.
преимущества
Ниже приведены преимущества полуволновой дипольной антенны –
Входное сопротивление не чувствительно.
Хорошо сочетается с импедансом линии передачи.
Имеет разумную длину.
Длина антенны соответствует размеру и направленности.
Входное сопротивление не чувствительно.
Хорошо сочетается с импедансом линии передачи.
Имеет разумную длину.
Длина антенны соответствует размеру и направленности.
Недостатки
Ниже приведены недостатки полуволновой дипольной антенны –
Не очень эффективно из-за одного элемента.
Может работать лучше только с комбинацией.
Ниже приведены применения полуволновой дипольной антенны –
Используется в радиоприемниках.
Используется в телевизионных приемниках.
Когда используется с другими, используется для широкого спектра применений.
Основы радиолокации — Полуволновая антенна
Полуволновая антенна
Полуволновая дипольная антенна представляет собой простейшую резонансную структуру среди антенных технологий. Такие антенны используются в качестве основного элемента в антеннах почти всех форм, а также иногода рассматриваются в качестве эталонной антенны наряду с изотропным всенаправленным излучателем.
Большинство излучателей в заданном направлении излучают сильнее, чем в любом другом направлении. Излучатели такого типа называют анизотропными.
Полуволновая антенна (называемая также дипольной антенной, антенной Герца, диполем Герца, полуволновым вибратором) состоит из двух отрезков проволоки или трубки, каждый из которых имеет длину, равную ¼ длины рабочей волны антенны. Такая антенна является базовым элементом, из которого конструируются много более сложных антенн. Для полуволнового диполя протекающий по нему ток имеет максимальное значение в центре, а минимальные — по краям диполя. Напряжение, напротив, минимально в центре диполя и максимально на его краях.
Энергию к такой антенне можно подавать, подключив линию передачи от выходного каскада передатчика к отрезкам, из которых состоит антенна. При использовании двухпроводной линии передачи, например, коаксиального кабеля, центральная его жила подключается к одному плечу, а оплетка — к другому. Поскольку в этом случае точка питания антенны находится в ее центре (точке минимума напряжения и максимума тока), такой тип питания называют центральным питанием или токовым питанием. Выбор точки питания дипольной антенны важен с точки зрения типа используемой линии питания.
Стоячие волны тока и напряжения возникают так же, как и в параллельном колебательном контуре. В отличие от изотропного излучателя, коэффициент усиления которого равен 1, полуволновая антенна имееет коэффициент усиления уже около 1,5, при этом максимум излучения приходится в направлении, перепендикулярном ее оси.
Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
ширина луча
Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны
ширина луча
Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны
ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка
Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги
ширина луча
уровень боковых
лепестков
уровень заднего
лепестка
Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги
Bild 5: Das Antennendiagramm eines vertikalen Dipols in einer 3D-Simulation
Возникновение полуволновой антенны
Рисунок 4. Возникновение полуволновой антенны
Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура. Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны (Рисунок 4). Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором. По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля (которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство. Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой, а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство. Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание.
Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура. | ||
Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны. Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором. | ||
По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля (которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство. | ||
Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой, а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство. | ||
Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание. |
Рисунок 5. Диаграмма направленности вертикального диполя, построенная по результатам трехмерного моделирования.
Теория антенн — сложный диполь полуволны
Свернутый диполь – это антенна, с двумя проводниками, соединенными с обеих сторон и сложенными для образования цилиндрической замкнутой формы, в которую подается питание в центре. Длина диполя составляет половину длины волны. Следовательно, она называется полуволновой дипольной антенной .
Диапазон частот
Диапазон частот, в которых работает полуволновой диполь, составляет от 3 кГц до 300 ГГц. Это в основном используется в телевизионных приемниках.
Строительство и работа полуволнового сложенного диполя
Эта антенна обычно используется с антеннами решетчатого типа для увеличения сопротивления подачи. Наиболее часто используется антенна Яги-Уда. На следующем рисунке показана полуволновая сложенная дипольная антенна.
Эта антенна использует дополнительный проводящий элемент (провод или стержень) по сравнению с предыдущей дипольной антенной. Это продолжается размещением нескольких проводящих элементов параллельно, с изоляцией между ними, в антенных решетках.
На следующем рисунке показана работа полуволновой складчатой дипольной антенны, когда она снабжена возбуждением.
Если диаметр основного проводника и сложенного диполя одинаковы, то будет в четыре раза больше (в два раза больше квадрата одного) импеданса питания антенны. Это увеличение импеданса питания является основной причиной популярного использования этой сложенной дипольной антенны. Из-за двойного провода сопротивление будет около 300 Ом.
Радиационная картина
Диаграмма направленности полуволновых сложенных диполей такая же, как и у полуволновых дипольных антенн. На следующем рисунке показана диаграмма излучения полуволновой складчатой дипольной антенны, которая представляет собой Всенаправленную диаграмму направленности .
Полуволновые сложенные дипольные антенны используются там, где требуется оптимальная передача мощности и где необходимы большие импедансы.
Этот свернутый диполь является основным элементом антенны Яги-Уда . На следующем рисунке показана антенна Яги-Уда , которую мы рассмотрим позже. Основным элементом, используемым здесь, является этот свернутый диполь, которому дается антенное питание. Эта антенна широко использовалась для телевизионного приема в течение последних нескольких десятилетий.
преимущества
Ниже приведены преимущества полуволновой складчатой дипольной антенны –
Прием сбалансированных сигналов.
Получает определенный сигнал из полосы частот без потери качества.
Свернутый диполь максимизирует силу сигнала.
Прием сбалансированных сигналов.
Получает определенный сигнал из полосы частот без потери качества.
Свернутый диполь максимизирует силу сигнала.
Недостатки
Ниже приведены недостатки полуволновой складчатой дипольной антенны –
Смещение и регулировка антенны является проблемой.
Наружное управление может быть затруднено, когда размер антенны увеличивается.
Смещение и регулировка антенны является проблемой.
Наружное управление может быть затруднено, когда размер антенны увеличивается.
Приложения
Ниже приведены применения полуволновой складчатой дипольной антенны –
В основном используется в качестве фидерного элемента в антенне Yagi, параболической антенне, турникетной антенне, каротажной периодической антенне, фазированных и отражательных решетках и т. Д.
Обычно используется в радиоприемниках.
Чаще всего используется в телевизионных приемных антеннах.
Про антенны для самых маленьких / Habr
Попробуем разобраться, как работают антенны и почему электромагнитная энергия из комфортного проводника излучается в чужеродный диэлектрик, причем обойдемся без матана, что потребует, разумеется, очень серьезных упрощений и даже вульгаризации, но все же позволит получить начальное представление и, не исключаю, желание почитать материалы для более продвинутых.Если вы радиоинженер, опытный радиолюбитель-связист или просто хорошо знаете физику, то вам нижеследующее читать строго не рекомендуется во избежание негативных последствий для вашего психического здоровья. Вас предупреждали.
Начнем со скучных основ. В старые добрые времена, когда не было ни интернетов, ни этого вашего фидо, известные явления электричества и магнетизма не считались чем-то единым, имеющим общую природу, пока ровно двести лет назад датчанин Эрстед не обнаружил, что протекание электрического тока по проводнику вызывает отклонение стрелки компаса, т.е. создает доступное наблюдению и измерению простейшими приборами магнитное поле.
Вскорости француз Ампер вывел закон имени себя, описывающий зависимость электрического тока и возникающего от него магнитного поля, а чуть позже включившийся англичанин Фарадей обнаружил и математически изложил явление электромагнитной индукции. Спустя еще совсем немного времени шотландец Максвелл создает теорию электромагнитного поля, на которую нам бы и следовало опираться в дальнейшем рассказе, но мы договорились обходиться без матана настолько, насколько возможно, чтобы даже самые отпетые гуманитарии смогли почувствовать вкус к технике вместо быть распуганными сложными формулами. Все эти работы привели к тому, что 1887 году немец Герц экспериментально доказал существование радиоволн, построив радиопередатчик и радиоприемник, которые, довольно неожиданно, оказались рабочими. Впрочем, сам Герц перспектив своей радиопередачи (первой в мире!) не оценил и поэтому изобретение радио чаще связывают с итальянцем Маркони, который помимо неоспоримого инженерного гения, оказался успешен и в части коммерциализации. Да, если кому интересно, первая радиопередача голоса принадлежит канадцу Фесендену, которому удалось провернуть это дело в 1900 году.
Ток в проводнике создает магнитное поле. Зачем же нам браться рукой за оголенный провод? Затем, чтобы легко запомнить направление вектора магнитного поля в зависимости от направления тока в проводнике — «правило правой руки».
Итак, теперь мы знаем, что протекание электрического тока в проводнике приводит к тому, что около проводника возникает магнитное поле. Вот это вот, если очень-очень упрощенно, и есть электромагнетизм. Поэтому первое, что мы можем усвоить: излучение антенн связано с протеканием в них электрического тока.
Радиосвязь использует переменный ток различной частоты (или длины волны – говоря об антеннах чаще удобнее говорить о длине волны, а о радиотехнике в целом – о частоте).
Различные частоты позволяют одновременно проводить много независимых передач и разделять их прием, выбирая нужные частоты и отбрасывая ненужные. Способов, как это сделать, довольно много, но они — тема отдельных статей. Переменный ток обладает одной неприятной особенностью: хотя он полностью подчиняется закону Ома (взаимозависимость напряжения, сопротивления цепи и тока в ней), напряжение и ток могут не совпадать по времени. Да-да, «сдвиг по фазе» – это необязательно в голове, это более чем электро- и радиотехнический термин. Вот что получается. Если бы мы подавали переменное напряжение на некий идеальный резистор, то синфазный переменный ток в этой цепи был бы равен напряжению в вольтах, деленному на сопротивление в омах – так же, как и приличный постоянный ток. Но если вместо резистора у нас катушка индуктивности, то дело становится более запутанным. Когда мы прикладываем напряжение к катушке, она как бы сопротивляется току через нее, поэтому ток отстает по фазе от напряжения. Кстати, если отключить подачу напряжения от катушки, то она тоже будет сопротивляться и постарается поддержать течение тока через себя (в той мере, в которой катушка может запасти энергию) – напряжения уже нет, а ток все еще идет. Вот это вот сопротивление, оно называется реактивным, тем выше, чем выше частота. То есть с ростом частоты при равной индуктивности или с ростом индуктивности при равной частоте сопротивление переменному току растет. С конденсаторами все то же самое, но только наоборот. При приложении напряжения к конденсатору ток сначала проваливается в него, как в пустую яму, опережая напряжение, а затем падает по мере заряда. Легкость, с которой переменный ток попадает в конденсатор, означает, что с ростом частоты при равной емкости сопротивление переменному току падает, а при равной частоте при росте емкости сопротивление переменному току также падает. Поэтому примем на заметку: реактивное сопротивление, то есть индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, зависит от частоты.
Слева традиционная синусоидальная осциллограмма, справа сдвиг фаз на примере «отставания» тока от напряжения при наличии в цепи индуктивного сопротивления.
Суммарное сопротивление, состоящее из активной компоненты (условный резистор, который потребляет мощность «чисто», без влияния на фазу) и реактивной компоненты (сдвигающие фазу индуктивность и/или емкость), называется комплексным сопротивлением или импедансом.
Итак, антенна – это проводник, к которому подводится электрическая энергия и который ее излучает в окружающее пространство. Излучает электрический ток в проводнике, который создает вокруг проводника магнитное поле.
Почему электромагнитная энергия выходит из комфортного для нее проводника в некомфортный для нее вакуум? А она и не выходит! Энергия создает колебания поля, но не движется сама по себе. Давайте сравним со звуковыми волнами. Когда динамик (антенна) создает колебания, воздух (эфир) не движется, ветер не возникает, но колебания распространяются в воздухе (эфире). Так же происходит и с электромагнитными волнами, разве что электромагнитная энергия распространяется не в воздухе, а в эфире. Позже, правда, выяснят, что предполагавшегося эфира не существует, и что земля тоже не плоская, а электромагнитное поле прекрасно себя чувствует и в вакууме но мы-то знаем, что эфир есть, а земля, конечно, не плоская, а немного выпуклая. То есть, еще раз, энергия не переносится вместе со средой (точнее с полем), а переносится за счет распространения волн в неподвижной в общем случае среде (в поле).
Антенна как колебательный контур. Прежде чем говорить о конкретных конструкциях простых антенн, по принципу устройства которых мы сможем разобраться и в устройстве сложных, поговорим об электрическом резонансе. Для этого вернемся назад к реактивному сопротивлению. Полотно антенны можно представить как распределенную емкость и распределенную индуктивность – как размотанную до прямого провода катушку и как вырожденные до того же самого провода пластины конденсатора. Наличие реактивного сопротивления в цепи, как мы помним, разделяет фазы тока и напряжения. Однако, если мы подберем определенную комбинацию индуктивности и емкости (а это сработает только на одной определенной частоте, ведь мы помним, что с изменением частоты меняется реактивное сопротивление), то получится, что емкость и индуктивность взаимно компенсируют друг друга и мы видим чисто активное сопротивление в нагрузке. Вот такая взаимная компенсация и результат в виде чисто активного сопротивления как результат компенсации называется электрическим резонансом. Сам по себе для работы антенны он неважен, потому что антенна, как мы уже выяснили, излучает током в проводнике. Однако, есть ряд причин, по которым к достижению резонанса в антенне стремятся. Дело в том, что в отличие от постоянного тока, для переменного важно, чтобы волновое сопротивление (напоминаю закон Ома, а именно что сопротивление цепи численно равно приложенному напряжению, деленному на ток) генератора, линии передачи и нагрузки, т.е. собственно антенны, были равны. Если равенства нет, часть электромагнитной энергии отразится назад на генератор, что приведет к целому спектру нежелательных явлений. Значительное реактивное сопротивление приводит к сильному рассогласованию и значительному отражению энергии. Впрочем, это касается и активной компоненты импеданса, согласовать которую легче при незначительной, легко компенсируемой реактивной компоненте. Поэтому технически стараются создавать такие антенны, у которых реактивная компонента отсутствует или легко компенсируется, а активная равна волновому сопротивлению генератора или легко трансформируется. В случае самых простых антенн, создание определенной емкости антенны или определенной индуктивности означает попросту подбор размеров. Поэтому обычно размеры антенн меряют не в линейных единицах, а в долях длины волны.
Простейшие полноразмерные антенны. Полуволновый диполь, четвертьволновый граундплейн и аналогичные конструкции.
Как видим, распределение токов и напряжений одинаково. Только если в четвертьволновом граундплейне одна половина диполя — штырь, а второй половиной является земля, то в полуволновом диполе — второй половиной является его вторая половина. 🙂
Для ознакомления с принципами, одинаковыми для любых более сложных антенн, предлагаю разобраться с устройством и работой базовых антенн – симметричного полуволнового диполя или несимметричного четвертьволнового граундплейна. В известной степени они идентичны и полуволновый диполь можно рассматривать как крайний случай четвертьволнового граундплейна, угол радиалов (противовесов) которого достиг 180° к излучающему штырю, поэтому большинство рассматриваемых особенностей в равной мере применимы к обоим антеннам.
Как видим, такая антенна имеет электрический резонанс, потому что в ее проводнике помещается целое число полуволн тока и целое число полуволн напряжения. Они смещены по фазе друг относительно друга, но их реактивность взаимно компенсируется.
Если бы антенна была немного короче, чем полволны, то у нее бы появилась емкостная компонента импеданса и ее пришлось бы компенсировать индуктивностью (никому не напоминает катушки в основании сибишных автоантенн?), а если наоборот удлинить, то появится индуктивная компонента, которую необходимо скомпенсировать емкостью.
Сопротивление излучения. В сопротивлении излучения нет ничего особенного. Вернее не так. Сопротивления излучения в физическом смысле не существует, это аналитическое значение, которое используется для определения КПД антенны. Проще всего представить себе сопротивление излучения как ту активную компоненту полного сопротивления всей антенны, которая тратится на излучение. Вообще-то есть термин «потери на излучение» и это полезные «потери», если мы говорим об антенне, но это не равно сопротивлению излучения, так что не путайте. Нет никакого воображаемого сопротивления среды воображаемому излучению в нее или что либо еще — есть разные свойства вроде диэлектрической проницаемости, которые мы рассматривать пока что не будем.
Еще в антенне есть сопротивление потерь в виде сопротивления проводника, которое тратится на его нагрев, различные потери в конструктивных элементах и согласующих звеньях. Знание сопротивления излучения необходимо для понимания КПД антенны: у некоторых антенн сопротивление излучения может составлять единицы и доли Ома при том, что сопротивление потерь в разы больше, что значит что КПД такой антенны крайне низок несмотря на то, что в остальном ее конструкция адекватна. В простых антеннах вроде рассматриваемого диполя или граундплейна, сопротивление излучения близко к полному сопротивлению самой антенны, потому что потери в проводнике сравнительно малы, но в любом случае это не тождественные понятия.
Вернемся к диполю. Пока мы подаем энергию в его геометрическом центре, где ток максимален, а напряжение минимально, сопротивление излучения невелико. Теоретически оно равно приблизительно 73 Омам, а практически немного меньше в зависимости от относительной толщины материала. По мере расщепления одной из половин диполя на отдельные радиалы, сопротивление будет немного снижаться и упадет до приблизительно 36 Ом ми угле в 90° к штырю. Это очевидно влияет на КПД антенны. Но, для наглядности, будем рассматривать именно диполь. По мере смещения точки питания от центра к краю мы увидим, что ток падает, а напряжение растет, то есть растет сопротивление излучения, которое достигнет своего максимума при питании с конца. На все остальные характеристики антенны это обстоятельство не влияет, она по-прежнему излучает с той же диаграммой направленности, а значит, имеет ту же эффективность излучения (но не КПД всей антенны в сборе, потому что КПД зависит от относительных потерь).
Полное сопротивление антенны равно напряжению в точке питания, деленному на отдаваемый ток. А состоит оно из, как мы уже выяснили, сопротивления излучения, на котором мы полезно теряем энергию на нужное нам излучение, и сопротивления потерь, на котором мы теряем энергию бесполезно. Разными способами мы можем влиять на полное сопротивление антенны. Не меняя геометрию, мы можем смещать точку питания. Мы можем использовать различные трансформирующие элементы (включая буквально трансформаторы с обмотками на тех частотах, на которых их применение рационально). На эффективность излучения антенны все эти манипуляции никак не влияют и нужны только для согласования антенны с генератором (передатчиком). Например, полуволновый диполь с питанием по центру, сопротивление которого составляет приблизительно 73 Ома, через простой трансформатор 1:4 может быть согласованным с генератором, рассчитанным на антенну сопротивлением 18 Ом или 300 Ом — смотря как подключить выводы. На работе антенны это не скажется никак, кроме влияния потерь в трансформаторе на КПД всей конструкции в сборе.
Если вам кажется, что у антенны есть только монополь – некий штырь, кусок провода или просто дорожка на печатной плате, то на самом деле это вариант граундплейна, у которого нет специально выделенных радиалов, но радиалами служит земля, тело оператора (портативной радиостанции, например) или земляные полигоны на плате. Потери в таких радиалах очевидно больше, чем в специально созданных как часть антенны, поэтому КПД таких конструкций всегда ниже, равно как и степень согласования импедансов из-за непредсказуемости ситуативных вместо расчетных радиалов.
При увеличении длины антенны сверх полуволнового диполя сопротивление излучения сначала растет, достигая максимума при четном числе полуволн, а затем снова падает, достигая минимума при нечетном числе полуволн. Незначительное увеличение длины сужает диаграмму направленности и увеличивает эффективность передачи в выбранном направлении, а значительное приводит к дроблению диаграммы на множество лепестков и в целом неэффективно, поэтому на практике обычно не применяется кроме многодиапазонных антенн, в которых это является компромиссным решением.
Вообще любое увеличение длины диполя сверх половины волны приводит к тому, что на полотне возникают области, где ток течет в противоположном направлении. Этот ток, разумеется, также участвует в излучении, но интерференция создаваемого им поля с полем условно-основной части полотна и приводит к тому, что диаграмма направленности расщепляется, что в большинстве случаев вредно: обычно радиосвязь производится по одному или нескольким известным направлениям а излучение в «ненужную» сторону означает просто напрасные потери. Например, наземная связь проводится в направлении горизонта, а излучение в космос бесполезно тратит мощность передатчика. Поэтому, когда необходимо увеличить направленность антенны, чтобы посылать энергию более сфокусировано в нужном направлении, предпочитают использовать более сложные конструкции на базе диполя, а не удлиняют единичный диполь.
При уменьшении длины антенны от полуволнового диполя (или укорочению штыря четвертьволнового граундплейна) сопротивление излучения экспоненциально падает, что вкупе со все усложняющимся согласующим устройством делает укороченную антенну крайне неэффективной – небольшое сопротивление излучения рядом с большим сопротивлением означает напрасный нагрев согласующего устройства с малым излучением.
Вот, собственно, и все, что нужно знать гуманитарию об антеннах.
Полуволновый вибратор
Излучаемая антенной радиопередатчика электромагнитная энергия характеризуется определенной величиной, называемой частотой колебаний, которая представляет собой количество единичных электромагнитных периодов, возникающих в течение одной секунды.
За единицу измерения частоты колебаний принято такое состояние излучаемой электромагнитной энергии, когда за одну секунду возникает только один период колебаний. Такая единица измерения называется Герц (по фамилии известного ученого).
Это элементарное понятие известно каждому школьнику, поэтому следует только заметить, что каждой величине колебаний в Герцах соответствует также определенная длина пути (в метрах), которая равна кратчайшему расстоянию в пространстве, которое пройдет волна электромагнитного колебания за один период.
Математическая зависимость между длиной волны электромагнитных колебаний и частотой этих колебаний выражается формулой Л = С/Г, где Л — длина волны в метрах, С — скорость света в вакууме, равная 300 000 000 м/с (или 300 000 км/с), f — частота в Герцах (или кГц, если С = 300 000 км/с).
Частота колебаний определяется по формуле f (кГц) » 300 000 (км/с) / Л (м). И теория и практика антенных систем показали, что наилучшими условиями излучения электромагнитных волн (или приема этих волн) обладают антенны, геометрические размеры которых равны длине волны или составляют половину длины волны, но не менее одной четвертой части от длины волны.
Наибольшее применение в радиолюбительских УКВ антеннах в качестве излучающего элемента приобрел прямолинейный цилиндрический проводник, питаемый генератором электромагнитных колебаний высокой частоты. Длина этого элемента равна половине длины излучаемых им радиоволн, поэтому этот элемент получил название полувалновый вибратор (диполь).
Что нужно знать о полуволновом вибраторе: Полуволновый вибратор (диполь) может быть либо активным, либо пассивным элементом. Активным вибратор является в том случае, если — он соединен одним проводом или системой проводов с основным радиоаппаратом — передатчиком или приемником. При этом говорят, что на вибратор подается питание, т.е. вибратор является запитанным.
Пассивные диполи располагаются в непосредственной близости от вибратора активного и служат для формирования диаграммы направленности антенной системы. Непосредственно с передатчиком или приемником пассивные элементы не соединены. Пассивные вибраторы могут быть либо длиннее, либо короче активного вибратора. Более длинный вибратор называют рефлектором, укороченные вибраторы называются директоры.
Антенная система, созданная из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров, расположенных параллельно друг другу на одной несущей траверсе, называется волновой канал. В общем случае это будет многоэлементная антенна. Полуволновый вибратор может быть запитан с конца, тогда такая антенная система будет иметь большое входное сопротивление и, следовательно, должна запутываться по фидеру, который имеет точно такое же большое волновое сопротивление.
Чаще всего поступают таким образом, что между запутывающим фидером и концом полуволнового вибратора устанавливают согласующее устройство. Обычно таким согласующим устройством бывает трансформатор, намотанный на ферритовом кольце или четвертьволновый трансформатор, выполненный из коаксиального кабеля или двухпроводной линии.
Если стержень полуволнового вибратора распилить точно посередине его длины, то при этом электрические свойства вибратора не изменяются, но появляется возможность запитать этот вибратор по фидеру с малой величиной волнового сопротивления. Определено, что входное сопротивление запитанного посередине полуволнового вибратора равно примерно величине 75 Ом.
Близкое к этой величине волновое сопротивление имеет обычный бытовой телевизионный кабель отечественного производства. Западные фирмы производят телевизионные кабели с волновым сопротивлением 60 Ом, Если не придавать большого значения симметрированию антенной системы, то центральная жила кабеля подсоединяется к одной половине вибратора, а оплетка — к другой.
Важное значение имеет диаметр вибратора, вернее отношение длины излучаемой волны к диаметру вибратора. На частотах УКВ диапазона, где величины длин волн имеют сравнительно небольшие значения, это отношение может оказаться довольно малым, из-за чего может значительно ухудшиться работа антенны, уменьшиться её коэффициент полезного действия (кпд).
Чтобы скомпенсировать увеличенный диаметр вибратора, уменьшают длину этого вибратора. Получается так, что чем толще вибратор, тем короче должна быть его длина. Имеется даже понятие коэффициент укорочения длины полуволнового вибратора. В верхней строке этой таблицы располагаются величины отношения длины волны к диаметру вибратора, в нижней строке — величины коэффициента укорочения.
Например, вы хотите задействовать в качестве полуволнового вибратора цилиндр диаметром 20 мм, при этом длина волны, при которой будет работать этот вибратор, составляет 700 мм (частота 427 МГц). Полученной величине 700/20 = 350 будет соответствовать коэффициент укорочения 0,945. Следовательно, при определении необходимого размера вибратора сначала следует по приведенной выше формуле определить цифровое значение половины длины рабочей волны, затем эту величину умножить на коэффициент укорочения.
Следует помнить, что антенны, выполненные из тонких проводников, имеют большую величину добротности и хорошо работают только в узком диапазоне частот. Петлевой вибратор: Два одинаковых петлевых вибратора могут быть размещены на небольшом расстоянии, параллельно друг другу.
Если при этом соединить между собой концы этих вибраторов, а нижний вибратор разрезать посередине получится так называемый петлевой вибратор. Практически простой полуволновый вибратор и петлевой полуволновый вибратор имеют похожие рабочие характеристики. Однако входное сопротивление петлевого вибратора в четыре раза выше, чем у обычного полуволнового, и составляет 300 Ом.
Так что при запитывании петлевого вибратора обычным телевизионным коаксиальным кабелем следует применять согласующие трансформаторы. Конструктивно петлевой вибратор может быть выполнен в различных вариантах. Он может иметь или форму круга, или форму треугольника, или форму квадрата, или какую — то иную форму.
В любом из этих вариантов определяющим размером будет размер периметра этого вибратора. Периметр активного петлевого (рамочного) вибратора должен быть равен длине рабочей волны, умноженной на коэффициент укорочения.
Антенны могут состоять из одного активного вибратора и нескольких вибраторов пассивных. Например, антенна «тройной квадрат» состоит из активной рамки, периметр которой равен длине волны, из рефлектора, периметр которого на 5% больше длины волны, и директора, периметр которого примерно на 3% меньше длины волны. Все пассивные вибраторы представляют собой замкнутые контуры и их плоскости располагаются на одной траверсе параллельно плоскости вибратора активного.
полуволновой диполь — с английского на русский
См. также в других словарях:
ПОЛУВОЛНОВОЙ ВИБРАТОР — (полуволновой ди поль) простейшая приёмная и передающая антенна, гл. обр. в области коротких волн и ультракоротких волн. Представляет собой проводящий стержень, длина к рого близка к половине длины волны излучаемых или принимаемых колебаний. Для… … Физическая энциклопедия
Симметричный вибратор — У этого термина существуют и другие значения, см. Диполь. Симметричный вибратор (Диполь) простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейный проводник длиной 2l радиуса a, питаемый … Википедия
Коаксиальная антенна — разновидность четверть волновой антенны. Всенаправленная антенна вертикальной поляризации типа ground plane , использующая в качестве противовеса(второго плеча диполя) оплетку коаксиального кабеля. Устройство Представляет собой закреплённую… … Википедия
Патч антенна — популярный тип узкополосной СВЧ антенны состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от… … Википедия
Патч-антенна — тип узкополосной СВЧ антенны, состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических… … Википедия
коэффициент усиления относительно полуволнового диполя — Выражаемое в децибелах отношение мощности, необходимой на входе эталонной антенны без потерь, к мощности, подводимой ко входу данной антенны, для создания в заданном направлении той же напряженности поля или такой же плотности потока мощности на… … Справочник технического переводчика
АНТЕННА — конструкция, используемая для передачи или приема радиоволн (т.е. электромагнитных излучений с длинами волн в пределах от АНТЕННА20 000 м до АНТЕННА1 мм). В качестве примеров использования антенн можно привести радио и телевещание, дальнюю… … Энциклопедия Кольера
КНД — Коэффициент направленного действия (КНД) являются мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. При этом следует подчеркнуть, что направленные свойства антенны (ее направленность действия) непосредственно связаны… … Википедия
Коэффициент направленного действия антенны — Коэффициент направленного действия (КНД) являются мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. При этом следует подчеркнуть, что направленные свойства антенны (ее направленность действия) непосредственно связаны… … Википедия
