Содержание Симметричный вибратор. Его сходство и отличие от отрезка длинной линии Введение 3 3 1 Особенности работы симметричного вибратора 5 2 Симметричный вибратор 8 2.1 Основные виды вибраторов 8 3 9 3.1 Влияние длины вибратора на форму диаграммы направленности ДН (направленные свойства) Действующая длина симметричного вибратора 3.2 Сопротивление излучения RΣ. 12 3.3 Укорочение вибраторов 14 4 Длинная линия 15 4.1 Дифференциальные уравнения длинной линии 15 11 4.1.1 Погонные параметры 15 4.1.2 Эквивалентная схема участка длинной линии 16 4.1.3 Телеграфные уравнения 16 4.1.4 Однородные волновые уравнения длинной линии 17 4.2 Распределение поля падающей волны 19 4.3 Комплексный коэффициент отражения по напряжению 20 4.4 Коэффициенты бегущей и стоячей волны 21 4.5 Входное сопротивление длинной линии 22 4.6 Режимы работы длинной линии 22 4.6.1 Режим бегущей волны 22 4.6.2 Режим стоячей волны 22 4.6.3 Режим смешанных волн 22 Список используемой литературы 23 3 Симметричный вибратор. Его сходство и отличие от отрезка длинной линии Введение Статические электрические заряды создают в окружающем пространстве статическое электрическое поле, а постоянный электрический ток - постоянное магнитное поле. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле образуется переменным электрическим током, который проще всего можно создать путем подключения пары проводов к зажимам генератора переменной ЭДС. Интенсивность поля излучения может быть различной в зависимости от формы, которую придают проводам. Так, при создании фидерных линий, по которым энергия передается от генератора к нагрузке, стремятся всемерно уменьшить излучение, для чего провода линии располагают параллельно и близко друг к другу. При этом поля двух одинаковых по величине, но противоположно направленных токов, то есть токов, имеющих противоположные фазы, взаимно компенсируются и излучения энергии в окружающее пространство практически не происходит. Наиболее полно излучение устраняется при использовании коаксиального кабеля, в котором поле заключено между внутренним проводом и внутренней поверхностью внешнего провода. При создании антенных устройств ставится противоположная задача получение возможно большего излучения. Для этого можно использовать те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излучающих свойств, что может быть достигнуто различными путями. Можно, например, раздвинуть провода линии на некоторый угол, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана работа V-образных и ромбических антенн, излучающие провода которых располагаются под острыми углами один к другому (рис. 1, а и б), уголковой антенны Пистолькорса, у которой угол между проводами равен 90° (рис. 1, в), и симметричного вибратора (диполя), получающегося при разведении проводов на 180° (рис. 1, г). На рис. 1 стрелками указано направление токов в проводах. Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно уменьшить, укоротив или вовсе исключив его из системы. Укорочение одного из проводов впервые было применено в так называемых «антеннах с верхним светом» (рис. 1, д). Полное уничтожение второго провода приводит к получению так называемого несимметричного вибратора (рис. 1, е). Все антенны, использующие этот принцип работы, относятся к классу несимметричных антенн. К ним также принадлежат Г-образные антенны (рис. 1, ж), Т-образные антенны (рис. 1, з), наклонные антенны (рис. 1, и), горизонтальная антенна с отводом (рис. 1, к) и ряд других. Обычно при 4 питании этих антенн второй зажим генератора заземляется (земля играет роль второго провода). Рис. 1. Основные типы излучающих устройств. Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтекаются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого достаточно, например, согнуть участок одного из проводов длиной в полволны в неизлучающий шлейф (рис. 1, л). Широкое распространение 5 получили так называемые синфазные антенны, основанные на этом принципе (рис. 1, м), а также шлейф-вибраторы (рис. 1, н). Фидер излучает, если расстояние между проводами соизмеримо с длиной волны. В этом случае волны, излученные обоими проводами по некоторым направлениям, приобретают значительную разность хода и полностью не уничтожаются. Более того, можно так подобрать расстояние между проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих проводов. Это широко используется в многочисленных так называемых противофазных антеннах. Работу таких антенн нетрудно понять из трех примеров, приведенных на рис. 1. В антенне (рис. 1, о) противофазность токов в проводах 1 и 2 обеспечивается подключением их к фидеру на расстоянии в полволны. Антенна, изображенная на рис. 1, п, представляет собой как бы фидер, расширенный на конце. В антенне на рис. 1, р, противофазность токов обеспечивается перекрещиванием питающих проводов. Можно усилить излучение, изменив фазы токов в параллельных проводах и расстояние между ними. Нужный сдвиг фаз токов в нескольких симметричных вибраторах может быть, например, установлен в системе, изображенной на рис. 1, с, подбором расстояния между точками подключения этих вибраторов к питающему фидеру или настройкой вибратора с помощью шлейфа, ток в котором наводится другим вибратором (рис. 1, т). Часто встречаются антенны, в которых используются одновременно несколько указанных выше принципов. 1. Особенности работы симметричного вибратора Симметричный вибратор в качестве излучателя входит в состав многих антенн. В принципе симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180°. Каждый элемент данной линии обладает определенной индуктивностью и емкостью между проводами (рис. 2). Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметричном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам источника постоянной ЭДС (рис. 3, а). После того как распределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замкнем обе половины вибратора перемычкой (см. рис. 3, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. Очевидно, что через отрезки провода вибратора, расположенные у середины, протекает наибольший электрический, заряд, и поэтому разрядный ток имеет наибольшее значение; к концам же провода ток уменьшается до нуля. 6 Рис. 2. Симметричный вибратор и его эквивалентная схема Рис. 3. Свободные колебания в симметричном вибраторе Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределенных индуктивностях возникает ЭДС самоиндукции. Разность потенциалов между точками, равноудаленными от середины вибратора, тем больше, чем больше эти точки удалены от середины, так как тем большая часть распределенной индуктивности провода участвует в его создании (см. рис. 3, б). Знак потенциала относительно средней точки по обе стороны от нее различен, так как в одной половине вибратора ток течет к ней, а в другой - от нее. По мере разрядки распределенной емкости ток в проводе нарастает и достигает максимума, когда она полностью разрядится. При этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостью, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей (см. рис. 3, в). Если вначале индуктивность проводов вибратора препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его уменьшению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее направление (см. рис. 3, г). За счет этого происходит перезаряд распределенной емкости, и когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными (см. рис. 3, д). После этого процесс протекает в обратном направлении (см. рис. 3, е-и). Таким образом, в вибраторе возникают свободные электрические 7 колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряжения и вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины, т.е. . Поэтому симметричный вибратор называют также полуволновым диполем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собственных колебаний. Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его размер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам земли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подключается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 4, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Рис. 4. Конструкция четвертьволнового вибратора Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней наводится ЭДС, которая действует как зеркальное изображение основного вибратора (см. рис. 4, б). Такая антенна называется вертикальной несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна . Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля обладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны. Для улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию: закапывают в землю металлические листы, провода; улучшают химический состав почвы, пропитывая ее различными солями. Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную металлизацию земли, достаточно хорошо работает система радиальных расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину 20...50 см. 8 Качество металлизации улучшается, если радиальные провода соединяются между собой перемычками. Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний должен достаточно хорошо экранировать антенный провод от земли, играя роль хорошо проводящей поверхности. Он обычно дает худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является единственным выходом из положения. Обычно в качестве противовеса используется корпус автомобиля, на котором расположена радиостанция. Таким же образом поступают при необходимости установки радиостанции на каменистом грунте. 2. Симметричный вибратор Простейший симметричный вибратор состоит из двух одинаковых цилиндрических проводников, между которыми включается линия, соединяющая вибратор с генератором (передатчиком) или приемником. Симметричные вибраторы широко применяются как самостоятельная антенна или как элемент сложной антенны в диапазонах КВ, МВ, ДМВ. 2.1. Основные виды вибраторов L - длина вибратора, l – длина плеча, l = Если L<< λ, то вибратор называют коротким. (l-длина волны на которой работает вибратор). Если L= , l= - полуволновой вибратор. Если L=λ, l= - волновой вибратор. Отношение L/ λ – называют относительной длиной вибратора. 9 Вибратор улучшает линейно-поляризованные волны, поэтому его ДН изображают в Е и Н плоскостях. Е – плоскость. В Е – плоскости при L<< λ (λ<< ) ДН имеет 2 максимума излучения, ДН имеет форму восьмерки. В Н – плоскости вибратор при L<< λ не обладает направленными свойствами, ДН имеет форму круга. В общем виде поле излучения короткого вибратора можно записать: e (t)=Em ∙FH(Δ, Ө)sin(ωt-βч) h (t)=Hm∙ FH(Δ, Ө)sin(ωt-βч) FH(Δ, Ө) – нормированная ДН, определяет направленные свойства. sin(ωt-βч) – указывает на то, что короткий вибратор излучает бегущие волны. β= 3. Влияние длины вибратора на форму диаграммы направленности ДН (направленные свойства) 10 При L>λ (l> ) появляются боковые лепестки с увеличивающейся интенсивностью. Из-за ухудшения направленных свойств длинные вибраторы не используют. Не зависимо от длины вибратора излучение вдоль его оси отсутствует. Для определения полей антенны её разбивают на малые элементарные участки, определяя поля создаваемые ими, как поля элементарных вибраторов. Затем суммируют эти поля с учётом распределения тока в антенне и разности хода лучей от отдельных элементов. Чтобы определить распределение тока вдоль плеч вибратора, его можно рассматривать как развернутую беспроводную линию, разомкнутую на конце. В отличии от линии которая служит для направления электромагнитных волн, вибратор излучает электромагнитные волны. Ток на концах вибратора равен нулю (узел тока) и изменяется вдоль проводов от конца вибратора к точке питания по синусоидальному закону. 11 Напряжение и ток сдвинуты на 90 градусов. В симметричном вибраторе устанавливается режим стоячей волны. 3.1. Действующая длина симметричного вибратора Симметричный вибратор с синусоидальным распределением тока по его длине сравним с эквивалентной антенной, ток в которой сохраняется неизменным по длине(как у диполя Герца) и равен току на входе вибратора. Под эквивалентными понимают антенны создающие равные по напряженности поля. Такие антенны должны иметь равные площади токов. Площадь тока диполя Герца S=IкLД, Площадь тока симметричного вибратора S=2 Ixdx. Действующую длину симметричного вибратора определяют из условия равенства площадей тока реальной и эквивалентной антенны. LД= где β= -коэффициент фазы(волновое число), λ – длина плеча. Для короткого вибратора L<< λ, поэтому βλ – малая величина => ≈ , Тогда LД короткого вибратора = Т.е. действующая =l длина (эффективная равна половине длины вибратора длина) короткого вибратора =l или длине плеча. 12 Для полуволнового вибратора. L= tg ( LД λ/2= )=tg ( )=tg ( , l= )=1 = или можно получить LД=1,27 l 3.2. Сопротивление излучения RΣ. RΣ зависит от относительной длины с увеличением RΣ возрастает, причем для полуволнового вибратора, RΣ λ/2=73,1 Ом для волнового вибратора, RΣ λ=200 Ом Дальнейшее увеличение от 0 до 1 до 1,5 вызывает уменьшение RΣ до 100 Ом, которое сменяется увеличением RΣ до 250 Ом при изменении от 1,5 до 2,0, после чего происходят колебания RΣ сопровождающие некоторым увеличением его максимума и минимума. Это объясняется тем, что с одной стороны, увеличение длины вибратора приводит к увеличению RΣ за счет увеличения числа элементов вибратора, участвующих в излучении электромагнитных волн, а с другой стороны увеличение длины вибратора сопровождается появлением участков со встречным направлением тока, которое вызывает уменьшение RΣ . 13 Список используемой литературы 1) Фрадин А. З. «Антенно-фидерные устройства», Связь - М., 1977 2) Михеев А. И. «Каналообразующие устройства. Часть 2», Хабаровск, ДВГУПС, 1995 3) Марков Г. Т., Сазонов Д. М. «Антенны», Энергия - М., 1975 4) Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985. 5) Г.И. Атабеков и др. Теоретические основы электротехники. М. 1979.
