Симметричный полуволновый вибратор показан на рис. 1-4. Он представляет собой прямолинейный цилиндрический проводник, питаемый генератором высокой частоты. Его длина равна половине длины волны излучаемых им электромагнитных волн.
Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазона представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов. Поэтому, чтобы лучше понять принцип действия и изучить их свойства, необходимо подробнее ознакомиться с работой полуволнового вибратора.
Распределение тока и напряжения
Под воздействием э. д. с. генератора, подключенного к зажимам вибратора, в нем возбуждаются токи и заряды, которые создают электромагнитное поле вокруг вибратора. С достаточной для практики точностью можно считать, что ток и заряды вдоль провода распределяются в виде стоячих волн, причем на концах вибратора устанавливаются узлы тока и пучности заряда, как это показано на рис. 1-5.
Следует отметить, что вместо распределения заряда вдоль провода вибратора часто говорят о распределении напряжения. Такую замену нельзя считать правильной, однако здесь мы сохраняем понятие напряжения, как более привычное. Из приведенного рисунка становится ясным, почему возможно соединение элементов УКВ антенн (например, антенны «волновой канал») в их геометрическом центре с металлической конструкцией мачты. В центре полуволнового вибратора находится узел напряжения, в котором оно настолько мало, что можно произвести заземление, не опасаясь значительных потерь.
Зная распределение тока и напряжения по вибратору, можно определить и сопротивление, так как по закону Ома $$\frac{напряжение}{ток}=сопротивление$$
Теоретически можно определить полное сопротивление в любом сечении вибратора, если известны ток и напряжение. Мы ограничимся здесь только следующим важным правилом: на концах вибратора — высокое напряжение при малом токе, т. е. большое полное сопротивление; в середине вибратора (полуволнового!) — малое напряжение при большом токе, т. е. небольшое сопротивление.
Вибратор как колебательный контур
Каждый проводник имеет собственные индуктивность и емкость. У прямолинейного проводника, в виде которого может быть представлен каждый вибратор, индуктивность и емкость распределены почти равномерно по всей длине. Так как вибратор представляет собой проводник, открытый на концах, то его можно рассматривать как «открытый колебательный контур». Его резонансная частота определяется индуктивностью и емкостью вибратора, зависящей от его геометрических размеров.
Качество контура в основном определяется отношением L/C. При большом отношении (большая самоиндукция при малой емкости) мы имеем узкополосный контур с острым резонансом (рис. 1-6, а),при малом (небольшая самоиндукция при большой емкости) — широкополосный контур с менее резко выраженным резонансом (рис. 1-6, б).
Таким образом, ширина полосы пропускания вибратора (Δf)определяется отношением L/C, которое в свою очередь зависит от отношения длины волны к диаметру проводника — λ/d. Например, при одинаковой длине вибратор большего диаметра имеет большую емкость, так как его поверхность больше, и, следовательно, меньшее отношение L/C, чем у вибратора с меньшим диаметром проводника. Следовательно, вибратор большего диаметра имеет и большую полосу пропускания.
В коротковолновом диапазоне отношение λ/d практически не имеет значения, так как у обычных проволочных антенн оно равно 5 000 и более.
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 $$l[м]=\frac{141}{f[Мгц]}$$ 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 $$l[м]=\frac{142,2}{f[Мгц]}$$ или $$l[м]=\frac{142200}{f[кгц]}$$ вполне удовлетворяют всем требованиям практики (напомним, что эти формулы верны только для полуволновых вибраторов).
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 Ризл и максимальном значении тока Iмакс 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.
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°.