СИММЕТРИЧНЫЙ ПОЛУВОЛНОВОЙ ВИБРАТОР ГЕРЦА

Рассмотрим более подробно симметричный вибратор, который является основной частью многих антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах. Он представляет собой четвертьволновую разомкнутую линию, провода которой развернуты в одну прямую (рис.1 а). Большинство свойств двухпроводной линии, рассмотренных ранее, сохраняется и у вибратора. В нем также создаются стоячие волны, причем на концах провода всегда получаются узлы тока и пучности напряжения. Распределение тока и напряжения вдоль вибратора получается такое же, как и вдоль проводов линии. В зависимости от соотношения между длиной вибратора и длиной волны генератора входное сопротивление вибратора принимает различные значения. В частности, при резонансе оно чисто активное.

Скорость распространения электромагнитных волн вдоль реального вибратора несколько меньше, чем скорость света, и поэтому резонанс получается в случае, когда длина провода вибратора немного меньше 1/2 (ламбда) (примерно 0,47 ламбда). Если вибратор расположен близко к земле и различным местным предметам, то приходится брать его еще короче. Кроме того, если в середину вибратора включена катушка для связи с генератором, то длина вибратора должна быть взята с учетом того, что провод катушки является частью провода вибратора. При наличии такой катушки в ее средней точке получается пучность тока и узел напряжения.

Рис.1 - Переход от четвертьволновой разомкнутой линии (а) к полуволновому вибратору (б)

Основное отличие вибратора от линии заключается в его способности хорошо излучать радиоволны. Двухпроводная линия излучает радиоволны слабо, так как магнитные поля обоих проводов во внешнем пространстве почти полностью взаимно уничтожаются вследствие противоположных направлений токов в проводах; у вибратора же обе половинки провода расположены по одной прямой и токи в них совпадают по направлению. Поэтому излучения от этих токов складываются.

Поскольку вибратор хорошо излучает радиоволны, нельзя считать его идеальной линией. В нем получается режим смешанных, а не стоячих волн. В результате теоретического и практического исследования полуволнового вибратора выяснилось, что энергия излучаемых им волн эквивалентна потерям в активном сопротивлении 73 ом, которое следует считать включенным в пучность тока. Такое условное сопротивление, потери в котором эквивалентны потерям на излучение, называют сопротивлением излучения (Rизл).

Если бы в самом проводе и в изоляторах не было потерь энергии, то входное сопротивление вибратора в пучности тока при резонансе составляло бы 73 Ом. Но в каждом вибраторе имеются потери на нагрев провода и изоляторов, на утечку и т. п. Поэтому Zвх, называемое иначе полным сопротивлением антенны Ra, для полуволнового вибратора приближенно считают равным 80 ом (добавляя 7 ом потери). Именно такое сопротивление оказывает вибратор для генератора, включенного в пучность тока (в середину вибратора).

Полная мощность колебаний в антенне (в вибраторе) Ра определяется через ток в пучности Iа и сопротивление Rа:

Мощность излучаемых волн:

Отсюда следует, что КПД вибратора определяется как

Величина КПД для полуволнового вибратора получается достаточно высокой — порядка 0,9 и даже выше.
При изображении распределения тока и напряжения в вибраторе следовало бы учитывать наличие бегущей волны, которая переносит вдоль вибратора энергию, идущую на излучение и на потери в самом вибраторе. Однако для упрощения принято изображать только стоячую волну.

Рис.2 - Распределение тока и напряжения в вибраторе в различные моменты времени

Надо помнить, что (рис.1 б) показывает распределение тока и напряжения без учета сдвига фаз на 90° между ними. Для более полного представления о колебательном процессе в вибраторе на рис.2 даны графики распределения тока и напряжения в нем в различные моменты времени в течение одной половины периода. В начале (рис.2 а) тока еще нет, а напряжение имеет наибольшее значение. За время 1/8 Т от начала колебания напряжение уменьшилось и возник ток (рис.2 б). Через четверть периода от начала колебания ток достигает наибольшей величины, а напряжение равно нулю (рис.2 в). Затем ток уменьшается, и снова появляется напряжение, но уже противоположного знака, так как половинки провода перезаряжаются (рис.2 г). Когда пройдет полпериода от начала колебания, ток уменьшится до нуля, а напряжение возрастет до-максимума (рис.2 д). После этого процесс повторяется в обратном направлении.

Рис.3 - Электромагнитное поле около вибратора и на значительном удалении от него

На рис.3а показаны электрическое и магнитное поля вокруг вибратора. Распространившиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в определенных плоскостях. Если волны распространяются свободно, без преломлений и отражений, то на значительном ударении по направлению, перпендикулярному к вибратору, электрические силовые линии располагаются параллельно вибратору, а магнитные силовые линии — перпендикулярно к нему ] (рис.3 б).

Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально (рис.3), волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию.

Следует обратить внимание на то, что электромагнитные поля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер. На значительном расстоянии от вибратора поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.

Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, амплитуда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн. Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь колебание энергии, переходящей из электрического поля в магнитное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоячих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, значительно более сильное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его напряженность очень быстро убывает при удалении от вибратора.

Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших длины волны от него, в котором существует поле индукции, называют зоной индукции или ближней зоной. А пространство на расстояниях, значительно больших длины волны, в котором практически наблюдается только поле излучения, называют дальней или волновой зоной (или зоной излучения).

Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними существует промежуточная зона, в которой поле индукции и поле излучения имеют напряженности одного порядка.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира