Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Колебательные контуры из катушек и конденсаторов и их сочетания не являются единственными колебательными системами в радиотехнике. Электрические колебания высокой частоты могут возникать в отрезках провода, в отрезках кабеля, и в параллельных проводах, а также в металлических и вообще проводящих поверхностях различных размеров и форм. Так же как и в обычных контурах, эти колебания могут быть и вынужденными, и свободными, причем в случае, когда возбуждающая частота совпадает с частотой собственных колебаний, можно наблюдать резонанс.

Происходит это потому, что емкостью  и самоиндукцией обладают не только конденсаторы и катушки, но и вообще всякий проводник, какой бы он формы ни был.

В отличие от сосредоточенных данных конденсаторов и катушек емкость и самоиндукцию проводников называют их распределенными параметрами, относя те или иные их значения к единицам длины. Распределенную емкость цилиндрических проводов, например, выражают в пикофарадах на погонный метр, а распределенную самоиндукцию — в микрогенри либо в сантиметрах на погонный метр.

Распределенную емкость провода без большой ошибки можно считать прямо пропорциональной, а самоиндукцию обратно пропорциональной его диаметру, вследствие чего произведение этих величин для отрезка проводника некоторой длины l является величиной постоянной, не зависящей от его диаметра.

Отмеченная особенность приводит к тому, что частота собственных колебаний f (и, следовательно, резонансная частота) прямолинейного проводника длиною l м также не зависит от его диаметра и ее вычисляют по формуле

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

где с — скорость света в м/сек, а п— множитель кратности, являющийся всегда целым числом.

 

Если п= 1, то резонирующий провод называют вибратором, настроенным на основную частоту (или на первую гармонику, что одно и то же), а также полуволновым вибратором, диполем. Если п = 2, 3 и т. д., то вибратор будет называться гармониковым, настроенным на 2, 3-ю и т. д. гармонику от собственной основной частоты.

Электрические колебания сопровождаются возникновением в пространстве вокруг вибратора быстропеременных электрического и магнитного полей, под совместным влиянием которых создается электромагнитное поле, или радиоволны. Если электрическое и магнитное поля всегда связаны с вызвавшими их появление зарядами и токами в проводе, причем их можно наблюдать лишь в непосредственной близости от него, то для электромагнитного поля такой связанности не существует: возникая у вибратора, радиоволны уносятся от него со скоростью света, распространяясь на огромные расстояния. Этот процесс называется излучением радиоволн. Излучаемая энергия обычно составляет весьма значительную часть общей колебательной энергии вибратора. Возбужденный вибратор называют еще „излучателем", „диполем", или „передающей антенной".

Радиоволны распространяются от вибратора подобно кругам по воде от брошенного камня. Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за один свой период. В соответствии с этим излучаемые волны X и частота колебаний вибратора f связаны соотношением

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

где с — скорость света.

Высокочастотные токи и напряжения распределяются вдоль вибратора неравномерно, образуя так называемые стоячие полуволны. Геометрическая длина стоячих волн в проводах приблизительно совпадает с длиной излучаемых радиоволн, поэтому между длиной вибратора l и длиной волны λ существует такая зависимость:

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

и вибратор часто называют „полуволновым". На концах вибратора ток равен нулю, а в середине имеет максимальное значение. Стоячая полуволна напряжения сдвинута по фазе относительно полуволны тока по длине вибратора на угол π/2 вследствие чего на концах имеются максимумы напряжения, а в середине его нуль. На рис. 26 А l — вибратор, Е и l —

кривые распределения на нем соответственно напряжения и тока.

Если вибратор сложить вдвое в открытую с одного конца петлю (рис. 26 Б), то получится новая разновидность колебательной системы с распределенными постоянными, так называемая „резонансная линия".

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Рис. 26. Образование стоячих волн в колебательных системах с распределенными постоянными и их сочетания между собой.

 

 В ней также образуются стоячие волны тока и напряжения, распределение которых показано на рисунке. Такая петля называется разомкнутой четвертьволновой ячейкой резонансной линии. Эта ячейка, в отличие от вибратора, почти совсем не излучает радиоволн, поэтому ее применяют для подачи возбуждающего высокочастотного напряжения от радиопередатчика к излучателю.

На рис. 26 В показано сочетание вибратора с четвертьволновой ячейкой, именуемой в этом случае высокочастотным фидером со стоячей волной. Если резонансную линию сделать неограниченно длинной, то, перемещая вдоль ее проводов скользящую короткозамыкающую перемычку, можно обнаружить, что линия периодически оказывается настроенной в резонанс с возбуждающим генератором всякий раз, когда перемычка отстоит от начала линии на целое число полуволн. Когда от начала линии до перемычки помещается только одна полуволна, резонирующая система называется замкнутой полуволновой ячейкой резонансной линии. Токи и напряжения в ней показаны на рис. 26 Г, а на рис. 26 Д представлено сочетание полуволновой ячейки с вибратором, аналогичное случаю В.

Стоячие волны в вибраторах и линиях образуются за счет многократных отражений колеблющихся зарядов от концов этих колебательных систем. Если поступающие от генератора новые колебания оказываются в фазе с многократно отразившимися ранее поступившими колебаниями (а такое условие соблюдается при некоторых указанных ранее определенных соотношениях длин проводов с длиной волны), то в системе наступает упорядоченное встречное движение двух равных по амплитуде и частоте непрерывных колебаний а и б (рис. 26, вверху). Эти колебания, распространяясь с одинаковой скоростью навстречу друг другу, в точках у складываются, всегда взаимно нейтрализуясь, а в точках п — всегда усиливаясь. Соответственно этому в колебательной системе вместо движущихся возникают стоячие волны с узлами в у и пучностями в п.

Все типы устройств, показанных на рис. 26, действуют на основной частоте, но нетрудно представить их возбужденными и на гармониках. Гармониками называются частоты, кратные основной частоте f. Частота второй гармоники равна 2 f, третьей — 3f и т. д. Основная частота f одновременно является и первой ее гармоникой. Если вытянуть в одну линию провода (рис. 26 В), получится вибратор, возбужденный на второй гармонике (его длина будет равна λ), а на рис. 26 Д получим вибратор, действующий на третьей гармонике, так как длина его провода будет составлять уже 3/2λ. Чтобы возбудить на гармониках вибратор А, надо соответственно повысить в целое число раз частоту возбуждающих колебаний.

С помощью резонансных линий, возбуждаемых на гармониках, можно измерять длину волны, что и используется для частот выше 10 мггц. При меньших частотах линии получаются слишком длинными.

Замкнутые резонансные линии возбуждаются, как и вибраторы, на всех гармониках подряд, а разомкнутые — только лишь на нечетных.

Вместо резонансных линий для передачи высокочастотной энергии в антенну часто применяют фидер с бегущей волной, что достигается особым способом соединения проводов фидера с вибратором. Это значительно уменьшает потери высокочастотной энергии в фидере, в особенности если передавать ее приходится на расстояния нескольких длин волн. Антенна с фидером „бегущей волны" показана на рис. 27.

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Рис. 27. Полуволновой вибратор, питаемый двухпроводным фидером с бегущей волной.

Если построить систему излучатель — фидер с соблюдением всех указанных на рисунке размеров, электрические колебания будут передаваться в точках А и Б к вибратору, не возвращаясь в фидер, в то время как в самом вибраторе будет поддерживаться стоячая полуволна тока, обеспечивающая излучение. Длина фидера при этом может быть произвольной, несвязанной с длиной волны, а расстояние между проводами Д должно равняться 98 d, где d — диаметр проводов.

Излучение энергии высокочастотных колебаний вибраторами в разных направлениях характеризуется диаграммами направленности их действия.

Диаграмму направленности вибратора строят следующим образом:   вокруг возбужденного вибратора на одном и том же расстоянии от него, но по различным направлениям, находящимся в одной и той же плоскости, измеряют интенсивность излученных электромагнитных волн и наносят полученные данные на чертеж, откладывая в соответствующих направлениях отрезки, пропорциональные измеренным величинам и называемые радиусами-векторами.

После соединения концов всех радиусов-векторов плавной кривой получают наглядную картину распределения излучения вокруг вибратора, называемую диаграммой или характеристикой излучения вибратора.

На рис. 28 показаны типичные диаграммы направленности излучения вибратора, возбуждаемого на основной частоте (а) и на второй гармонике (б), причем в — общая для обоих этих случаев диаграмма направленности излучения в проекции, плоскость которой перпендикулярна вибратору.

Большим распространением в наше время пользуется петлевой вибратор, или шлейф-антенна Пистолькорса (рис. 29), Эта антенна представляет собой как бы два параллельно включенных одиночных вибратора, из которых нижний питается током от резонансной фидерной линии длиною в некоторое четное число четвертой волны, а верхний — получает напряжение возбуждения, если его присоединить концами к концам нижнего вибратора.

 

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Рис. 28. Диаграммы излучения источников света и радиоволн.

В области средних и длинных волн применение симметричных вибраторов становится неудобным из-за непомерного возрастания их длин, поэтому применяют несимметричные антенны с заземлениями либо с противовесами.

 

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Рис. 29. Шлейф-антенна Пистолькорса.

На рис. 30 представлены некоторые разновидности длинноволновых антенн, которые могут служить как передающими, так и приемными. Для случая использования их в качестве передающих показаны распределения в них высокочастотных токов и напряжений. Антенна тем эффективнее, чем больше ее так называемая „действующая высота" hд. Эта величина вычисляется как высота прямоугольника, равновеликого по площади фигуре, ограниченной кривой распределения тока в антенне (на а — заштриховано) и имеющего своим основанием ток Iмакс в нижнем участке антенны. На рис. 30 показаны: антенна в виде простого вертикального провода, известная под названием „четвертьволнового заземленного вибратора" (а), Г-образная антенна (б), Т-образная антенна (в) и наклонная антенна с противовесом (г).

 

В городах большим распространением пользуются „метелочные антенны“ (д) в виде метелки из пучка торчащих вверх заостренных тонких проволок, укрепленной на краю крыши, от которой вниз идет провод снижения. Такие антенны меньше „трещат", когда приближается гроза. 

Колебательные системы с распределенными постоянными и излучение

Рис. 30. Некоторые разновидности радиоприемных антенн.

Наконец, обширную категорию, главным образом, приемных антенн составляют различные рамочные антенны (рамки), свойства которых более подробно рассматриваются в гл. IX.

Смотрите также