Вариации с полуволновым вибратором

Вибратор Герца

С началом изучения мощных источников генерации коротких электромагнитных волн и магнетронов в XX в. вибратор Герца стал активно использоваться в УКВ-диапазоне.

В 1886—1889 гг. Г. Герц проводил опыты, в результате которых должно было подтвердиться утверждение Дж. Максвелла о существовании электромагнитных волн и их основных свойствах. Две сферы или цилиндра диаметром 10— 30 см, в других опытах — металлические листы со стороной 40 см, Герц укреплял на концах стержня, разрезанного посередине. На разрезах помещались полированные шарики, между которыми образовывался промежуток в несколько миллиметров шириной. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Цилиндры или листы присоединялись к источнику высокого напряжения, который заряжал листы положительными и отрицательными зарядами. Электрическая искра, возникающая в промежутке вибратора, уменьшает сопротивление. Пока искра существует, в вибраторе возникают затухающие колебания с высокой частотой. Излучение электромагнитных волн происходит из-за того, что вибратор не что иное, как открытый колебательный контур.

Вибратор Герца был назван именем своего создателя во время самых решающих опытов, когда он устанавливал поляризацию волн. Для этого необходимо было получить более короткие волны, чем предыдущие — 4,5 м. Для этого Герц использовал медные стержни длиной 9 см и диаметром 3 см. Медные шары на концах стержней были диаметром 4 см. В результате этого опыта Герц получил волны длиной 60 см, частотой 500 МГц.

Чтобы обнаружить электромагнитные волны, Герц, по примеру приемного вибратора, создал излучающий вибратор, или резонатор. По сути, он представлял собой то же самое устройство, что приемный, но функции его отличались. В приемном вибраторе колебания тока возбуждаются под действием переменного электрического поля. При совпадении частоты вибратора с частотой электромагнитной волны в нем возрастает амплитуда колебаний. Герц регистрировал их, наблюдая в промежутке между проводниками приемного вибратора искорки.

Вибратор, по замыслу Герца, увеличил частоту колебаний волн в сотни раз, что помогло наблюдать быстрые электромагнитные колебания в лабораторных условиях. Он доказал, что, как и световые волны, электромагнитные могут преломляться, отражаться, интерферировать и поляризоваться. Герц измерил длину волн и рассчитал их скорость распространения.

Вибратор Герца и его производные. Антенна была изобретена вместе с приёмником радиосигналов. Это по сути дела преобразователь электромагнитной энергии, в электрическую, и наоборот. От конструкции и типа антенны зависит качество антенны, которое характеризуется её усилением, полосой пропускания и характеристикой направленности в пространстве. Кроме того, у каждой антенны есть такой параметр, как входное (выходное) сопротивление.

Здесь надо отметить, что такие характеристики как усиление, полоса пропускания, направленные свойства, и апертура антенны, взаимосвязаны. А улучшение одной из них, неуклонно ведёт к ухудшению остальных характеристик.

У антенн имеется принцип взаимности, т.е. все антенны, которые работают на передачу, могут быть приёмными, и почти все антенны, которые предназначены для приёма радиосигналов, могут использоваться на передачу.

Конечно же, самым простым и классическим вариантом антенны, является вибратор Герца, — полуволновой вибратор (λ/2). Для этого мы сначала научимся переводить частоту в метры, и наоборот. И так, что бы найти длину волны необходимо скорость распространения радиоволн разделить на частоту принимаемого сигнала. Сократим их значения, и получим следующую формулу:

λ (м) = 300/ f (мГц), и наоборот: f (мГц) = 300/λ (м).

Простейший вариант полуволнового вибратора, питаемого с середины, изображён на рис. 1. У него имеется коэффициент укорочения в среднем К=0,95 для коротких волн, это связано в связи с концевой ёмкостью вибраторов, которые уменьшают резонансную частоту самого вибратора.

Здесь, ферритовые кольца необходимы для обеспечения симметрии вибратора с электрической точки зрения. Ферритовые кольца могут быть любого диаметра с проницаемостью 600 и более на коротких волнах. Число колец не менее шести. Если это феррит от отклоняющей системы переносного телевизора, то через это кольцо можно сделать 2-3 витка коаксиальным кабелем. Это мероприятие с ферритовыми кольцами, в случае использования антенны в режиме передачи, уменьшает паразитное излучение оплёткой кабеля, а соответственно уменьшит влияние на антенны местных телевизионных приемников. Данная антенна имеет достаточно узкую полосу пропускания, излучает перпендикулярно своей оси по двум сторонам света. При горизонтальном размещении вибратора, он имеет горизонтальную поляризацию сигнала. В случае размещения этого вибратора вертикально, антенна будет иметь круговую диаграмму направленности с вертикальной поляризацией сигнала.

Вариации с полуволновым вибратором

Все антенны имеют разные углы излучения сигнала (принимаемого сигнала) относительно плоскости земли. В данном случае, см. рис. 1 при расположении антенны от поверхности земли около 0,1λ, антенна будет излучать вертикально вверх и совсем незначительно по двум сторонам. Такую антенну можно назвать антенной зенитного излучения (АЗИ), и её удобно использовать на ближних трассах радиообмена, с расстоянием до 800-1000 километров. При размещении такой антенны на высоту более 0,25λ, антенна излучает ближе к горизонту под углом 18°-25° и частично вертикально.

С классическим полуволновым вибратором можно проводить разные эксперименты, которые привели к распространённым типам антенн производной диполя Герца, см, рис. 2. При расположении антенны низко над землёй и наклонив полотно антенны примерно под 45°, мы получили антенну под названием «Sloper», основное излучение которого принимает почти односторонний характер излучения

Модификация антенны под названием «Inverted — V», перевёрнутая — V, предполагает двустороннюю диаграмму направленности, как у классического вибратора, но с прижатой к земле диаграммой излучения под углом ниже 15°-12°, что даёт возможность в диапазоне КВ работать в эфире на дальних дистанциях. В диапазоне FM радиовещатели часто используют полуволновые вертикалы с колениарным включением.

Преобразование полуволнового вибратора в четвертьволновой

Четвертьволновой вибратор, это далеко не укороченный полуволновой вибратор. Проследим его появление на свет. Ниже представлены варианты постепенного преобразования полуволнового вибратора. На рисунке 3а. мы видим обыкновенный λ/2 вибратор, только расположенный вертикально. Неудобство расположения фидера перпендикулярно полотну антенны, привело к решению размещения антенны по схеме рис. 3б. Вполне естественно, что центральная жила кабеля подключена к верхней части вибратора. А к нижней, соответственно, оплётка кабеля. Вместо нижней части вибратора иногда используют оплётку кабеля, натянутую поверх изоляции фидера. Такую антенну назвали «Антенна-чулок», а её входное сопротивление равно примерно 75 Ом. Ферритовые кольца здесь не нужны. Угол излучения к горизонту составляет примерно 12°-15° к горизонту, а такую антенну часто используют в походных условиях.

Для воссоздания входного сопротивления антенны = 50 Ом, пришлось применить 3-4 полотна антенны по углом 90°-120° по отношению к вертикальному верхнему полотну антенны см. рис. 3в. Такую антенну назвали четверть волновым вертикальным вибратором, а нижние вибраторы назвали противовесами. Угол излучения к горизонту в этом случае высок и составляет примерно 18°-20° к горизонту. Так получился вертикал. Все рассматриваемые выше антенны, являются классическими, и очень широко применяются. Их полоса пропускания составляет единицы процентов от всего коротковолнового диапазона, и не могут с максимальной эффективностью использоваться во всём диапазоне частот коротких волн.

Дата добавления: 2015-12-08