Симметричный вибратор (диполь)

 

Симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180 . Благодаря этому направления токов в симметричных точках обеих половин вибратора оказываются одинаковыми. Для того чтобы получить максимальный ток в проводах вибратора, а следовательно и максимальное излучение, используют резонанс, т.е. устанавливают частоту тока в вибраторе равной частоте собственных колебаний вибратора. На следующем рисунке представлен симметричный вибратор и его эквивалентная схема, которая содержит параллельно соединенные емкости и индуктивности.

 

 

Рис. 28. Симметричный вибратор и его эквивалентная схема

 

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметричном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам источника постоянной ЭДС, как показано на рисунке (а).

 

Рис. 29. Процесс свободных колебаний в симметричном вибраторе

 

После того как распределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замкнем обе половины вибратора короткой перемычкой. Рисунок б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. Через отрезки провода вибратора, расположенные у середины, протекает наибольший электрический заряд, и поэтому разрядный ток в них имеет наибольшее значение; к концам же провода ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределенных индуктивностях возникает ЭДС самоиндукции. Разность потенциалов между точками, равноудаленными от середины вибратора, тем больше, чем дальше эти точки середины, так как тем большая часть распределенной индуктивности провода участвует в ее создании. Рисунок в). Если вначале индуктивность проводов вибратора препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его уменьшению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее направление. Рисунок г). За счет этого происходит перезаряд распределенной емкости, и, когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными. Рисунок д). После этого процесс протекает в обратном направлении. Рисунки е – и). Таким образом, в вибраторе возникают свободные электрические колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряженияи вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины, т.е. = 2l.

Поэтому симметричный вибратор называют также полуволновым диполем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собственных колебаний.

При превращении линии в излучающую систему – антенну – необратимые потери энергии возрастают. К тепловым потерям добавляются потери на излучение . Таким образом, мощность, потребляемая антенной, равна

= + .

Увеличение необратимых потерь в системе можно рассматривать как увеличение ее активного сопротивления, т. е. можно считать, что полное сопротивление антенны = + ,

где - сопротивление тепловых потерь, а - сопротивление излучения.

Сопротивление излучения не зависит от абсолютных размеров вибратора, а определяется отношением их к длине волны. Так, все полуволновые диполи обладают сопротивлением излучения = 73,1 Ом независимо от того, равна ли их длина сотням метров или нескольким сантиметрам. Все вибраторы длиной в целую волну имеют сопротивление излучения = 200 Ом и т.д..

Существует несколько способов подключения симметричного вибратора к генератору. Обычно используется симметричное питание вибратора; в этом случае он состоит из двух равных по длине плеч, укрепленных так, что между ними есть небольшой по сравнению с длиной волны зазор. Как показано на рисунке.

Отношение напряжения в точках подключения фидера к току вибратора в этих точках называется входным сопротивлением вибратора. Это сопротивление зависит от длины вибратора, его диаметра и положения точек, к которым подключен фидер.

Входное сопротивление вибратора произвольной длины является комплексным, т.е. состоит из последовательно включенных активной и реактивной составляющих. Эти составляющие зависят от длины волны и диаметра вибратора. При увеличении длины вибратора активная составляющая его входного сопротивления увеличивается от нуля до максимума. При дальнейшем увеличении длины вибратора она колеблется от максимума до минимума, которые сами приближаются к одной предельной величине.

Исследования показали, что вибратор, выполненный из провода с большим диаметром, обладает большей диапазонностью. Это означает, что его входное сопротивление мало изменяется при изменении рабочей волны генератора в небольших пределах. Следовательно, чем шире полоса частот, излучаемых вибратором, тем больше должен быть его диаметр. Поэтому для расширения полосы пропускания вибраторных антенн они выполняются в виде проволочного цилиндра (вибратор Надененко), конуса, сфероида и других форм.

 

 

 

Рис. 30. Широкополосные вибраторы

 

 

Сложные вибраторы

 

Антенны с большим сопротивлением излучения обладают высоким КПД, характеризуются малыми токами и напряжениями при резонансе, просты в настройке и регулировке. Поэтому всегда стремятся к увеличению сопротивления излучения антенны, увеличивая для этого длину излучающего провода. Однако у линейных проводов увеличение сопротивления излучения с увеличением их длины происходит не непрерывно, а периодически замедляется небольшими уменьшениями этого сопротивления (см. рис.), вызванными излучением противофазных участков провода.

 

 

Рис. Зависимость сопротивления излучения от электрической длины

симметричного вибратора

 

Увеличить сопротивление излучения при увеличении длины антенны можно двумя путями. Во-первых, можно согнуть участки с противоположным направлением тока в неизлучающие четвертьволновые шлейфы, как это делают в синфазных антеннах (рис.).

 

 

Синфазное излучающее устройство

Но при этом общая длина входящих в антенную систему проводов, определяющая сопротивление потерь, оказывается почти вдвое больше длины излучающей части. Поэтому синфазные антенны из проводов, вытянутых в одну линию, применяются только для получения направленного излучения. Во-вторых, можно согнуть антенный провод в местах, где изменяется направление тока. Тогда пространственное направление токов в отдельных участках антенной системы уже не будет противоположным, и при угле изгиба в 90º компенсирующее действие их излучения сведется к нулю. Образующаяся при этом система носит название антенны Ширекса (рис.).

 

Рис. Антенна Ширекса

 

Если угол изгиба сделать равным 180º, то пространственное направление токов в антенне станет везде одинаковым. При небольшом по сравнению с длиной волны расстоянии между излучающими участками созданные ими волны приходят в любые точки пространства с одинаковой фазой и усиливают друг друга. На рис. приведены типичные примеры так называемых шлейф-вибраторов, основанных на данном принципе. Все они имеют общую длину провода, равную целому числу полуволн, и поэтому являются резонансными системами, входное сопротивление которых носит чисто активный характер.

 

Рис. Шлейф – вибраторы:

а – петлевой вибратор; б – петлевой вибратор без перемычки; в – трехэлементные вибраторы; г – четырехэлементный вибратор; д – вибратор с длиной 3λ/4

 

Ток от генератора последовательно обтекает синфазные излучающиеэлементы, представляющие собой полуволновые вибраторы.

В отличие от синфазных антенн из вибраторов в одну линию, такие системы не содержат неизлучающих участков провода, поэтому сопротивление потерь в них минимально. Зато диаграмма направленности шлейф – вибраторов практически не отличается от диаграммы простого полуволнового вибратора.

 

Вибратор Пистолькорса

ВибраторПистолькорса (петлевой вибратор) состоит из двух полуволновых вибраторов, соединенных между собой на концах. Вибратор 1 питается симметрично, а вибратор 2 – с концов, где расположены минимумы тока и максимумы напряжения. Поскольку в минимумах ток стоячей волны изменяет фазу на 180 , токи в обоих вибраторах имеют одинаковое направление. На концах обоих вибраторов действует одно и то же напряжение. Если диаметры вибраторов одинаковы, то и токи в пучностях обоих вибраторов равны между собой. В этом случае токи и напряжения одинаково распределены по длинам вибраторов. Следовательно, сопротивление излучения вибратора Пистолькорса в четыре раза больше сопротивления одиночного вибратора, которое можно считать приблизительно равным 75 Ом. Таким образом, входное сопротивление вибратора Пистолькорса в 4 раза больше входного сопротивления одиночного вибратора. Это облегчает согласование вибратора с двухпроводной линией, так как легко подобрать волновое сопротивление двухпроводного фидера в 300 Ом.

 

 

Рис 31. Вибратор Пистолькорса