Влияние земли на излучение антенн.

Несимметричные вибраторы

Чтобы учесть влияние на работу антенны поверхности земли, будем сначала считать, что антенна располагается над поверхностью идеального проводника. Излученные при этом антенной электромагнитные волны приходят в некоторую произвольную точку пространства Р двумя различными путями: непосредственно от самой антенны и отразившись от поверхности проводника (рис).

 

 

Рис. Излучение антенны над идеально проводящей поверхностью:

а –пути прямой и отраженной волн; б – электрический заряд и его зеркальное изображение.

 

Для того чтобы найти результирующее поле в точке Р после сложения прямой и отраженной волн, удобно пользоваться представлением о «зеркальном изображении антенны», введение которого можно пояснить следующим образом. Если над идеально проводящей поверхностью на высоте h (в точке А) помещен заряд +q(рис), то на ней вследствие электростатического притяжения свободные заряды размещаются так, что горизонтальная составляющая электрического поля на поверхности будет равна нулю. Если бы она не была равна нулю, то под ее действием по поверхности перемещались заряды. Однако покоящийся заряд не может вызвать непрерывного движения зарядов в проводнике и, следовательно, электрическое поле у поверхности проводника должно иметь направление, перпендикулярное ей.

Такое же поле создается, если металлическую поверхность убрать, а внизу на расстоянии 2hпод зарядом в точке Б поместить второй заряд, равный по значению и противоположный по знаку первому заряду. Второй заряд называется зеркальным изображением первого. При этом поле в произвольной точке поверхности будет определяться векторами и зарядов+qи –q. Поскольку заряды удалены от точки В на одинаковые расстояния, то векторы и одинаковы. Горизонтальные составляющие этих векторов и уничтожают друг друга, а вертикальные и складываются. Это и позволяет заменить действие проводящей поверхности действием «зеркального заряда».

Если заряд, помещенный над идеальной проводящей поверхностью, начнет двигаться по вертикали вниз, то его зеркальное изображение будет перемещаться также к поверхности, т.е. снизу вверх. Поместив над поверхностью вертикальный провод, в котором в данный момент времени ток течет сверху вниз, мы вызовем в его зеркальном изображении перемещение зарядов обратного знака снизу вверх и, следовательно, прохождение тока в том же направлении, что и в проводе (рис, а).

 

Рис. Направление токов в проводах и в их зеркальных изображениях

Поэтому если над идеально проводящей поверхностью поместить вертикальную антенну, то ее поле определяется как поле антенны и ее зеркального изображения, в котором течет ток того же значения и того же направления. Таким образом, вертикальная антенна и ее зеркальное изображение образуют систему из двух синфазных вибраторов.

Если же заряд, поднятый над идеально проводящей поверхностью, движется в горизонтальном направлении, например слева направо (рис. б), то противоположный по знаку зеркальный заряд передвигается в том же направлении. Значит, если в горизонтальной антенне течет ток в одном направлении, то в ее зеркальном изображении ток течет в противоположном направлении. Таким образом, горизонтальная антенна и ее зеркальное изображение образуют систему из двух противофазных вибраторов.

Из сказанного видно, что наличие хорошо проводящей земли под антенной существенно изменяет ее свойства. Если вертикальную антенну расположить так, чтобы ее нижний конец касался поверхности земли, то она образует вместе сосвоим зеркальным изображением симметричный вибратор (рис.,а), резонансная волна которого в 2 раза длиннее этого симметричного вибратора и, следовательно, в 4 раза больше высоты самой антенны. Поэтому заземленную антенну называют четвертьволновым вибратором.

 

 

Рис. Несимметричный заземленный вибратор: а – распределение тока в вибраторе и его зеркальном изображении; б – включение возбуждающего генератора

 

До настоящего времени наряду с симметричным вибратором она считается одним из основных, наиболее распространенных антенных устройств. Достоинство заземленного вибратора заключается в простоте его устройств и малой длине, что особенно важно при работе на относительно длинных волнах. Поскольку вместе с зеркальным изображением заземленный вибратор образует симметричный полуволновый вибратор, то его поле излучения над поверхностью земли является полем полуволнового вибратора (рис.), нижняя половина диаграммы направленности которого срезана землей.

 

Рис.. Диаграммы направленности несимметричного вибратора:

а – в горизонтальной плоскости; б – в вертикальной плоскости

 

Вследствие того, что распределение тока и напряжения вдоль несимметричного заземленного вибратора такое же, как и симметричного, характер изменения его реактивного и активного сопротивлений такой же, как у симметричного, а все расчетные формулы, выведенные для симметричного вибратора, справедливы и для несимметричного. Единственная разница заключается в том, что потенциал второго зажима генератора, соединенного с землей, в любой момент времени равен нулю. Поэтому разность потенциалов между зажимом несимметричного вибратора и землей всегда вдвое меньше, чем между этим зажимом и его зеркальным изображением, т. е. чем у симметричного вибратора. Следовательно, входное сопротивление несимметричного вибратора оказывается вдвое меньшим, чем у симметричного, а сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора равно половине сопротивления излучения, полуволнового сопротивления, т.е. 36,6 Ом. По той же причине волновое сопротивление несимметричных антенн можно считать равным половине волнового сопротивления симметричных антенн, т.е. 500 Ом.

Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля обладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется, в результате чего поле излучения вибратора меняется. Кроме того, увеличение активного сопротивления земли приводит к возрастанию потерь во всей излучающей системе, состоящей из вибратора и земли, уменьшению амплитуды тока, уменьшению излучаемой мощности и КПД антенны.

Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны, куда стекаются все токи, наведенные антенной в земле.Для улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию земли: закапывают в землю металлические листы, провода, улучшают химический состав почвы, пропитывая ее различными солями (рис.).

 

Рис. Путь тока заземленного вибратора – а

и вибратора с противовесом - б

 

Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом приблизительно 0,35 λ Поэтому металлизацию земли производят в радиусе порядка полуволны вокруг основания антенны.

Опыт показывает, что нет надобности выполнять заземление в виде металлического листа; достаточно хорошо работает система радиально расходящихся проводов. Закопанных в землю на глубину 20 – 50 см. Увеличение общего числа проводов улучшает качество заземления, однако увеличение их числа свыше 100 – 120 не дает уже существенного эффекта. Качество заземления улучшается, если радиальные провода соединяются между собой перемычками.

Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний должен хорошо экранировать антенный провод от земли, играя роль хорошо проводящей поверхности. Он дает худшие результаты, чем заземление, но в ряде случаев его применение оказывается технически более целесообразным.