Резонансные частоты антенн. Гармониковые антенны

Одна и та же антенна обладает бесконечным множеством резонансных частот. Оставляя неизменной длину антенны и изменяя длину волны, можно получить резонансные явления в ней всякий раз, когда вдоль нее будет укладываться целое число полуволн. При этом наиболее длинной резонансной волной будет та, половина которой уложиться в антенне. Эту волну принято называть основной резонансной волной антенны. Более короткие волны, для которых антенна также оказывается настроенной в резонанс, называют высшими гармониками антенны.

Симметричные антенныхорошо излучают все волны, целое число полуволн которых укладывается вдоль их длины. Несимметричные антенны также представляют собой резонансные системы. Но они особенно хорошо излучают те волны, целое число четвертей которых укладывается вдоль их длины. Основной резонансной волной для них будет та, четверть длины которой равна длине антенны.

На основной волне и всех нечетных гармониках точки, к которым подводится питание, оказываются расположенными в пучности тока, и в антенне имеет место резонанс напряжения. При этом ее входное сопротивление невелико и равно сопротивлению потерь в цепи антенны. На всех четных гармониках точки, к которым подводится питание, расположены в узлах тока, и в антенне имеет место резонанс токов. При этом ее входное сопротивление становиться весьма значительным.

При переходе с одной нечетной гармоники на другую нечетную или с одной четной на другую четную входное сопротивление антенны меняется сравнительно мало; при переходе же с четной гармоники на нечетную или наоборот оно изменяется очень сильно. Это свойство позволяет без перестройки эффективно использовать антенны для работы на нескольких фиксированных волнах (при этом используются либо четные, либо нечетные гармоники). Антенны, работающие на высших гармониках, получили название гармониковых.

На рисунке показаны диаграммы направленности симметричных антенн в плоскости, проходящей через ось вибраторов, при различных отношениях l/λбез учета влияния земли. Для того чтобы получить диаграмму направленности в вертикальной плоскости несимметричных заземленных вибраторов вдвое меньшей высоты, нужно повернуть картину на 90º и отрезать нижнюю половину по штриховой линии. Из приведенного рассмотрения ясно, что входное сопротивление и направленные свойства вибратора зависят от отношения l/λ или, как говорят, «электрической длины» вибратора, т.е. его длины, выраженной в долях рабочей волны.

 

Рис. Диаграммы направленности симметричных вибраторов различной

длины

Рамочные антенны

Рамочная антенна используется на волнах, длина которых намного больше ее собственной волны. Собственная волна рамки обычно в 4 – 6 раз длиннее общей протяженности входящих в нее проводов. Рамочная антенна, коротко называемая рамкой, представляет собой катушку индуктивности большого размера и обладает свойством направленного приема. Рамка лучше всего принимает волны, направленные вдоль ее плоскости; волны перпендикулярные к этой плоскости, рамка не принимает (рис.) Поворачивая рамку, можно получить наилучшую слышимость нужной станции и избавиться от помех других станций. Если рамка расположена под прямым углом к направлению прихода радиоволны, то в обеих половинах каждого ее витка возникают две равные эдс, направленные навстречу. В результате эдс во всей рамке равна нулю. А если рамка расположена вдоль движения волны, то фазы эдс неодинаковы, поскольку волна раньше доходит до одной половины витков. В рамке возникает некоторая разность эдс. Она тем больше, чем больше размеры рамки и число ее витков, и чем короче волна.

 

 

Рис. Диаграмма направленности рамочной антенны

Вследствие малой длины сторон рамочной антенны сопротивление излучения и действующая высота такой антенны незначительны. Поэтому рамочные антенны редко применяют в передатчиках. В приемной аппаратуре они широко используются. Для увеличения действующей высоты рамочной антенны ее можно выполнить из нескольких витков провода. Форма контура рамки при этом может быть как прямоугольной так и круглой.

Магнитное поле, а следовательно, и действующую высоту рамки можно увеличить, если намотать ее на сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями для токов высокой частоты. В качестве такого материала чаще всего используют феррит. Такие антенны называют магнитными.

 

Зеркальные антенны

 

Зеркальные антенны построены на использовании оптических принципов и подобны оптическим прожекторам. Любая зеркальная антенна состоит из облучателя и отражателя, или зеркала. Облучатель является источником волн, которые падают на зеркало и, отразившись от него, распространяются в пространстве. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны: вибратор с рефлектором, открытый конец волновода, щелевая, рупорная, спиральная антенны и специальные облучатели. Зеркало антенны представляет собой металлическую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, параболического цилиндра, уголкового отражателя или отражателя специальной формы.

 

 

Рис. Параболическая антенна:

а – внешний вид; б – параметры параболоида вращения

 

Зеркальные антенны позволяют формировать любую заданную характеристику направленности. Так, например, параболический цилиндр с линейным облучателем, или параболоид вращения с точечным облучателем формирует игольчатую характеристику направленности. Параболическая поверхность получается в результате вращения параболы вокруг оси OZ(рис.).

 

 

Строение атмосферы

Верхняя атмосфера от 60 км и выше (примерно до 1000 км) содержит кроме нейтральных частиц (молекул и ато­мов) свободные электроны и ионы, образующиеся в результате ионизации газов. Ионизация заключается в от­рывании электронов от наружных оболочек атомов или молекул и требует определённой для каждого газа и его состояния (молекулярного или атомарного) работы, называемой работой выхода или ионизации Необходимая энергия поступает главным образом (на 99 %) от Солнца в виде ЭМ излучения и потока заряжённых частиц (сол­нечного ветра), соответственно вызывающих фото- и ударную ионизацию. Поскольку минимальная работа выхода для газов атмосферы составляет 9,25 эВ (для оки­си азота), то фотоионизация вызывается лишь ультрафиолетовым и рентгеновским излучением с длиной волны меньше 0,134 мк, а ударная частица - частицами с энер­гией выше 9,25 эВ. Ударная ионизация из - за захвата за­ряжённых частиц магнитным полем Земли и направле­ния их по спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий к магнитным полюсам даёт заметный вклад преимущественно в полярных районах. Помимо Солнца ионизацию вызывают также излучения звёзд, космические лучи и метеоры.

Одновременно с ионизацией происходят рекомбинация - воссоединение электронов с положительными ионами в нейтральную молекулу или атом - и "прилипание" элект­ронов к нейтральным частицам (происходит при сниже­нии интенсивности ионизации и сменяется "отлипанием" при ее возрастании). В ионосфере одновременно сущест­вуют свободные электроны, положительные и отрица­тельные ионы, причём количество противоположных зарядов одинаково и в целом ионосфера нейтральна. Подобное состояние газов называют плазмой. Определяющее влияние на распространение радиоволн оказывают наиболее легкие и подвижные из заряжённых частиц - свободные электроны, концентрацией или плотностью которых N_э, т.е. числом электронов вединице объёма, и характеризуют состояние и строение ионо­сферы. Величина N₃ определяется динамическим равновесием между перечисленными процессами и зависит от интенсивности ионизации, под которой понимают число электронов, образующихся в единице объёма в одну секунду. В однородной по составу атмосфере электрон­ная концентрация должна изменяться с высотой, имея не­который максимум, так как с уменьшением высоты из-за поглощения в газах уменьшается плотность ионизиру­ющего потока, усиливается влияние рекомбинации с рос­том плотности газов (давления) и падает концентрация электронов, а на больших высотах из-за низкой плот­ности газов мало число молекул, подвергающихся ионизации. В действительности верхняя атмосфера, в силу различия масс составляющих её газов, является сло­исто - неоднородной по составу средой и представлена в своей нижней, приблизительно до 90 км, части переме­шанным газом (воздухом). Далее атмосферу составляют преимущественно молекулярные азот и кислород с меняющимся по высоте процентным содержанием и переходом последнего в атомарное состояние, присутст­вуют также, составляя доли процента, атомарный азот и окись азота. Изменяется по высоте и температурный режим атмосферы. Всё это совместно с различной энер­гией ионизации для различных компонент верхней атмо­сферы приводит к появлению, кроме основного максиму­ма, нескольких относительных максимумов электронной концентрации.

Поскольку плотность ионизированного потока претер­певает суточные и сезонные изменения, а также меняется в соответствии с 11 - летним циклом солнечной актив­ности, характеризуемой относительным числом солнеч­ных пятен (числом Вольфа W ), то такие же изменения претерпевает и высотное распределение электронной концентрации.Максимумы электронной концентрации отожествляют с положением отдельных областей или "слоёв» ионосферы, обозначаемых в поряд­ке возрастания высоты D, E, Fl, F2 и характеризуемых высотой слоя h, его полутолщиной h_m, электронной концентрацией N₃ и числом столкновения электронов с нейтральными молекулами v. Средние значения этих величин представлены в табл. 2. Слой D существует лишь в дневные часы, а слой F1 -также в дневные и преимущественно летом. Слой Е отличается стабильностью, aF2 - наибольшим измене­нием своих параметров. Параметры, в первую очередь электронная концентрация всех слоев, зависят от геогра­фических координат, времени суток, года и цикла сол­нечной активности. Помимо отмеченных слоев, в верх­ней ионосфере существуют радиационные пояса, окружающие Землю и образованные заряжёнными части­цами (в первую очередь - протонами и электронами), за­хваченными магнитным полем Земли.

Траектория волны.

Ионосфера является сферически неоднородной средой, в которой диэлектрическая проницаемость, показатель преломления и фазовая скорость волны изменяются с вы­сотой, что приводит к искривлению траектории падаю­щей на ионосферу и распространяющейся в ней волны, вплоть до поворота её к земной поверхности. Для опре­деления условий возникновения полного внутреннего отражения, т. е. поворота волны к земле, воспользуемся лучевой трактовкой, справедливой при малых измене­ниях свойств среды на пути порядка длины волны
Полагаем ионосферу состоящей из большого числа тон­ких слоев с постоянными в пределах каждого слоя значениями диэлектрической проницаемости е„ и показателя преломления п„, величины которых изменя­ются при переходе от слоя к слою. На основе закона
преломления для s - го слоя n_ssinφ_s = n_s+1sin ф_s и теоремы синусов для текущего треугольника (а + h_s) sinφ_s =(a+h_s-1) sin ф_s найдём для текущей точки траектории волны =>sinφ₀ = (l+h/a)n_и(h) sinφ (I)

где φ₀ - угол излучения волны антенной относительно нормали к земле; φ - угол между касательной к траектории волны и радиусом-вектором, проведенным из центра Земли в текущую точ­ку траектории на высоте h.

условия отражения

Поскольку распространение волны происходит из опти­чески более плотной в оптически менее плотную средуφ₁>φ₀, φ₂>φ₁ и т. д., волна отклоняется к земной поверх­ности. Для возращения на Землю в верхней точке траек­тории волны угол φ должен составлять 90°. Учитывая это, получаем условие отражения волны от ионосферы =>sinφ₀ = V(l – 3190Nэ / (ω² + ν²)) (1 + h/a). (2)

Для KB диапазона и выше в слоях ионосферы, прини­мающих участие в отражении, ω>>νи
sinφ₀= V(l - 80,8 N_э/ f ²) (1 + h/a), (3)

где N₃ выражается в эл/м³, af - в Гц, или N₃ - в эл/см, а
f - в кГц, а = 6370 км - радиус Земли, h - высота отража­ющего слоя.

В реальной ионосфере изменение показателя преломления происходит плавно, что приводит также к плавному искривлению траектории волны. Для расстояний менее 1000 км можно не учитывать сферичность Земли и ионо­сферы, ввиду чего условие отражения (поворота) волны
приобретает вид I

=>sinφ₀= V/(1 - 80,8 N_э/ f²). (4)

Из выражений (3) и (4) следует, что с увеличением частоты падающей на ионосферу под заданным углом ф₀-радиоволны отражение будет происходить от областей с большей электронной концентрацией, а следовательно, на больших высотах. Максимально- применимые частоты. Так как электронная концентрация изменяется с высотой не монотонно, проходя ряд возрастающих по величине максимумов, соответствующих ионосферным слоям D, Е, Fl, F2, то при фиксированной дальности связи будут существовать и соответствующие значения максималь­ных частот, при которых волна еще отражается от соответствующих областей.

Величины максимальных частот волн, отражающихся от областей максимальной концентрации электронов N₃(h)_max, зависят от протяжённости трассы, возрастая с её увеличением. Эти наибольшие частоты волн, еще попадающих в пункт приёма после отражения от слоя ионосферы, называют максимально применимыми час­тотами (МПЧ) соответствующих слоев и обозначают с указанием расстояний Е - МПЧ, F1 - МПЧ, F2 - МПЧ. Наибольшая из МПЧ отдельных слоев является макси­мально применимой частотой трассы заданной протя­женности. Волны с частотой f> МПЧ после отражения уходят дальше пункта приёма или проходят через ионо­сферу.

 

Критические углы и частоты.

 

Для волн достаточно высоких частот существуют, как это следует из условия отражения, наименьшие, возрас­тающие с увеличением частоты, значения углов падения φ₀ ионосферу, при которых еще возможно отражение. Значения этих углов, называемых критическими φ_кр, уменьшаются с ростом максимума электронной концентрации, различны для различных ионосферных слоев и изменяются с изменением состоя­ния ионосферы При уменьшении частоты величины критических углов также уменьшаются и волны доста­точно низких частот будут отражаться и при вертикаль­ном падении на ионосферу, т. е при φ₀ = 0. Условие их отражения приобретает вид

=>V(l - 80,8 N_э/ f ²) = 0 или f_кр = f_n = V(80,8 N_э (h)) (5) и показывает, что с ростом частоты возрастает необхо­димое для отражение волны значение электронной кон­центрации. Поэтому для каждого ионосферного слоя су­ществует наибольшая, называемая критической и обоз­начаемая f_кр или f₀ частота вертикально падающей на ионосферу волны, при которой еще происходит отраже­ние от этого слоя:

=>f_кр = f₀ = V(80,8N₃(h)). (6)

Критическая частота слоя однозначно связана с макси­мумом электронной концентрации и служит характерис­тикой слоя Каждому из ионосферных слоев соответст­вует свое значение критической частоты f₀D, f₀E, foFl, foF2, изменяющееся в соответствии с изменением состо­яния ионосферы. Радиоволны частот f>f_Kр от данного слоя при вертикальном падении не отражаются Как сле­дует из ε_и = 1 - 80,8 N_э/f², отражение вертикально пада­ющих волн происходит от области ионосферы, где для данной частоты ε_и= 0 (здесь выполняется равенство f_в= f_п).

Регулярные и нерегулярные изменения ионосферы, Регулярные изменения. Состояние ионосферы зависит от степени освещённости и активности Солнца и подвер­жено поэтому регулярным суточным, сезонным и 11-летним колебаниям.

Область D - устойчивое образование, регулярно появляю­щееся днем. Степень ионизации однозначно определяется зенитным углом Солнца, т. е. углом направления на Солнце и в зенит, достигая максимума в местный полдень Элект­ронная концентрация, претерпевающая суточные и сезон­ные изменения, слабо зависят от цикла солнечной активнос­ти и недостаточна для отражения коротких волн, которые при любом возможном угле падения пронизывают область D, испытывая в ней наибольшее поглощение. Эта область сильно поглощает средние волны, препятствуя их распрост­ранению ионосферной волной в дневное время, устойчиво отражает сверхдлинные и длинные волны.

Область Е - устойчивое, постоянно существующее образо­вание, электронная концентрация которого однозначно оп­ределяется зенитным углом Солнца, достигая максимально­го значения в местный полдень и возрастая по мере прибли­жения к экватору, летом выше, чем зимой. При изменении фазы солнечной активности электронная концентрация из­меняется незначительно, критические частоты при переходе от минимума к максимуму изменяется на 15-20 %. В ноч­ное время электронная концентрация и критические частоты уменьшаются, достигая минимума пример­но за два часа до восхода Солнца. Минимально действую­щая высота близка к действительной и не претерпевает за­метных изменений.

Область F1 - устойчивое образование, отражение от кото­рого наблюдается только днем, причем на широтах выше 50° к северу и югу лишь летом, на более низких - круглый год Закономерности изменения электронной концентрации аналогичны слою Е. П ри изменении фазы солнечной актив­ности от минимума до максимума критические частоты воз­растают не более чем на 30 %.

Область F2 - очень неустойчива, подвержена сильным из­менениям электронной концентрации во времени Макси­мум критической частоты зимой значительно выше, чем ле­том, и наблюдается зимой и летом несколько позже полуд­ня Ночью, особенно в утренние часы, имеет место минимум критических частот (летом он менее глубок). Зависимость концентрации электронов от географических координат сви­детельствует о существенном влиянии магнитного поля Земли, что объясняется ионизацией области F2 не только ультрафиолетовым излучением Солнца, но и потоком заря­женных частиц. Критические частоты слоя F2, будучи про­порциональны числу солнечных пятен, увеличиваются в пе­риод максимума солнечной активности в 1,5-2 раза по сравнению с минимумом Действующие высоты слоя и вы­соты максимума электронной плотности также испытывают весьма сложные суточные, сезонные и географические изме­нения.

Таблица

Параметры слоев	Ионосферные слои
D		Е	F,	F;
h, км	60-90		100 - 140	170 - 240	230 - 400
Ьш, км	-		15-20	20 - 100	50-200
N3, эл/м3	ю8 - ю9		109-2*1011	2*1011- 4,5*1011	2*1011-2*1012
ν, 1/C	107		105	104	103