Кожному бездротовому пристрої потрібна антена. Цей провідний механічний пристрій являє собою перетворювач, який перетворює радіочастотний (RF) сигнал, що передається, в електричні і магнітні поля, що становлять радіохвилю. Він також перетворює отриману радіохвилю назад на електричний сигнал. Для антен можливо майже безліч конфігурацій. Проте більшість із них засновано на двох основних типах: дипольних та штирьових антенах.

Поняття «антени»

Радіохвиля містить електричне поле, перпендикулярне до магнітного поля. Обидва перпендикулярні до напряму поширення (рисунок нижче). Це електромагнітне поле та створює антену. Сигнал, що випромінюється пристроєм, виробляється в передавачі і потім відправляється на антену за допомогою лінії передачі, зазвичай коаксіального кабелю.

Лінії є магнітні та електричні силові лінії, які рухаються разом і підтримують один одного, коли вони «рухаються назовні» від антени.

Напруга створює електричне поле навколо антенних елементів. Струм в антені створює магнітне поле. Електричні та магнітні поля об'єднуються та регенерують один одного відповідно до відомих рівнянь Максвелла, і «комбінована» хвиля відправляється з антени в простір. При прийомі сигналу електромагнітна хвиля індукує напругу в антені, яка перетворює електромагнітну хвилю назад в електричний сигнал, який може бути оброблений додатково.

Первинним розглядом в орієнтації будь-якої антени є поляризація, що відноситься до орієнтації електричного поля (E) із землею. Це також орієнтація передавальних елементів щодо землі. Вертикально встановлена ​​антена, перпендикулярна до землі, випромінює вертикально поляризовану хвилю. Таким чином, горизонтально розташована антена випромінює горизонтально поляризовану хвилю.

Поляризація також може бути круговою. Спеціальні конфігурації, такі як гвинтові або спіральні антени, можуть випромінювати хвилю, що обертається, створюючи обертову поляризовану хвилю. Антена може створювати напрямок обертання або вправо, або вліво.

В ідеальному випадку антени як на передавальному, так і на приймальному пристрої повинні мати однакову поляризацію. На частотах нижче приблизно 30 МГц хвиля зазвичай відбивається, заломлюється, обертається чи інакше модифікується атмосферою, землею чи іншими об'єктами. Отже, узгодження поляризації на двох сторонах не є критичним. На частотах ОВЧ, УВЧ та НВЧ поляризація має бути однаковою для забезпечення максимально якісної передачі сигналу. І зверніть увагу, що антени демонструють взаємність, тобто вони однаково добре працюють як на передачу, так і на прийом.

Диполь або симетрична вібраторна антена

Диполь є напівхвильовою структурою з дроту, трубки, друкованої плати (PCB) або іншого провідного матеріалу. Він розділений на дві рівні чверті довжини хвилі та підживлюється лінією передачі.

Лінії показують розподіл електричних та магнітних полів. Одна довжина хвилі (λ) дорівнює:

половина хвилі:

λ/2 = 492/f MHz

Фактична довжина зазвичай скорочується залежно від розміру антени. Найкраще наближення до електричної довжини:

λ/2 = 492 K/f MHz

де K - коефіцієнт, що зв'язує діаметр провідника з його довжиною. Це 0,95 для провідних антен із частотою 30 МГц або менше. Або:

λ/2 = 468/f MHz

Довжина у дюймах:

λ/2 = 5904 K/f MHz

Значення K менше елементів більшого діаметра. Для трубки діаметром півдюйма K становить 0,945. Дипольний канал для 165 МГц повинен мати довжину:

λ/2 = 5904(0.945)/165 = 33.81 дюйма

або два 16,9-дюймові сегменти.

Довжина важлива, тому що антена є резонансним пристроєм. Для максимальної ефективності випромінювання він має бути налаштований на робочу частоту. Однак антена працює досить добре на вузькому діапазоні частот, як резонансний фільтр.

Смуга пропускання диполя є функцією його структури. Зазвичай визначається як діапазон, у якому відношення коефіцієнта стоячої хвилі антени (КСВ) менше 2:1. КСВ визначається величиною відбитого сигналу від пристрою назад по лінії передачі, що подає на нього. Це функція імпедансу антени із ставленням до імпедансу лінії передачі.

Ідеальною лінією передачі є збалансована провідна пара з опором 75 Ом. Також можна використовувати коаксіальний кабель з характерним імпедансом 75 Ом (Zo). Коаксіальний кабель з характеристичним імпедансом 50 Ом також може використовуватися, оскільки він добре відповідає антені, якщо він менший за половину довжини хвилі над землею.

Коаксіальний кабель є незбалансованою лінією, оскільки радіочастотний струм протікатиме зовні коаксіального екрану, створюючи деякі небажані індуковані перешкоди в сусідніх пристроях, хоча антена працюватиме досить добре. Найкращий метод подачі - використовувати трансформатор, що симетрує, в точці подачі з коаксіальним кабелем. Симетруючий трансформатор — це трансформаторний пристрій, який перетворює збалансовані сигнали на незбалансовані сигнали або навпаки.

Диполь може бути встановлений горизонтально або вертикально, залежно від бажаної поляризації. Лінія подачі ідеально повинна проходити перпендикулярно до випромінюючих елементів, щоб уникнути спотворення випромінювання, тому диполь найчастіше орієнтований горизонтально.

Діаграма випромінювання сигналу антени залежить від її структури та монтажу. Фізичне випромінювання є тривимірним, але зазвичай представлено як горизонтальними, і вертикальними діаграмами спрямованості.

Горизонтальна діаграма спрямованості диполя є цифрою вісім (рисунок 3). Максимальний сигнал з'являється на антені. На малюнку 4 показано вертикальну діаграму спрямованості. Це ідеальні зразки, які легко спотворюються землею та будь-якими сусідніми об'єктами.

Посилення антени пов'язане із спрямованістю. Коефіцієнт посилення зазвичай виявляється у децибелах (дБ) з урахуванням деякого «еталона», такого як ізотропна антена, яка є точковим джерелом радіочастотної енергії, що випромінює сигнал у всіх напрямках. Подумайте про точкове джерело світла, що висвітлює внутрішню частину сфери, що розширюється. Ізотропна антена має коефіцієнт посилення 1 або 0 дБ.

Якщо передавач формує або фокусує діаграму випромінювання і робить її більш спрямованою, він має посилення ізотропної антени. Диполь має коефіцієнт посилення 2,16 дБі за ізотропним джерелом. У деяких випадках коефіцієнт посилення виражається залежно від дипольного завдання дБд.

Вертикальна антена з додатковими горизонтальними елементами, що відбивають.

Даний пристрій є, по суті, половиною диполя, встановленого вертикально. Термін монополь також використовується для опису цієї установки. Земля нижче під антеною, що проводить поверхню з найменшим λ/4 по радіусу або зразок λ/4-провідників, званих радіальними, становлять другу половину антени (рис.5).

Якщо антена підключена до хорошого заземлення, вона називається антеною Марконі. Основною структурою служить інша λ/4 половина передавача. Якщо площина заземлення має достатній розмір і провідність, продуктивність заземлення еквівалентна вертикально встановленому диполю.

Довжина чвертьхвильової вертикалі:

λ/4 = 246 K/f MHz

Коефіцієнт K менший за 0,95 для вертикалей, які зазвичай виготовляються з ширшою трубкою.

Імпеданс точки живлення є половиною диполя або приблизно 36 Ом. Фактична цифра залежить від висоти над землею. Подібно до диполя, площина заземлення є резонансною і зазвичай має реактивний компонент у своєму основному імпедансі. Найбільш поширеною лінією передачі є 50-Ω коаксіальний кабель, оскільки він відносно добре відповідає імпедансу антени з КСВ нижче 2:1.

Вертикальна антена з додатковим елементом, що відбиває, є неспрямованою. Горизонтальна діаграма спрямованості - це коло, в якому пристрій випромінює сигнал однаково добре у всіх напрямках. На малюнку 6 показано вертикальну діаграму спрямованості. Порівняно з вертикальною діаграмою спрямованості диполя площина заземлення має нижчий кут випромінювання, що дає перевагу ширшого поширення при частотах нижче приблизно 50 МГц.

Висновки

Крім того, можуть бути виконані дві або більше вертикальні антени з додатковим елементом, що відбиває для створення більш спрямованого сигналу з посиленням. Наприклад, спрямована радіостанція AM використовує дві або більше башти для спрямування сильного сигналу в одному напрямку, пригнічуючи в іншому.

Коефіцієнт стоячої хвилі

Стоячі хвилі є схеми розподілу напруги і струму вздовж лінії передачі. Якщо характеристичний імпеданс (Zo) лінії відповідає вихідному імпедансу генератора (передавача) та навантаженню антени, напруга та струм вздовж лінії постійні. При узгодженому імпеданс відбувається максимальна передача потужності.

Якщо навантаження антени не відповідає лінійному імпедансу, не вся потужність, що передається, поглинається навантаженням. Будь-яка потужність, не поглинена антеною, відбивається назад по лінії, заважаючи прямому сигналу та створюючи зміни струму та напруги вздовж лінії. Ці варіації є стоячими хвилями.

Мірою цієї невідповідності є коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ). КСВ зазвичай виражається як відношення максимального та мінімального значень прямого та зворотного струму або значень напруги вздовж лінії:

КСВ = I max /I min = V max /V min

Іншим більш простим способом висловити КСВ є відношення характеризує імпеданс лінії передачі (Zo) до імпедансу антени (R):

КСВ = Z o /R або R/Z o

залежно від цього, який імпеданс більше.

Ідеальний КСВ становить 1: 1. КСВ від 2 до 1 вказує на відбиту потужність 10%, а це означає, що 90% потужності надходить на антену. КСВ 2: 1 зазвичай вважається максимально допустимим для найефективнішої роботи системи.

А. Б. Рибаков,
, Військово-космічний кадетський корпус, м. Санкт-Петербург

Диполь у полі та полі диполя

Основні питання електростатики: Яке поле створює цей розподіл зарядів та яка сила діє на ці заряди у зовнішньому полі? Щодо точкового заряду ці питання вирішуються відомими всіма формулами шкільного курсу. Наступний важливий і простий об'єкт електростатики – це, звісно, ​​диполь. Диполь – це два різноіменні, рівні за величиною точкові заряди, розташовані на фіксованій відстані lодин від одного. Диполь характеризується дипольним моментом p = qL (1)
де l - Вектор, спрямований від негативного заряду до позитивного.
Інтерес до диполя пов'язаний, зокрема, з тим, що молекули багатьох речовин мають дипольний момент, а крім того, молекули всіх речовин набувають дипольного моменту в зовнішньому електричному полі. І макроскопічні тіла (як провідні, і які проводять струм) у зовнішньому полі поляризуються, тобто. набувають дипольного моменту. Найважливіші програми представлених тут результатів – це поля в діелектриці.
Поставимо питання, що напрошуються, в заявленій темі і спробуємо їх вирішити. Ніякої особливої ​​математики, яка виходить за межі шкільного курсу, нам не знадобиться.
Похідну від функції Ф(х) позначатимемо dФ/dх. Для зручності запису деяких результатів ми використовуватимемо скалярний добуток векторів.
Нагадаємо, що a · b= a · b · cos α, де α – кут між векторами. Розмірну константу в законі Кулона ми позначаємо

Диполь у полі (прості завдання)
1 . Які сили діють на диполь у однорідному електричному полі?
Нехай диполь pзнаходиться в полі напруженістю E, Нехай вектор дипольного моменту становить кут з вектором напруженості поля. Легко бачити, що на диполь у цьому випадку діє пара сил із моментом
М = qElsin α = pEsin αяка прагне орієнтувати диполь вздовж силових ліній поля. Тож якщо диполь може обертатися, він зорієнтується вказаним чином. Зауважимо, що з диполя є й інше положення рівноваги, коли він зорієнтований протилежним чином, але це положення нестійке.
2 . Якою є енергія диполя в однорідному полі?
Як завжди, у завданнях, де йдеться про потенційну енергію, треба спочатку домовитися, звідки ми цю енергію відраховуватимемо. Нехай ми відраховуємо її від зазначеного вище рівноважного становища. Тоді енергія – це робота, яку здійснять сили поля при обертанні диполя навколо свого центру від вихідного положення, яке характеризується кутом α (див. рис. до п. 1), до рівноважного. Нагадаємо, що робота пов'язана лише з переміщенням заряду вздовж напрямку E. Заряди диполя при такому обертанні змістяться вздовж ліній поля (в різні боки) на l(1–cos α)/2. Тому енергія W = qEl (1 – cos α) = pE (1 – cos α).
Але частіше в підручниках з електрики вважають за краще в цьому завданні вважати, що W = 0 у тому положенні диполя, коли вектор pперпендикулярний E. В цьому випадку
W = –qEl  cos α = -pE.
Висловлене наприкінці п. 1 твердження можна тепер сформулювати й інакше: диполь прагне зайняти тепер становище із мінімальною енергією. Так, дипольні молекули діелектрика у зовнішньому полі прагнуть все зорієнтуватися вказаним чином (а тепловий рух заважає їм у цьому).
3 . Тепер нехай диполь, зорієнтований уздовж ліній поля, перебуває у неоднорідному полі. Тоді, як легко бачити, на нього вздовж ліній поля діє сила, спрямована у бік збільшення величини поля:
(індекси "+" і "-" позначають той заряд диполя, до якого відноситься відповідна фізична величина). Саме ця сила пояснює найпростіший досвід, у якому заряджене тіло (незалежно від знаку заряду) притягує дрібні шматочки паперу.

Поле диполя
4 . Перш ніж зайнятися розрахунком поля диполя, зупинимося на загальних моментах. Нехай, наприклад, нас цікавить гравітаційне поле якогось астероїда неправильної форми. Поле поблизу астероїда можна отримати тільки шляхом комп'ютерного розрахунку. Але що далі ми відходимо від астероїда, то з більшою точністю ми можемо розглядати його як матеріальну точку (поле якої ми знаємо). При прагненні до більшої математичної суворості треба було сказати, що ми знаємо асимптотичну поведінку поля при
Зі схожою ситуацією ми стикаємося і в електростатичному полі. Електростатичне поле за своїми властивостями дуже схоже на гравітаційне (бо аналогічні фундаментальні закони: закон Кулона і закон всесвітнього тяжіння), але, якщо так можна сказати, «багатше» його. Адже електричні заряди можуть бути двох типів, між ними можливе і тяжіння, і відштовхування, а між гравітаційними зарядами (тобто масами) можливе лише тяжіння.
Вважатимемо, що у якійсь обмеженій області розподілені позитивні і негативні точкові заряди q 1 , q 2 , … , q n . Повний заряд системи
(2)
Ми вже розуміємо, що за Q ≠ 0 поле при великих r переходить у поле точкового заряду Q. Але виникає дуже важливе для нас питання: яким буде поле на великих відстанях, якщо повний заряд
Q = 0? Найпростіший розподіл точкових зарядів з Q = 0 – і є диполь. Саме тому вивчення поля диполя несе у собі важливі важливі моменти.
Отже, нас будуть в основному цікавити такі ситуації, коли всі характерні розміри r дуже великі порівняно з відстанню між зарядами диполя. Цю ситуацію можна описати подвійно. По-перше, ми можемо завжди мати на увазі, що заряди розташовані на кінцевій відстані l один від одного, і цікавитися поведінкою отриманих рішень при Але можна і просто говорити про точковому диполі з певним дипольним моментом p, тоді всі наші результати справедливі за будь-якого r > 0 (дві ці точки зору, звичайно, еквівалентні).
Ми будемо використовувати відомі всім формули для полів точкових зарядів і в отриманих виразах враховувати, що мало. Тому нагадаємо формули наближених обчислень: якщо , то
Скрізь у викладках знак «≈» вказуватиме на те, що ми скористалися цими формулами у разі малого параметра (малий параметр у розглянутих задачах – це l/r).
5 . Якісна картинка силових ліній поля диполя добре відома, наводиться у багатьох підручниках, і ми не будемо її тут наводити. Хоча і розрахунок поля в довільній точці нескладний, ми все ж таки обмежимося розрахунком потенціалу і напруженості вздовж двох виділених напрямків. Сумісний початок системи координат з центром диполя, вісь х направимо вздовж вектора p , а вісь Y – перпендикулярно (при цьому заряди диполя відстоять від початку координат на відстань). Вважатимемо, що в нескінченно віддаленій точці
6. Розрахуємо напруженість поля диполя на осі Y.
За принципом суперпозиції, E = E + + E -, де E+і E –- Вектори напруженості полів окремих зарядів. З подоби трикутників:
що можна записати як
Тепер скажемо про хід потенціалу вздовж осі Y. Оскільки у будь-якій точці осі Y вектор E перпендикулярний осі, то при переміщенні якогось заряду вздовж цієї осі поле диполя ніякої роботи не здійснює, а отже, в будь-якій точці цієї осі
7 . Обчислимо потенціал j поля у довільній точці осі х. За принципом суперпозиції він дорівнює сумі потенціалів і створених позитивним і негативним зарядами.
Нехай х > 0, тоді:
(3)
(вираз для (х) для х< 0 будет c другим знаком).
З симетрії завдання ясно, що на осі х вектор напруженості поля Eмає лише складову Е х. Її можна обчислити, виходячи з відомої формули, що пов'язує напруженість поля та потенціал:
(4)
але у шкільному курсі формулу (4) зазвичай обходять стороною, тому обчислимо їх безпосередньо: або

Отже, при віддаленні від диполя по осі х або осі y поле спадає як r –3. Можна довести, що так само поводиться поле в будь-якому напрямку.
Вираз для потенціалу в довільній точці наведемо без висновку: (тобто при видаленні

За будь-яким напрямом, крім осі Y, потенціал спадає як r –2). Переконайтеся, що в окремих випадках ця формула призводить до вже відомих нам результатів.
8. Відступ. Згадаймо, що у нескінченної рівномірно зарядженої площини напруженість поля не залежить від відстані від площини (або, якщо завгодно, спадає як r 0). У точкового заряду – зменшується як r –2. У диполя, як з'ясували, зменшується на нескінченності як r –3 . Спробуйте здогадатися, у якого розподілу зарядів напруженість поля зменшується. r -1; r –4.

Взаємодія диполя з іншими зарядами
9. Тепер розглянемо взаємодію диполя та точкового заряду q′ (нехай q′ > 0). Малюнок значною мірою повторює малюнок у п. 5. Там ми розрахували напруженість поля диполя і, отже, знаємо, яка сила діє точковий заряд. Зауважимо, що ця взаємодія є найпростішим прикладом нецентральних сил (згадайте, де в шкільному курсі зустрічаються нецентральні сили між частинками).
Але ще лишилися питання: яка сила діє на диполь? де вона прикладена? Можна відповісти на ці запитання одразу, без роздумів. Шукана сила F, за третім законом Ньютона, повинна дорівнювати – F ′ і повинна бути прикладена на одній прямій з F ′ . Можливо, когось здивує, що рівнодіюча двох сил, що діють на заряди +q і –q диполя, виявилася десь осторонь від диполя. Що це означає? Нічого не означає. А що означає, що рівнодіюча сила тяжіння, що діє на бублик, прикладена в центрі дірки? Равнодіюча двох сил ніякого особливого сенсу не має, вона просто в усіх відношеннях замінює кілька (або навіть безліч) сил у фундаментальних рівняннях механіки. (Заради об'єктивності зазначимо, що є дуже відомі автори, для яких така думка неприйнятна. Вони вважають за краще говорити, що на диполь з боку точкового заряду діє сила, прикладена до самого диполя, і ще момент сил).
10 . Знайдіть силу та енергію взаємодії двох диполів, у яких вектори р 1 та р 2 лежать на одній прямій. Відстань між диполями x.
Порахуємо сумарну енергію зарядів другого диполя у полі першого (див. п. 7):

Зрозуміло, що диполі, звернені друг до друга різноіменними полюсами (як малюнку), притягуються (цьому відповідає знак «–» у виразі для W), при перевороті однієї з диполів енергія змінить знак.
Не будемо більше відтворювати досить одноманітні викладки і одразу випишемо вираз для величини сили взаємодії цих диполів (перевірте!):
11. Знайдіть енергію взаємодії двох диполів, у яких р 1 лежить на прямій, що з'єднує диполі, а р 2 перпендикулярний до неї. Відстань між диполями x. (Перевірте себе – відповідь очевидна.)
12 . Знайдіть енергію взаємодії двох диполів, у яких вектори р 1 і р 2 паралельні один одному і обидва перпендикулярні до осі х, на якій розташовані диполі.

Додаткові зауваження
13. Отже, диполь є найпростішим прикладом системи зарядів з повним зарядом Q = 0. Як ми бачили, потенціал поля диполя на великих відстанях від нього убуває як r –2 . Чи не можна узагальнити цей результат на більш загальний випадок?
Можна узагальнити поняття дипольного моменту те щоб воно характеризувало будь-який розподіл зарядів. Зокрема для системи n точкових зарядів дипольний момент визначають так:
. (5)

Легко бачити, що ця величина адитивна. Можна довести, що Р при Q = 0 залежить від вибору початку відліку. Переконайтеся, що у окремому випадку ця формула перетворюється на (1).
Порахуйте дипольний момент Р ряду простих розподілів зарядів (у всіх випадках відстань між найближчими зарядами l).
Можна було б вести мову і про безперервні розподіли зарядів, але тоді замість сум (2) і (5) довелося б писати інтеграли за обсягом.
Отримані результати підказують нам, у чому значення дипольного моменту. І справді, можна довести, що що далі ми відійдемо від довільної системи зарядів з повним зарядом Q = 0 і дипольним моментом Р ≠ 0, то її полі буде ближче до розглянутому нами полю елементарного диполя з дипольним моментом Р .
Можна було б піти цим шляхом далі і розглянути поле системи зарядів з Q = 0 і P = 0. Один з найпростіших прикладів такої системи представлений на рис. а – це так званий квадруполь. Потенціал поля квадруполя зменшується на нескінченності як r –3 .
Ряд "точковий заряд - диполь - квадруполь ..." можна продовжувати і далі. Загальна назва таких об'єктів є мультиполь. Але ми на цьому зупинимося.

14. При поміщенні атома в електричне поле сили, прикладені до ядра та електронної оболонки, направлені в різні боки. Під дією цих сил атом набуває дипольного моменту. Р, що збігається у напрямку з напрямом напруженості зовнішнього поля Е 0 .
Звичайно, молекули теж набувають у зовнішньому полі дипольного моменту (але для них, взагалі кажучи, несправедливо попереднє твердження про напрям вектора Р ).
Але багато молекул мають дипольні моменти і відсутність зовнішнього поля. Причому ці власні дипольні моменти зазвичай набагато перевищують наведені моменти (якщо говорити про звичайні, досяжні в лабораторії полі). Для безлічі процесів у природі (зокрема, для існування життя) надзвичайно важливо, що молекула води має дипольний момент.
«Важко уявити, на що був би схожий світ, якби атоми в молекулі Н 2 Про були розташовані по прямій лінії, як у молекулі СО 2; мабуть, спостерігати це було нікому» (Е.Парселл . Електрика і магнетизм. – М., 1975).

Відповіді
8 . Система зарядів, у якої напруженість поля зменшується на нескінченності як r –1 , – це нескінченна рівномірно заряджена нитка.
11 . При переміщенні першого диполя вздовж осі х його заряди діють із боку другого диполя сили, перпендикулярні цієї осі, тобто. ніяка робота у своїй не відбувається, отже, W = 0.
12 . Для спрощення розрахунку треба вдало вибрати спосіб перекладу одного з диполів з нескінченності в стан, що цікавить нас. Зручно спочатку переміщати його вздовж осі х, орієнтувавши вектор дипольного моменту вздовж осі (при цьому робота сил взаємодії диполів дорівнює нулю), а потім повернути його на 90°. При повороті другого диполя зовнішні сили повинні здійснити роботу (див. п. 2). Це і є енергія взаємодії диполів.
13 . Дипольні моменти рівні: а) 0; б) 2qlj;
в) 0; г) –3qli (тут i та j – поодинокі вектори у напрямках осей X та Y відповідно).

Петльові вібратори серії "D" (найближчий зарубіжний аналог ANT150D фірми Telewave) виконані в розбірному вигляді з трьох частин - власне петлевого вібратора (1), траверси (2) і вузла кріплення (3) (див. малюнок).

Петльовий вібратор виготовлений з товстостінної алюмінієвої труби та має довжину близько?/2. Вузол кріплення (4) до траверси приварений за допомогою аргонно-дугового зварювання, що гарантує надійний електричний контакт пучності струму. Для узгодження з 50-омним кабелем застосовується 1/4-хвильовий трансформатор, завдяки прокладеній лінії живлення всередині диполя відбувається симетрування антени.

Всі контакти пропаяні, а гвинтові з'єднання зафарбовані. Весь вузол живлення загерметизований: для надання жорсткості використовується трубка ПВХ, а для герметизації - термозбіжна трубка спільно з молекулярним клеєм-герметиком (5). Вся антена захищена від дії агресивних середовищ полімерним покриттям. Траверса антени – труба діаметром 35 мм ретельно підігнана під диполь для полегшення монтажу антени. Вузол кріплення до щогли – силуміновий литий. Додаткова обробка також забезпечує надійність стикування з траверсою та легке кріплення до щогли діаметром 38-65 мм під будь-яким кутом. Антена має мітку (6) для правильного фазування, а також дренажний отвір (7) внизу вібратора.

В антені використовується вітчизняний кабель (8) РК 50-7-11 з невисокими втратами (0,09 dB/м на 150 МГц). Антени забезпечені роз'ємами (9) N-типу, які ретельно пропаяні та загерметизовані.

Зручне картонне пакування дозволяє транспортувати антену будь-яким видом транспорту.

Петлеві диполі серії "DP" мають деякі конструктивні відмінності від диполів серії "D".

По-перше, ця антена має нерозбірну конструкцію - сам диполь (10) приварений до короткої траверси (11). Живлення диполя несиметричне, що, проте, анітрохи не погіршує його характеристик. Через близьке розташування до щогли - рефлектора смуга дещо вже і становить 150-170 МГц, а рівень випромінювання нижчий на 10 dB. Натомість у головному напрямку виходить виграш у 3 dBd.

По-друге, кріплення до щогли проводиться полегшеними сталевими оцинкованими хомутами (12) і дозволяє кріпити антену до щогли (13) діаметром 25-60 мм. В усьому іншому за технологією виготовлення антени серії "DP" не відрізняються від диполів серії "D".

Диполі серії "DH" - найдешевші антени. Вони є конструктором "зроби сам", де протягом декількох хвилин, користуючись нашою інструкцією, Ви зберете класичний лінійний заземлений вібратор з гамма-узгодженням. У комплект входить сам випромінювач - штир діаметром 12 мм (14), траверса (15) з отвором під кріплення і привареним кронштейном з роз'ємом (16).

Деталі гамма-погодження дозволяють налаштувати диполь практично ідеально на будь-якій вибраній Вами частоті (із застосуванням звичайного рефлектометра).

Кожен диполь має докладну інструкцію з налаштування та графіки довжин вібратора.

У руках майстра цей набір перетвориться на справжню зв'язкову високоефективну антенну систему!

Потенційна енергія жорсткого диполя

Розглянемо так званий жорсткий диполь - це диполь, у якого відстань між зарядами не змінюється ($l=const$). Визначимо, якою є потенційна енергія, яку має диполь у зовнішньому електростатичному полі. Якщо заряд $q$, який знаходиться в точці поля з потенціалом $\varphi$, має рівну потенційну енергію:

то енергія диполя дорівнює:

де $(\varphi)_+;(\varphi)_-$ - потенціали зовнішнього поля в точках знаходження зарядів $q$ і $-q$. Потенціал електростатичного поля зменшується лінійно, якщо поле однорідне у напрямку вектора напруженості поля. Направимо вісь X вздовж поля (рис.1). Тоді отримаємо:

З рис. 1 бачимо, що зміна потенціалу від $(\varphi )_+до\ (\varphi )_-$відбувається на відрізку $\triangle x=lcos \vartheta$, тому:

Електричний момент диполя

Підставимо (4) в (2), отримаємо:

де $ \ overrightarrow (p) $ = $ q \ overrightarrow (l) $ - електричний момент диполя. Рівняння (6) не зважає на енергію взаємодії зарядів диполя. Формула (6) отримана за умови, що поле однорідне, проте вона справедлива і для неоднорідного поля.

Приклад 1

Завдання: Розгляньте диполь, що у неоднорідному полі, яке симетрично щодо осі X. Поясніть, як поведеться диполь у такому полі з погляду діючих нею сил.

Нехай центр диполя лежить осі X (рис.2). Кут між плечем диполя і віссю X дорівнює $ \ vartheta \ ne \ frac ( \ pi ) (2) $. У нашому випадку сили $F_1\ne F_2$.На диполь діятиме обертальний момент і

сила, яка прагне перемістити диполь по осі X. Щоб знайти модуль цієї сили, використовуємо формули:

Відповідно до рівняння для потенційної енергії диполя маємо:

вважаємо, що $\vartheta=const$

Для точок осі X маємо:

\ \

При $ vartheta 0 $, отже, диполь втягується в область сильнішого поля. За $\vartheta >\frac(\pi )(2)$ $F_x

Зауважимо, що якщо $-\frac(\partial W)(\partial x)=F_x$, похідна від потенційної енергії дає проекцію сили на відповідну вісь, то похідна $-\frac(\partial W)(\partial \vartheta) =M_\vartheta$ дає проекцію обертального моменту на вісь $?$:

\[-\frac(\partial W)(\partial \vartheta)=M_\vartheta=-pEsin \vartheta (1.4.)\]

У формулі (1.4) мінус означає, що момент прагне зменшити кут меду електричним моментом диполя та вектором напруженості поля. Диполь в електричному полі прагне повернутися так, щоб електричний момент диполя був паралельно полю ($\overrightarrow(p)\uparrow \uparrow \overrightarrow(E)$). При $\overrightarrow(p)\uparrow \downarrow \overrightarrow(E)$ крутний момент теж дорівнюватиме нулю, але така рівновага не стійка.

Приклад 2

Завдання: Два диполі знаходяться на відстані $r$ один від одного. Їхні осі лежать на одній прямій. Електричні моменти рівні відповідно $p_1$ і $p_2$. Обчисліть потенційну енергію будь-якого з диполів, яка відповідатиме положенню стійкої рівноваги.

Система перебуватиме у стані рівноваги, коли диполі орієнтовані, як показано на рис. 3, вздовж поля, протилежними за знаком зарядами один до одного.

Будемо вважати, що поле створює диполь з моментом $p_1$, шукатимемо потенційну енергію диполя, який має електричний момент $p_2$ у точці поля (A) на відстані r від першого диполя. Приймемо, що плечі диполя малі проти відстанню між диполями ($l\ll r$). Диполі можна буде прийняти за точкові (так вважаємо, що диполь з моментом $p_2 знаходиться в точці А $). Напруженість поля, яке створює диполь на його осі в точці А за модулем дорівнює (при $varepsilon = 1 $):

Потенційна енергія диполя з моментом $p_2$ у точці А може бути виражена формулою:

де ми врахували, що вектори напруженості та електричного моменту диполя спрямовані у стані сталої рівноваги. У такому разі потенційна енергія другого диполя дорівнюватиме:

Відповідь: Потенційні енергії диполів дорівнюватимуть за величиною $W=-p_2\frac(p_1)(2\pi (\varepsilon )_0r^3)$.

Розглянемо тепер результуюче поле, що виникає за одночасної дії двох осциляторів. У попередньому розділі вже розбиралося кілька найпростіших випадків. Ми дамо спочатку якісну картину явища, а потім опишемо ті ж ефекти з кількісної точки зору. Візьмемо найпростіший випадок, коли осцилятори та детектор розташовані в одній горизонтальній площині, а коливання осциляторів відбуваються у вертикальному напрямку.

На фіг. 29.5 а показаний вигляд обох осциляторів зверху; у разі відстань з-поміж них у напрямі північ - південь дорівнює половині довжини хвилі і коливаються вони у однієї фазі, тобто. різниця фаз осциляторів дорівнює нулю. Нас цікавить інтенсивність випромінювання у різних напрямках. Під інтенсивністю ми маємо на увазі кількість енергії, що проходить повз нас в 1 сек; воно пропорційне квадрату напруженості поля, усередненого за часом. Так, визначення яскравості світла потрібно взяти квадрат напруженості електричного поля, а чи не саму напруженість. (Напруженість електричного поля характеризується силою, з якою поле діє на нерухомий заряд, а кількість енергії, що проходить через деякий майданчик, пропорційно квадрату напруженості поля та вимірюється у ватах на квадратний метр. Коефіцієнт пропорційності буде виведений у наступному розділі.) Якщо ми знаходимося на захід. від системи осциляторів, і нам від обох осциляторів приходять поля, однакові за величиною і з однією фазою, так що сумарне електричне поле в два рази більше поля окремого осцилятора. Отже, інтенсивність буде вчетверо більша за інтенсивність, що виникає від дії тільки одного осцилятора. (Числа на фіг. 29.5 вказують інтенсивність, причому за одиницю виміру обрана інтенсивність випромінювання одного осцилятора, поміщеного на початку координат.) Нехай тепер поле вимірюється в північному або південному напрямку, вздовж лінії осциляторів. Оскільки відстань між осциляторами дорівнює половині довжини хвилі, їх поля випромінювання розрізняються по фазі рівно на півциклу, а отже, сумарне поле дорівнює нулю. Для проміжного кута (рівного ) інтенсивність дорівнює 2, тобто, зменшуючись, інтенсивність послідовно набуває значень 4, 2, Про і т. д. Нам потрібно навчитися знаходити інтенсивність для різних кутів. Фактично, це зводиться до завдання складання двох коливань з різними фазами.

Фігура 29.5. Залежність інтенсивності випромінювання двох диполів, що знаходяться на відстані половину довжини хвилі, від напрямку випромінювання.

а - диполі у фазі (); б-діполі в протифазі.

Давайте коротко розглянемо ще кілька цікавих випадків. Нехай відстань між осциляторами, як і раніше, дорівнює половині довжини хвилі, але коливання одного осцилятора відстають фазою від коливань іншого на половину періоду (див. фіг. 29.5, б). Інтенсивність у горизонтальному напрямку (західному чи східному) звертається в нуль, тому що один осцилятор «штовхає» в одному напрямку, а інший – у зворотному. У північному напрямку сигнал від найближчого осцилятора приходить на півперіоду раніше від сигналу далекого осцилятора. Але останній запізнюється у своїх коливаннях якраз на півперіоду, так що обидва сигнали приходять одночасно, і інтенсивність у північному напрямку дорівнює 4. Інтенсивність під кутом 30 °, як буде показано пізніше, знову дорівнює 2.

Тепер ми підійшли до однієї цікавої властивості, дуже корисної на практиці. Зауважимо, що фазові співвідношення між осциляторами використовуються при передачі радіохвиль. Допустимо, ми хочемо направити радіосигнал на Гавайські острови. Використовуємо для цього систему антен, розташовану так, як показано на фіг. 29.5 а, і встановимо між ними нульову різницю фаз. Тоді максимальна інтенсивність йтиме якраз у потрібному напрямку, оскільки Гавайські острови лежать на захід від США. Наступного дня ми вирішимо передавати сигнали вже до Канади. А оскільки Канада знаходиться на півночі, нам треба лише змінити знак однієї з антени, щоб антени знаходилися в протифазі, як на фіг. 29.5 б, і передача піде на північ. Можна вигадати різні пристрої системи антен. Наш спосіб - один із найпростіших; ми можемо значно ускладнити систему і, обравши потрібні фазові співвідношення, надіслати пучок з максимальною інтенсивністю в потрібному напрямку, навіть не зрушивши з місця жодну з антен! Однак в обох радіопередачах ми витрачали багато енергії даремно, вона йшла прямо протилежному напрямку; цікаво знати, чи є спосіб надсилати сигнали тільки в одному напрямку? На перший погляд здається, що пара антен такого типу завжди випромінюватиме симетрично. Насправді картина набагато різноманітніша; розглянемо для прикладу випадок несиметричного випромінювання двох антен.

Фігура 29.6. Дві дипольні антени, що дають максимум випромінювання

Нехай відстань між антенами дорівнює чверті довжини хвилі та північна антена відстає від південної по фазі на чверть періоду. Що тоді в нас вийде (фіг. 29.6)? Як ми далі покажемо, у західному напрямку інтенсивність дорівнює 2. У південному напрямку вийде нуль, тому що сигнал від північного джерела приходить на 90° пізніше від сигналу від південного джерела і, крім того, він відстає по фазі ще на 80°; в результаті повна різниця фаз є 180 ° і сумарний ефект дорівнює нулю. У північному напрямку сигнал від джерела приходить на 90° раніше сигналу від джерела, оскільки джерело на чверть хвилі ближче. Але різниця фаз дорівнює 90 ° і компенсує затримку в часі, тому обидва сигнали приходять з однією фазою, що дає інтенсивність, що дорівнює 4.

Таким чином, виявивши деяку винахідливість розташування антен і обравши потрібні зрушення фаз, можна направити енергію випромінювання в одному напрямку. Щоправда, енергія все-таки випускатиметься у досить великий інтервал кутів. А чи можна сфокусувати випромінювання у вужчий інтервал кутів? Звернемося знову до передачі хвиль на Гавайські острови; там радіохвилі йшли на захід і на схід у широкому діапазоні кутів і навіть на кут 30° інтенсивність була всього вдвічі меншою за максимальну, енергія витрачалася даремно.

Чи можна покращити це становище? Розглянемо випадок, коли відстань між джерелами дорівнює десяти довжин хвиль (фіг. 29.7), а різниця фаз коливань дорівнює нулю. Це ближче до ситуації, описаної раніше, коли ми експериментували з інтервалами, рівними кількох довжин хвиль, а не малим часткам довжини хвилі. Тут інша картина.

Фігура 29.7. Розподіл інтенсивності двох диполів. Ті, що знаходяться на відстані один від одного

Якщо відстань між джерелами дорівнює десяти довжинам хвиль (ми вибираємо легший випадок, коли вони знаходяться у фазі), то в західному та східному напрямках інтенсивність максимальна і дорівнює 4. Якщо ж зрушити на невеликий кут, різниця фаз стане рівною 180 ° і інтенсивність обернеться на нуль. Суворіше: якщо ми проведемо прямі від кожного осцилятора до точки спостереження і обчислимо різницю відстаней до осциляторів, причому виявиться рівним, то обидва сигнали будуть в протифазі і сумарний ефект дорівнює нулю. Цьому напрямку відповідає перший нуль на фіг. 29.7 (масштаб малюнку не витриманий, це, сутнісно, ​​груба схема). Це означає, що ми отримуємо вузький промінь у потрібному напрямку; якщо ми трохи зрушуємося убік, інтенсивність зникає. Для практичних цілей, на жаль, такі передавальні системи мають істотний недолік: при деякому куті відстань може стати рівною і тоді обидва сигнали знову опиняться у фазі! В результаті виходить картина з максимумами і мінімумами, що чергуються, точнісінько як в гол. 28 для відстані між осциляторами, що дорівнює .

Як позбутися всіх зайвих максимумів? Існує досить цікавий спосіб усунення небажаних максимумів. Помістимо між нашими двома антенами низку інших (фіг. 29.8). Нехай відстань між крайніми як і дорівнює , а через кожні , поставимо по антені і налаштуємо всі антени на одну фазу. Усього у нас буде, таким чином, шість антен, і інтенсивність у напрямку захід - схід, звичайно, сильно зросте порівняно з інтенсивністю від однієї антени. Поле збільшиться у шість разів, а інтенсивність, яка визначається квадратом поля, - у тридцять шість разів. Поблизу від напрямку захід - схід, як і раніше, виникне напрямок з нульовою інтенсивністю, а далі там, де ми очікували побачити високий максимум, з'явиться лише невеликий «горб». Спробуймо розібратися, чому так відбувається.

Фігура. 29.8. Пристрій із шести дипольних антен і частина розподілу інтенсивності його випромінювання.

Причина появи максимуму, здавалося б, існує, оскільки може дорівнювати довжині хвилі, і осцилятори 1 і 6, перебуваючи у фазі, взаємно посилюють свої сигнали. Але осцилятори 3 і 4 виявляються не фазі з осциляторами 1 і 6, відрізняючись від них по фазі приблизно на половину довжини хвилі, і викликають зворотний ефект порівняно з цими осциляторами. Тому інтенсивність у цьому напрямі виявляється малою, хоча й рівної точно нулю. В результаті виникає потужний промінь у потрібному напрямку та ряд невеликих побічних максимумів. Але в нашому приватному прикладі є одна додаткова неприємність: оскільки відстань між сусідніми диполями дорівнює, можна знайти кут, для якого різниця ходу променів від сусідніх диполів точно дорівнює довжині хвилі. Сигнали від сусідніх осциляторів будуть відрізнятися на 360 °, тобто знову опиняться у фазі, і в цьому напрямку ми отримаємо ще один потужний пучок радіохвиль! На практиці цього ефекту легко уникнути, якщо вибрати відстань між осциляторами менше однієї довжини хвилі. Саме виникнення додаткових максимумів при відстані між осциляторами більше однієї довжини хвилі дуже цікаво і важливо, але не для передачі радіохвиль, а для дифракційних решіток.