Zoberme si pole najjednoduchšieho systému bodových poplatkov. Najjednoduchším systémom bodových nábojov je elektrický dipól. Elektrický dipól je množina dvoch bodových nábojov rovnakej veľkosti, ale opačného znamienka –Q a + q vzájomne posunuté o určitú vzdialenosť. Nech je vektor polomeru nakreslený z negatívneho náboja na kladný. Vektor
sa nazýva elektrický moment dipólu alebo dipólový moment a vektor sa nazýva rameno dipólu. Ak je dĺžka zanedbateľná v porovnaní so vzdialenosťou od dipólu k bodu pozorovania, dipól sa nazýva bod.
Vypočítajme elektrické pole elektrického bodového dipólu. Pretože dipól je bod, v presnosti výpočtu nie je rozdiel, od ktorého bodu dipólu sa meria vzdialenosť r do bodu pozorovania. Nechajte pozorovací bod A leží na predĺžení osi dipólu (obr. 1.13). V súlade s princípom superpozície pre vektor intenzity bude sila elektrického poľa v tomto bode rovná
predpokladalo sa, že.
Vo vektorovej forme
kde a sú sily poľa vzrušené bodovými nábojmi –Q a + q... Obrázok 1.14 ukazuje, že vektor je antiparalelný s vektorom a jeho modul pre bodový dipól je určený výrazom.
tu sa berie do úvahy, že za predpokladov.
Vo vektorovej forme bude posledný výraz prepísaný nasledovne
Nie je nutné, aby kolmica JSC prešlo stredom bodového dipólu. V prijatej aproximácii získaný vzorec zostáva platný, aj keď je za bodom O akýkoľvek bod dipólu je akceptovaný.
Všeobecný prípad sa redukuje na analyzované špeciálne prípady (obr. 1.15). Vynechajme z náboja + q kolmý CD na pozorovacej čiare VA... Pointa veci D dvojbodové poplatky + q a –Q... Okraje sa tým nezmenia. Výslednú množinu štyroch nábojov je však možné považovať za množinu dvoch dipólov s dipólovými momentmi a. Dipól môžeme nahradiť geometrickým súčtom dipólov a. Teraz, keď použijeme na dipóly a predtým získané vzorce pre intenzitu na predĺžení osi dipólu a na kolmici obnovenú na os dipólu, v súlade so zásadou superpozície získame:
Vzhľadom na to dostaneme:
používa sa to tu.
Charakteristikou elektrického poľa dipólu je teda to, že klesá vo všetkých smeroch proporcionálne, to znamená rýchlejšie ako pole bodového náboja.
Pozrime sa teraz na sily pôsobiace na dipól v elektrickom poli. V jednotnom poli poplatky + q a –Q bude pod pôsobením síl rovnakej veľkosti a opačného smeru a (obr. 1.16). Moment tejto dvojice síl bude:
Moment má tendenciu otáčať os dipólu do rovnovážnej polohy, to znamená v smere vektora. Existujú dve polohy rovnováhy dipólu: keď je dipól rovnobežný s elektrickým poľom a antiparalelný s ním. Prvá poloha bude stabilná, ale druhá nebude, pretože v prvom prípade s malou odchýlkou dipólu od rovnovážnej polohy vznikne moment dvojice síl, ktorý má tendenciu vrátiť ho do pôvodnej polohy; v druhom prípade vynárajúci sa moment posúva dipól ešte ďalej z rovnovážnej polohy.
Gaussova veta
Ako bolo uvedené vyššie, siločiary boli dohodnuté tak, aby boli nakreslené s takou hustotou, že počet čiar prenikajúcich do jednotky povrchu kolmého na čiary miesta by bol rovný modulu vektora. Potom podľa vzoru čiar napätia možno posúdiť nielen smer, ale aj veľkosť vektora v rôznych bodoch priestoru.
Zvážte siločiary nehybného kladného bodového náboja. Sú to radiálne priame čiary vychádzajúce z náboja a končiace v nekonečne. Zrealizujeme N. takéto riadky. Potom na diaľku r z náboja, počet siločiar, ktoré prechádzajú jednotkovým povrchom gule polomeru r, bude rovnaká. Táto hodnota je úmerná sile poľa bodového náboja na diaľku r.Číslo N. vždy si môžete vybrať také, aby bola rovnosť
kde . Pretože siločiary sú spojité, rovnaký počet siločiar pretína uzavretý povrch akéhokoľvek tvaru, ktorý obklopuje náboj q. V závislosti od znaku náboja siločiary buď vstúpia na tento uzavretý povrch, alebo zhasnú. Ak je počet odchádzajúcich riadkov považovaný za kladný a počet prichádzajúcich riadkov je záporný, potom môžete vynechať znamienko modulu a napísať:
| . | (1.4) |
Tok vektora napätia. Vložme elementárnu oblasť s plochou do elektrického poľa. Táto oblasť by mala byť taká malá, že silu elektrického poľa vo všetkých jeho bodoch možno považovať za rovnakú. Nakreslíme normál na miesto (obr. 1.17). Smer tohto normálu je zvolený ľubovoľne. Normála zviera s vektorom uhol. Tok vektora sily elektrického poľa vybraným povrchom je súčinom povrchovej plochy a priemetu vektora sily elektrického poľa do normály do oblasti:
kde je priemet vektora na normál do oblasti.
Pretože počet siločiar prenikajúcich jednotkovou oblasťou sa rovná modulu vektora intenzity v blízkosti vybranej oblasti, tok vektora intenzity povrchom je úmerný počtu siločiar, ktoré prechádzajú týmto povrchom. Preto vo všeobecnom prípade je možné tok vektora sily poľa v oblasti jasne interpretovať ako hodnotu rovnajúcu sa počtu siločiar, ktoré prenikajú do tejto oblasti:
| . | (1.5) |
Všimnite si toho, že voľba smeru normály je podmienená; môže byť nasmerovaná iným smerom. V dôsledku toho je tok algebraickou veličinou: znak toku závisí nielen od konfigurácie poľa, ale aj od vzájomnej orientácie normálneho vektora a vektora intenzity. Ak tieto dva vektory zvierajú ostrý uhol, tok je kladný, ak tupý, je záporný. V prípade uzavretého povrchu je obvyklé vziať normálku von z oblasti pokrytej týmto povrchom, to znamená zvoliť vonkajšiu normálu.
Ak je pole nehomogénne a povrch je ľubovoľný, potom je tok definovaný nasledovne. Celý povrch musí byť rozdelený na malé prvky s plochou, vypočítať toky intenzity každým z týchto prvkov a potom zhrnúť toky cez všetky prvky:
Sila poľa teda charakterizuje elektrické pole v bode priestoru. Tok intenzity nezávisí od hodnoty sily poľa v danom bode, ale od rozloženia poľa na povrchu konkrétnej oblasti.
Sily elektrického poľa môžu začať iba pri kladných nábojoch a končiť pri záporných. Nemôžu začínať ani končiť vo vesmíre. Ak teda vnútri určitého uzavretého objemu nie je elektrický náboj, potom by sa celkový počet riadkov vstupujúcich a vystupujúcich z tohto objemu mal rovnať nule. Ak z zväzku odíde viac riadkov, ako doň vstúpi, potom je v objeme kladný náboj; ak je viac riadkov dovnútra ako von, musí byť vo vnútri záporný náboj. Ak je celkový náboj vo vnútri objemu rovný nule alebo v ňom chýba elektrický náboj, siločiary ním preniknú skrz -naskrz a celkový tok sa rovná nule.
Tieto jednoduché úvahy nezávisia od toho, ako je elektrický náboj distribuovaný v objeme. Môže byť umiestnený v strede objemu alebo blízko povrchu, ktorý definuje objem. Zväzok môže obsahovať niekoľko pozitívnych a negatívnych nábojov, ktoré sú v rámci zväzku distribuované akýmkoľvek spôsobom. Iba celkový náboj určuje celkový počet prichádzajúcich alebo odchádzajúcich línií napätia.
Ako je zrejmé z (1.4) a (1.5), tok vektora sily elektrického poľa cez ľubovoľný uzavretý povrch pokrývajúci náboj q, je rovnaká. Ak je na povrchu povrch n poplatkov, potom podľa princípu superpozície polí bude celkový tok súčtom tokov síl poľa všetkých nábojov a bude rovnaký, kde v tomto prípade je myslený algebraický súčet všetkých nábojov pokrytých uzavretý povrch.
Gaussova veta. Gauss bol prvým, kto zistil jednoduchý fakt, že tok vektora sily elektrického poľa cez ľubovoľný uzavretý povrch musí byť spojený s celkovým nábojom vo vnútri tohto objemu.
Potenciálna energia tvrdého dipólu
Zoberme si takzvaný tvrdý dipól - dipól, v ktorom sa vzdialenosť medzi nábojmi nemení ($ l = const $). Určme, akú potenciálnu energiu má dipól vo vonkajšom elektrostatickom poli. Ak má náboj $ q $, ktorý je v bode poľa s potenciálnym $ \ varphi $, potenciálnu energiu rovnajúcu sa:
potom energia dipólu je:
kde $ (\ varphi) _ +; (\ varphi) _- $ sú potenciály externého poľa v bodoch, kde sa nachádzajú poplatky $ q $ a $ -q $. Potenciál elektrostatického poľa lineárne klesá, ak je pole v smere vektora sily poľa rovnomerné. Nasmerujme os X pozdĺž poľa (obr. 1). Potom dostaneme:
Obr. 1 vidíme, že potenciálna zmena z $ (\ varphi) _ + na \ (\ varphi) _- $ nastáva v segmente $ \ trojuholník x = lcos \ vartheta $, preto:
Elektrický moment dipólu
Nahradením (4) v (2) získame:
kde $ \ overrightarrow (p) $ = $ q \ overrightarrow (l) $ je elektrický moment dipólu. Rovnica (6) neberie do úvahy interakčnú energiu nábojov dipólu. Vzorec (6) bol získaný za podmienky, že pole je jednotné; platí však aj pre nehomogénne pole.
Príklad 1
Zadanie: Zvážte dipól, ktorý je v nehomogénnom poli, ktoré je symetrické k osi X. Vysvetlite, ako sa dipól v takom poli bude správať z hľadiska síl, ktoré naň pôsobia.
Nechajte stred dipólu ležať na osi X (obr. 2). Uhol medzi dipólovým ramenom a osou X je $ \ vartheta \ ne \ frac (\ pi) (2) $. V našom prípade sú sily $ F_1 \ ne F_2 $. Rotačný moment bude pôsobiť na dipól a
sila, ktorá sa snaží posunúť dipól pozdĺž osi X. Na nájdenie modulu tejto sily použijeme vzorce:
V súlade s rovnicou pre potenciálnu energiu dipólu máme:
zvážte, že $ \ vartheta = const $
Pre body na osi X máme:
\ \
Pri $ \ vartheta 0 $ to znamená, že dipól je vtiahnutý do oblasti silnejšieho poľa. Pre $ \ vartheta> \ frac (\ pi) (2) $ $ F_x
Všimnite si toho, že ak $ - \ frac (\ čiastočné W) (\ čiastkové x) = F_x $, derivácia potenciálnej energie dáva projekciu sily na zodpovedajúcu os, potom derivácia $ - \ frac (\ čiastočné W) (\ partial \ vartheta) = M_ \ vartheta $ dáva projekciu krútiaceho momentu na os $? $:
\ [ - \ frac (\ čiastočné W) (\ čiastkové \ vartheta) = M_ \ vartheta = -pEsin \ vartheta (1.4.) \]
Vo vzorci (1.4) mínus znamená, že moment má tendenciu zmenšovať uhol medzi elektrickým momentom dipólu a vektorom sily poľa. Dipól v elektrickom poli má tendenciu sa otáčať tak, aby elektrický moment dipólu bol rovnobežný s poľom ($ \ overrightarrow (p) \ uparrow \ uparrow \ overrightarrow (E) $). Pri $ \ overrightarrow (p) \ uparrow \ downarrow \ overrightarrow (E) $ bude krútiaci moment tiež nulový, ale takáto rovnováha nie je stabilná.
Príklad 2
Úloha: Dva dipóly sú od seba vzdialené $ r $. Ich osi ležia na jednej priamke. Elektrické momenty sú rovnaké: $ p_1 $ a $ p_2 $. Vypočítajte potenciálnu energiu ktoréhokoľvek z dipólov, ktorá bude zodpovedať stabilnej rovnovážnej polohe.
Systém bude v rovnováhe, keď sú dipóly orientované, ako je znázornené na obr. 3, pozdĺž poľa, náboje opačného znamienka navzájom.
Budeme predpokladať, že pole vytvára dipól s momentom $ p_1 $, budeme hľadať potenciálnu energiu dipólu, ktorý má elektrický moment $ p_2 $ v bode poľa (A) vo vzdialenosti r od prvého dipól. Predpokladajme, že ramená dipólu sú malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi dipólmi ($ l \ ll r $). Dipóly je možné brať ako bodové (predpokladáme teda, že dipól s momentom $ p_2 \ je \ v \ bode \ A $). Sila poľa, ktoré vytvára dipól na svojej osi v bode A v absolútnej hodnote, je (pre $ \ varepsilon = 1 $):
Potenciálnu energiu dipólu v momente $ p_2 $ v bode A možno vyjadriť vzorcom:
kde sme vzali do úvahy, že vektory intenzity a elektrický moment dipólu sú spoločne usmernené v stave stabilnej rovnováhy. V tomto prípade bude potenciálna energia druhého dipólu rovná:
Odpoveď: Potenciálne energie dipólov budú mať rovnakú veľkosť $ W = -p_2 \ frac (p_1) (2 \ pi (\ varepsilon) _0r ^ 3) $.
Smyčkové vibrátory série „D“ (najbližší zahraničný analóg ANT150D od Telewave) sú vyrábané v rozloženom stave z troch častí - samotný slučkový vibrátor (1), traverza (2) a montážna jednotka (3) (pozri obrázok).
Smyčkový vibrátor je vyrobený z hrubostennej hliníkovej trubice a má dĺžku asi 1/2. Pripojovací bod (4) k traverze je zváraný zváraním argónom, čo zaručuje spoľahlivý elektrický kontakt v antinóde prúdu. Na zosúladenie s 50-ohmovým káblom sa používa 1/4-vlnový transformátor, vďaka položenému elektrickému vedeniu vo vnútri dipólu je anténa vyvážená.
Všetky kontakty sú spájkované a skrutkové spoje sú namaľované. Celá podávacia jednotka je utesnená: na vystuženie sa používa rúrka z PVC a na utesnenie spolu s molekulárnym lepiacim tmelom sa používa zmršťovacia trubica (5). Celá anténa je chránená pred korozívnym prostredím polymérnym povlakom. Anténny traverz - na dipól je starostlivo nasadená trubica s priemerom 35 mm, aby sa uľahčila montáž antény. Pripojovacím bodom k stožiaru je liaty silumín. Dodatočné spracovanie tiež zaisťuje spoľahlivé ukotvenie s krížovou hlavou a ľahké pripevnenie na stožiar s priemerom 38-65 mm v ľubovoľnom uhle. Anténa má značku (6) pre správne fázovanie a tiež odtokový otvor (7) v spodnej časti vibrátora.
Anténa používa domáci kábel (8) RK 50-7-11 s nízkymi stratami (0,09 dB / m pri 150 MHz). Antény sú vybavené konektormi typu N (9), ktoré sú starostlivo spájkované a zapečatené.
Pohodlné kartónové balenie vám umožňuje prepravovať anténu akýmkoľvek dopravným prostriedkom.
Smyčkové dipóly radu „DP“ majú určité štrukturálne rozdiely od dipólov radu „D“.
Po prvé, táto anténa má neoddeliteľný dizajn - samotný dipól (10) je zváraný na krátky traverz (11). Napájanie dipólu je asymetrické, čo však v žiadnom prípade nezhoršuje jeho vlastnosti. Vzhľadom na blízkosť reflektorového stožiara je pásmo o niečo užšie a dosahuje 150-170 MHz a úroveň spätného žiarenia je o 10 dB nižšia. Ale v hlavnom smere je dosiahnutý zisk 3 dBd.
Za druhé, upevnenie na stožiar je vyrobené z ľahkých pozinkovaných oceľových svoriek (12) a umožňuje vám pripevniť anténu na stožiar (13) s priemerom 25-60 mm. Vo všetkých ostatných ohľadoch sa výrobná technológia antén radu „DP“ nelíši od dipólov radu „D“.
Dipóly radu DH sú najlacnejšie antény. Jedná sa o stavebnicu pre domácich majstrov, kde v priebehu niekoľkých minút zostavíte podľa našich pokynov klasický lineárny uzemnený vibrátor koordinovaný v gama. Súprava obsahuje samotný vysielač - kolík s priemerom 12 mm (14), traverzu (15) s otvorom na upevnenie a zváranú konzolu s konektorom (16).
Podrobnosti o gama matcheri vám umožňujú takmer dokonale naladiť dipól na ľubovoľnej frekvencii, ktorú si vyberiete (pomocou konvenčného OTDR).
Každý dipól je dodávaný s podrobnými pokynmi na nastavenie a tabuľkami dĺžok vibrátora.
V rukách majstra sa táto sada zmení na skutočný vysoko účinný komunikačný anténny systém!
Každé bezdrôtové zariadenie potrebuje anténu. Toto vodivé mechanické zariadenie je prevodník, ktorý prevádza prenášaný rádiofrekvenčný (RF) signál na elektrické a magnetické polia, ktoré tvoria rádiovú vlnu. Tiež prevádza prijatú rádiovú vlnu späť na elektrický signál. Pre antény je možné takmer nekonečné množstvo konfigurácií. Väčšina z nich je však založená na dvoch hlavných typoch: dipólové a bičové antény.
Antény
Rádiová vlna obsahuje elektrické pole kolmé na magnetické pole. Oba sú kolmé na smer šírenia (obrázok nižšie). Práve toto elektromagnetické pole vytvára anténu. Signál vysielaný zariadením je generovaný vo vysielači a potom odoslaný do antény pomocou prenosového vedenia, zvyčajne koaxiálneho kábla.
Čiary sú magnetické a elektrické siločiary, ktoré sa pohybujú spoločne a navzájom sa podopierajú, keď sa „pohybujú von“ z antény.
Napätie vytvára okolo anténnych prvkov elektrické pole. Prúd v anténe vytvára magnetické pole. Elektrické a magnetické polia sa navzájom kombinujú a regenerujú v súlade so známymi Maxwellovými rovnicami a „kombinovaná“ vlna je odoslaná z antény do vesmíru. Keď je signál prijatý, elektromagnetická vlna indukuje v anténe napätie, ktoré premieňa elektromagnetickú vlnu späť na elektrický signál, ktorý je možné ďalej spracovať.
Hlavnou úvahou pri orientácii akejkoľvek antény je polarizácia, ktorá sa týka orientácie elektrického poľa (E) so zemou. Je to tiež orientácia vysielacích prvkov voči zemi. Vertikálne namontovaná anténa kolmá na zem vysiela vertikálne polarizovanú vlnu. Horizontálne umiestnená anténa teda vysiela horizontálne polarizovanú vlnu.
Polarizácia môže byť tiež kruhová. Špeciálne konfigurácie, ako sú špirálové alebo špirálové antény, môžu emitovať rotujúcu vlnu a vytvárať rotujúcu polarizovanú vlnu. Anténa môže vytvárať smer otáčania buď doprava, alebo doľava.
V ideálnom prípade by antény na vysielači aj prijímači mali mať rovnakú polarizáciu. Pri frekvenciách pod asi 30 MHz sa vlna zvyčajne odráža, láme, otáča alebo inak upravuje atmosféra, zem alebo iné objekty. Preto nie je polarizačné párovanie na oboch stranách kritické. Na frekvenciách VHF, UHF a UHF musí byť polarizácia rovnaká, aby sa zabezpečil najlepší možný prenos signálu. A všimnite si, že antény vykazujú reciprocitu, to znamená, že fungujú rovnako dobre tak pre vysielanie, ako aj pre príjem.
Dipólová alebo dipólová anténa
Dipól je polvlnová štruktúra vyrobená z drôtu, trubice, dosky plošných spojov (PCB) alebo iného vodivého materiálu. Rozdelí sa na dve rovnaké štvrtinové vlnové dĺžky a napája sa prenosovým vedením.
Čiary znázorňujú rozloženie elektrických a magnetických polí. Jedna vlnová dĺžka (λ) sa rovná:
polovičná vlna:
λ / 2 = 492 / f MHz
Skutočná dĺžka sa zvyčajne skracuje v závislosti od veľkosti drôtov antény. Najlepšia aproximácia k elektrickej dĺžke:
λ / 2 = 492 K / f MHz
kde K je koeficient spájajúci priemer vodiča s jeho dĺžkou. To je 0,95 pre drôtové antény s frekvenciou 30 MHz alebo menej. Alebo:
λ / 2 = 468 / f MHz
Dĺžka v palcoch:
λ / 2 = 5904 K / f MHz
Hodnota K je menšia pre prvky s väčším priemerom. Pre polpalcovú trubicu je K 0,945. Dipólový kanál pre 165 MHz by mal byť:
λ / 2 = 5904 (0,945) / 165 = 33,81 palca
alebo dva 16,9-palcové segmenty.
Dĺžka je dôležitá, pretože anténa je rezonančné zariadenie. Aby bola maximálna účinnosť žiarenia, musí byť naladená na prevádzkovú frekvenciu. Anténa však funguje primerane dobre v úzkom frekvenčnom rozsahu ako rezonančný filter.
Šírka pásma dipólu je funkciou jeho štruktúry. Obvykle je definovaný ako rozsah, v ktorom je pomer stojatých vĺn antény (SWR) antény menší ako 2: 1. VSWR je určené množstvom signálu odrazeného od zariadenia späť pozdĺž prenosovej linky, ktorá ho napája. Je to funkcia impedancie antény vo vzťahu k impedancii prenosového vedenia.
Ideálne prenosové vedenie je vyvážený vodivý pár s impedanciou 75 ohmov. Je možné použiť aj koaxiálny kábel s charakteristickou impedanciou 75 ohmov (Zo). Je možné použiť aj koaxiálny kábel s charakteristickou impedanciou 50 ohmov, pretože dobre vyhovuje anténe, ak je nad zemou menšia ako polovica vlnovej dĺžky.
Koaxiálny kábel je nevyvážený, pretože RF prúd bude prúdiť mimo koaxiálny štít, čo spôsobí nežiaduce nežiaduce rušenie v okolitých zariadeniach, aj keď anténa bude fungovať celkom dobre. Najlepšou metódou napájania je použiť balun v mieste napájania koaxiálnym káblom. Balun je transformátorové zariadenie, ktoré prevádza vyvážené signály na nevyvážené signály alebo naopak.
Dipól je možné nainštalovať horizontálne alebo vertikálne v závislosti od požadovanej polarizácie. Napájacie vedenie by v ideálnom prípade malo viesť kolmo na vyžarujúce prvky, aby sa zabránilo skresleniu žiarenia, preto je dipól najčastejšie orientovaný horizontálne.
Vzorec vyžarovania signálu antény závisí od jeho štruktúry a inštalácie. Fyzické žiarenie je trojrozmerné, ale zvyčajne ho predstavujú horizontálne aj vertikálne vzorce žiarenia.
Horizontálny smerový obrazec dipólu je na obrázku osem (obrázok 3). Na anténe sa zobrazí maximálny signál. Obrázok 4 zobrazuje zvislý vzor žiarenia. Jedná sa o ideálne vzorky, ktoré sú ľahko skreslené zemou a akýmikoľvek blízkymi predmetmi.
Zisk antény súvisí so smerovosťou. Zisk je zvyčajne vyjadrený v decibeloch (dB) s určitou referenciou, napríklad s izotropnou anténou, ktorá je bodovým zdrojom RF energie, ktorá vyžaruje signál všetkými smermi. Predstavte si bodový svetelný zdroj osvetľujúci vnútro rozpínajúcej sa gule. Izotropná anténa má zisk 1 alebo 0 dB.
Ak vysielač vytvára alebo zaostruje vyžarovací obrazec a robí ho viac smerovým, má izotropný zisk antény. Dipól má izotropný zisk 2,16 dBi. V niektorých prípadoch je zosilnenie vyjadrené ako funkcia dipólovej referencie v dBd.
Vertikálna anténa s ďalšími horizontálnymi reflektormi
Toto zariadenie je v podstate polovicou vertikálneho dipólu. Na opis tohto nastavenia sa používa aj termín monopole. Druhá polovica antény tvorí zem pod anténou, vodivý povrch s najmenším polomerom λ / 4 alebo vzor vodičov λ / 4 nazývaný radiály (obrázok 5).
Ak je anténa pripojená k dobrému uzemneniu, nazýva sa to Marconiho anténa. Hlavnou štruktúrou je druhá λ / 4 polovica vysielača. Ak je základná rovina dostatočnej veľkosti a vodivosti, potom je výkon uzemnenia ekvivalentný vertikálne uloženému dipólu.
Štvrťvlnná zvislá dĺžka:
λ / 4 = 246 K / f MHz
K-faktor je menší ako 0,95 pre vertikály, ktoré sa zvyčajne vyrábajú so širšou trubicou.
Impedancia napájacieho bodu je pol dipólu alebo približne 36 ohmov. Skutočná hodnota závisí od výšky nad zemou. Rovnako ako dipól je základná rovina rezonančná a vo svojej základnej impedancii má zvyčajne reaktívnu zložku. Najbežnejšou prenosovou linkou je 50-Ω koaxiálny kábel, pretože pomerne dobre zodpovedá impedancii antény so SWR pod 2: 1.
Vertikálna anténa s prídavným reflexným prvkom je nesmerová. Horizontálny vyžarovací obrazec je kruh, v ktorom zariadenie vysiela signál rovnako dobre vo všetkých smeroch. Obrázok 6 zobrazuje zvislý vzor žiarenia. V porovnaní so zvislým smerovým obrazcom dipólu má základná rovina nižší vyžarovací uhol, čo dáva výhodu širšieho rozptylu pri frekvenciách pod asi 50 MHz.
závery
Okrem toho je možné vyrobiť dve alebo viac vertikálnych antén s dodatočným reflexným prvkom na vytvorenie viac smerového zosilneného signálu. AM smerové rádio napríklad používa dve alebo viac veží na nasmerovanie silného signálu v jednom smere, zatiaľ čo v druhom ho potláča.
Pomer stojatých vĺn
Stojaté vlny sú vzory distribúcie napätia a prúdu pozdĺž prenosového vedenia. Ak sa charakteristická impedancia (Zo) vedenia zhoduje s výstupnou impedanciou generátora (vysielača) a zaťažením antény, napätie a prúd pozdĺž vedenia sú konštantné. So zodpovedajúcou impedanciou dochádza k maximálnemu prenosu energie.
Ak sa zaťaženie antény nezhoduje s impedanciou vedenia, nie je všetok prenášaný výkon absorbovaný záťažou. Akýkoľvek výkon, ktorý anténa neabsorbuje, sa odrazí späť pozdĺž vedenia, interferuje s priamym signálom a vytvára zmeny prúdu a napätia pozdĺž vedenia. Tieto variácie sú stojaté vlny.
Mierou tejto nezrovnalosti je pomer stojatých vĺn (SWR). VSWR je zvyčajne vyjadrený ako pomer maximálnych a minimálnych hodnôt hodnôt prúdu a spätného prúdu alebo napätia pozdĺž čiary:
VSWR = I max / I min = V max / V min
Ďalším jednoduchším spôsobom vyjadrenia SWR je pomer charakterizujúcej impedancie prenosového vedenia (Zo) k impedancii antény (R):
SWR = Z o / R alebo R / Z o
podľa toho, ktorá impedancia je vyššia.
Ideálny SWR je 1: 1. SWR 2 až 1 indikuje 10% odrazeného výkonu, čo znamená, že 90% prenášaného výkonu smeruje do antény. VSWR 2: 1 sa vo všeobecnosti považuje za maximum prijateľné pre najefektívnejšiu prevádzku systému.
Uvažujme teraz o výslednom poli, ktoré vzniká, keď pôsobia dva oscilátory súčasne. V predchádzajúcej kapitole sme sa už zaoberali niekoľkými najjednoduchšími prípadmi. Najprv poskytneme kvalitatívny obraz javu a potom popíšeme rovnaké efekty z kvantitatívneho hľadiska. Zoberme si najjednoduchší prípad, keď sú oscilátory a detektor umiestnené v rovnakej horizontálnej rovine a oscilátory kmitajú vo vertikálnom smere.
Obr. 29.5 je zobrazený pohľad zhora na oba oscilátory; v tomto prípade je vzdialenosť medzi nimi v smere sever-juh rovná polovici vlnovej dĺžky a kmitajú v jednej fáze, t.j. fázový rozdiel oscilátorov je nulový. Zaujíma nás intenzita žiarenia v rôznych smeroch. Intenzitou myslíme množstvo energie, ktoré prejdeme okolo nás za 1 sekundu; je úmerný časovo spriemerovanému štvorcu sily poľa. Aby ste určili jas svetla, musíte vziať druhou mocninu sily elektrického poľa, a nie samotnú silu. (Sila elektrického poľa je charakterizovaná silou, ktorou pole pôsobí na stacionárny náboj, a množstvo energie prechádzajúcej určitou oblasťou je úmerné štvorcu sily poľa a meria sa vo wattoch na meter štvorcový. Koeficient proporcionality bude odvodený v nasledujúcej kapitole.) Ak sme na západe od sústavy oscilátorov a od oboch oscilátorov dostaneme polia, ktoré majú rovnakú veľkosť a rovnakú fázu, takže celkové elektrické pole je dvojnásobkom poľa individuálneho oscilátora. Preto bude intenzita štvornásobkom intenzity vyplývajúcej z činnosti iba jedného oscilátora. (Čísla na obr. 29.5 označujú intenzitu a mernou jednotkou je intenzita žiarenia jedného oscilátora umiestneného na začiatku.) Teraz nechajte pole zmerať v severnom alebo južnom smere pozdĺž oscilátorov. . Pretože vzdialenosť medzi oscilátormi je rovná polovici vlnovej dĺžky, ich radiačné polia sa líšia fázou presne o polovicu cyklu, a preto je celkové pole nulové. Pre stredný uhol (rovný) je intenzita rovná 2, tj. Klesá, intenzita postupne nadobúda hodnoty 4, 2, O atď. Musíme sa naučiť, ako nájsť intenzitu pre rôzne uhly. V podstate sa scvrkáva na problém pridania dvoch oscilácií s rôznymi fázami.
Obrázok 29.5. Závislosť intenzity žiarenia dvoch dipólov vo vzdialenosti polovice vlnovej dĺžky od smeru žiarenia.
a - dipóly vo fáze (); b - dipóly v antifáze.
Poďme sa rýchlo pozrieť na niekoľko ďalších zaujímavých prípadov. Nech je vzdialenosť medzi oscilátormi, ako predtým, rovná polovici vlnovej dĺžky, ale kmity jedného oscilátora zaostávajú vo fáze od oscilácií druhého o polovicu periódy (pozri obr. 29.5, b). Intenzita v horizontálnom smere (západ alebo východ) mizne, pretože jeden oscilátor tlačí v jednom smere a druhý v opačnom smere. Na sever signál z najbližšieho oscilátora prichádza o pol periódy skôr ako signál z ďalekého oscilátora. Ale ten druhý má oneskorené oscilácie iba o polovicu periódy, takže oba signály prichádzajú súčasne a intenzita v severnom smere je 4. Intenzita pod uhlom 30 °, ako bude ukázané neskôr, je opäť rovná 2.
Teraz sa dostávame k zaujímavej vlastnosti, ktorá je v praxi veľmi užitočná. Všimnite si toho, že fázové vzťahy medzi oscilátormi sa používajú na prenos rádiových vĺn. Povedzme, že chceme vyslať rádiový signál na Havajské ostrovy. Na to používame anténny systém usporiadaný podľa obr. 29,5, a, a nastavte medzi nimi nulový fázový rozdiel. Potom bude maximálna intenzita pokračovať správnym smerom, pretože Havajské ostrovy ležia na západe USA. Ďalší deň sa rozhodneme prenášať signály do Kanady. A keďže je Kanada na severe, stačí nám zmeniť znamienko jednej z antén tak, aby boli antény v antifáze, ako na obr. 29,5, b, a prevodovka pôjde na sever. Môžete myslieť na rôzne zariadenia anténneho systému. Naša metóda je jednou z najjednoduchších; môžeme výrazne skomplikovať systém a po zvolení potrebných fázových vzťahov poslať lúč maximálnou intenzitou v požadovanom smere bez toho, aby sme museli pohnúť ktoroukoľvek z antén! V oboch rozhlasových reláciách sme však premrhali veľa energie, išlo to presne opačným smerom; Zaujímalo by ma, či existuje spôsob, ako vysielať signály iba jedným smerom? Na prvý pohľad sa zdá, že dvojica antén tohto typu bude vždy vyžarovať symetricky. V skutočnosti je obraz oveľa pestrejší; Zoberme si napríklad prípad asymetrického žiarenia z dvoch antén.
Obrázok 29.6. Dve dipólové antény pre maximálne vyžarovanie
Nech je vzdialenosť medzi anténami rovnaká ako štvrtina vlnovej dĺžky a severná anténa vo fáze o štvrtinu periódy zaostáva za južnou. Čo potom dostaneme (obr. 29.6)? Ako si neskôr ukážeme, v západnom smere je intenzita 2. V južnom smere bude nulová, pretože signál zo severného zdroja prichádza o 90 ° neskôr ako signál z južného zdroja a navyše ho zaostáva vo fáze o ďalších 80 °; v dôsledku toho je celkový fázový rozdiel 180 ° a čistý efekt je nulový. Na sever signál zo zdroja prichádza o 90 ° skôr ako signál zo zdroja, pretože zdroj je o štvrtinu vlny bližšie. Fázový rozdiel je však 90 ° a kompenzuje časové oneskorenie, takže oba signály prichádzajú v rovnakej fáze, ktorá dáva intenzitu 4.
S určitou vynaliezavosťou pri umiestnení antén a zvolení požadovaných fázových posunov je teda možné nasmerovať energiu žiarenia jedným smerom. Je pravda, že energia bude stále vyžarovaná v pomerne veľkom rozsahu uhlov. Je možné zamerať žiarenie do užšieho rozsahu uhlov? Znova sa obrátime na vlnový prenos na Havajské ostrovy; tam rádiové vlny išli na západ a na východ v širokom rozsahu uhlov a dokonca aj v uhle 30 ° bola intenzita iba polovica maxima, energia sa míňala.
Je možné túto situáciu zlepšiť? Uvažujme prípad, keď je vzdialenosť medzi zdrojmi rovná desiatim vlnovým dĺžkam (obr. 29.7) a fázový rozdiel kmitov je rovný nule. Je to bližšie k situácii opísanej skôr, keď sme experimentovali s intervalmi rovnakými ako niekoľko vlnových dĺžok, a nie s malými zlomkami vlnovej dĺžky. Tu je iný obrázok.
Obrázok 29.7. Distribúcia intenzity dvoch dipólov. Rozmiestnené od seba
Ak je vzdialenosť medzi zdrojmi rovnaká ako desať vlnových dĺžok (zvolíme svetlejšie puzdro, keď sú vo fáze), potom v západnom a východnom smere je intenzita maximálna a rovná sa 4. Ak sa pohybujeme o malý uhol, fáza rozdiel sa rovná 180 ° a intenzita sa zmení na nulu. Prísnejšie: ak nakreslíme rovné čiary z každého oscilátora do pozorovacieho bodu a vypočítame rozdiel vo vzdialenosti k oscilátorom a ukáže sa, že sú rovnaké, potom budú oba signály v antifáze a celkový efekt je nulový. Tento smer zodpovedá prvej nule na obr. 29,7 (mierka na obrázku nie je zachovaná, toto je v podstate hrubý diagram). To znamená, že dostaneme úzky lúč správnym smerom; ak sa pohneme trochu do strany, intenzita zmizne. Pre praktické účely majú bohužiaľ tieto prenosové systémy značnú nevýhodu: v určitom uhle sa vzdialenosť môže stať rovnakou a potom budú oba signály opäť vo fáze! Výsledkom je obraz so striedajúcimi sa maximami a minimami, presne ako v Ch. 28 pre vzdialenosť medzi oscilátormi rovnú.
Ako sa zbaviť všetkých nepotrebných výšok? Existuje zaujímavý spôsob, ako eliminovať nežiaduce výšky. Postavme niekoľko ďalších medzi naše dve antény (obr. 29.8). Nech je vzdialenosť medzi extrémnymi stále rovnaká a po každom z nich nasaďte anténu a nalaďte všetky antény na jednu fázu. Celkom teda budeme mať šesť antén a intenzita v smere západ-východ sa samozrejme v porovnaní s intenzitou z jednej antény výrazne zvýši. Pole sa zvýši šesťnásobne a intenzita daná štvorcom poľa sa zvýši tridsaťšesťnásobne. Blízko západo-východného smeru, ako predtým, bude smer s nulovou intenzitou a ďalej, kde sme očakávali, že uvidíme vysoké maximum, sa objaví len malý „hrb“. Pokúsme sa zistiť, prečo sa to deje.
Obrázok. 29.8. Zariadenie šiestich dipólových antén a časti distribúcie intenzity jeho žiarenia.
Zdá sa, že dôvod vzniku maxima stále existuje, pretože sa môže rovnať vlnovej dĺžke a oscilátory 1 a 6, ktoré sú vo fáze, navzájom zosilňujú svoje signály. Oscilátory 3 a 4 sú však mimo fázy s oscilátormi 1 a 6, líšia sa od nich fázou zhruba o polovicu vlnovej dĺžky a majú v porovnaní s týmito oscilátormi opačný účinok. Intenzita v tomto smere sa preto ukazuje ako nízka, aj keď nie úplne nulová. Výsledkom je silný lúč v požadovanom smere a séria malých bočných maxím. Ale v našom konkrétnom prípade je tu ešte jedna nepríjemnosť: pretože vzdialenosť medzi susednými dipólmi je rovnaká, môžete nájsť uhol, pre ktorý je rozdiel v dráhe lúčov od susedných dipólov presne rovnaký ako vlnová dĺžka. Signály zo susedných oscilátorov sa budú líšiť o 360 °, to znamená, že budú opäť vo fáze a v tomto smere dostaneme ďalší silný lúč rádiových vĺn! V praxi sa dá tomuto účinku ľahko vyhnúť, ak je vzdialenosť medzi oscilátormi menšia ako jedna vlnová dĺžka. Samotný vzhľad dodatočných maxím vo vzdialenosti medzi oscilátormi viac ako jednej vlnovej dĺžky je veľmi zaujímavý a dôležitý, ale nie pre prenos rádiových vĺn, ale pre difrakčné mriežky.