добавить на Яндекс

Авторизация




Информеры


Поиск в российском Callbook'e:

Solar activity Солнечная активность

Meteor activity



Антенна – движитель электромагнитной волны PDF Печать E-mail
Автор: Мясоед Владимир Петрович, RN3ZM   
25.10.2009 20:50
Индекс материала
Антенна – движитель электромагнитной волны
Page 2
Все страницы

Антенна – движитель электромагнитной волны

Автор: Мясоед Владимир Петрович, RN3ZM

 

Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые;
иначе такое бросание будет пустою забавою.
Козьма Прутков

…известно, антенна необходима для преобразования токов ВЧ текущих в ней, в электромагнитные волны (Э.М.В.) и наоборот. Естественно, она должна эффективно это делать, иначе, энергия подводимая к ней от передатчика может и не излучаться вовсе.

…если хлыстнуть прутиком по воде, то в разные стороны побегут волны.
А если то же самое, с той же энергией, проделать с широкой дощечкой,
то волны будут намного круче.

Проводниковые, тонкие антенны – наши реалии. Тонкая антенна резонансна. Это очевидно. Известно, что тонкая антенна ведет (проявляет) себя как колебательный контур и имеет свою добротность. Если колебательный контур (цепь с сосредоточенными параметрами) не связан ни с чем, то амплитуды токов и напряжений в нем (на его реактивностях L и C) пропорциональны его добротности. При этом энергия совершает колебания внутри системы и она бесполезна, она реактивна. Стоит только нагрузить, связать контур (магнитная, емкостная связь или активная нагрузка) амплитуда колебаний падает пропорционально вносимому сопротивлению, то бишь отбору мощности – мощности полезной. Продолжая нагружать контур его вырождают…

Антенна не колебательный контур. Антенна, прежде всего, длинная линия [1], линия с потерями, с потерями на излучение и к сожалению не только. Рассуждать о ней, описывать, моделировать ее необходимо с этой точки зрения. Цели и задачи антенны совсем другие, нежели в колебательном контуре и даже в фидере. Повторюсь:-« Тонкая антенна резонансна...» Резонанс в антенне - ВРЕДНЫЙ ФАКТОР. Какая чушь! Мы всегда стремимся настроить ее в резонанс! Верно, стремимся, но это не «не от хорошей жизни», а скорее от традиций. Непривычно такое слышать? Это, может быть, пройдет к концу статьи, если хватит терпения дочитать до конца. Автор, в достаточной мере, понимает всю “крамолу” такого заявления, но тем не менее…

…Мост на реке должен, в первую очередь выполнять свою основную функцию,
служить средством сообщения... Если он имеет резонанс, то грош ему цена – по мосту
ходить не в ногу, не раскачивать и т.д., т.е. вести себя осторожно,
так как у «колебательной системы МОСТ», ввиду ее высокой добротности
может возникнуть резонанс. Тогда не миновать беды. Поэтому мосты и
делают более добротными в плане моста, а не колебательной системы.
В данном случае «колебательная система мост» должна иметь низкую добротность…

Бесконечно тонкая антенна, не излучает. С появлением толщины часть энергии подводимой к ней теряется, потребляется на излучение, но только часть, а хотелось чтобы вся. Резонанса в антенне не должно быть, по сути, просто он проявляется в ней, как побочный эффект. Цель антенны породить Э.М.В. т.е. потратить всю мощность, энергию генератора для этого. Согласовав выход передатчика с антенной, решают только первую часть задачи, вторая, «согласовать» антенну с пространством остается «за кадром». Как и куда распределяется подведенная энергия, почему-то не задумываемся. В резонанс антенну настраивают для того, что бы она, хоть что то, излучала, так как только при этом ее сопротивление активно. Но существует, присутствует резонанс.

…сидя в лодке можно грести и тонкими палками, но веслами все же лучше…

Вибратор должен (ну нет, просто обязан) возбуждать пространство вокруг себя, колебать ту самую структуру называемую вакуумом, ту светоносную среду, тот самый (временами совсем отвергаемый, как не существующий вообще) наш эфир. Вакуум не пустота, а структура. В пустоте волны не распространяются. Естественно, подразумевается, что совершать колебания будет не сам вибратор, а токи В.Ч. текущие в нем. Согласно электродинамики, …передача энергии осуществляется в пространстве окружающем провода, а не самими проводами. Провод служит лишь для обеспечения направления, энергия передается Э.М.В. вдоль проводов. Волна – ВОЗБУЖДЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СРЕДЫ. Волна, только она, является переносчиком энергии.

Как это делать эффективно? Это и вопрос и приглашение к разговору и маленькая часть ответа – суждения, субъективного пока.

Изучая (или просто читая перед сном) книги Айзенберга Г.З., Белоцерковского Г.Б., Верещагина Е.М. и других классиков антенного искусства, все мы видим, как ими глубоко разработаны теоретические принципы антенн. Нет ничего лучше хорошей теории!

У Айзенберга прямо сказано, цитирую: «…чем короче вибратор, тем больше его реактивное сопротивление и тем выше добротность получающегося резонансного контура … В резонаторе возникают большие резонансные токи, создающие вокруг него область сильных реактивных полей. Наличие этих полей приводит к изменению направления и величины вектора Пойнтинга, т.е. изменению направления и потока энергии вокруг вибратора. … реактивные поля имеют большую интенсивность и в основном они определяет потери энергии на наводки, так как эти поля Е и Н определяют квазистационарное поле вблизи антенны, они задают поле индукции.» Чем короче и тоньше вибратор, тем больше его добротность, тем более узкополосной становится антенна, тем она меньше излучает… У Овсяникова В.В., в его книге, (см. лит.7) есть и формулы связывающие К.П.Д. антенны с ее добротностью Qe.
h= Pe/Pподв.= Pe/Pe+Pп = Re/Re+Rп = Qп/(Qe+Qп) Ф1
где Qe=Wk/Re; Ф2
Qe=fo/2DF Ф3
Wk= √L/C Волновое сопротивление провода Ф4
Qe - добротность излучени, добротность антенны.
Qп – обусловлена активными потерями мощности в проводе, изоляторах.
Wk – волновое сопротивление антенны.
Re - сопротивление излучения антенны.
fo – частота излучения антенны.
DF – полоса «пропускания» антенны.

К.П.Д. возрастает (при постояных активных потерях на «тепло») если уменьшать добротность излучения. Добротность излучения уменьшить можно уменьшением волнового сопротивления вибратора т.е. уменьшением отношения L/C в формуле 4, увеличением сопротивления излучения в формуле 2. Можно (для «прикола») нагрузить вибратор на активное сопротивление, но по понятным причинам делать это не следует.

Передатчик (в случае с тонкой и длинной антенной) нагружен, прежде всего, на ее резонансное сопротивление, которое по величине доминирует и определяет потери в окружающих предметах.
Rое = L/C*Rа (Ф5)
где Rа = Rап + Re (Ф6)

Согласно сказанного выше Rое сильно влияет на К.П.Д.

К.П.Д. h = Re/(Re + Rап + Rое) (Ф7)

Уменьшить Rое в Ф5. Можно уменьшая числитель L антенны и увеличивая знаменатель C*Rа. Где Ra=Re. Re - не является (в длинной антенне) всеобъемлющим показателем эффективности. Вывод (пока не оконча-тельный): - антенна должна быть толстой.

Необходимо вырождать образующийся колебательный контур, превращать провод в вибратор. Антенна должна быть ВИБРАТОРОМ, хорошим передатчиком, транслятором, проводником энергии от генератора пространству. Антенна – это движитель Э.М.В.

Генератор >> вибратор >> среда-вакуум.

По аналогии с механикой

Двигатель – силовая установка >> винт - движитель >> среда - газ, вода.

Повторюсь: - « нам не нужен контур, нам необходим вибратор пространства», то самое весло, при помощи которого Э.М.В. «поплывут» наиболее эффективно. Длинный и тонкий провод расположенный, как правило, низко над землей основную долю излучаемой энергии расходует на потери в окружающих предметах и подстилающей поверхности (земле) и все потому, что он резонансен. Широкополосная антенна Бевереджа единственная из длиннопроводных, которая может работать в лесу. Правда она не далеко ушла от резонанс-ных. Широкополосные антенны не имеют резонансов или (что точнее) почти не имеют. Полуволновый вибратор, как известно, имеет сопротивление излучения около 70-75 Ом, а волновой 200 , что значительно больше первого. Второй вибратор более широкополосен, лучше излучает, но настолько ли лучше?

Pизл.= I²*(Re+Rап+Rое) (Ф8)

Как видно из формулы, мощность излучения прямо пропорциональна току и сопротивлению излучения. При одинаковом токе возбуждения и при изменении сопротивления излучения, пропорционально должна возрасти и напряженность поля на индикаторе напряженности. Увеличение конечно есть, но не пропорционально и намного меньше ожидаемого. Не 3 раза, а всего 1,27 – 1,4.

Посмотрим на них более внимательно. Длинная, тонкая антенна при увеличении ее длины прибавляет незначительно, хотя сопротивление излучения у нее значительно больше? Это обусловлено тем, что антенна хоть и имеет длину, но по сути, осталась точечным вибратором. По «идее», провод должен излучать перпендикулярно своему расположению, а у нас (с учетом высоты подвеса), диаграмма по горизонтали, овал и даже не восьмерка как мы привыкли видеть в идеале т.е. в книгах см. рис.3.

Токи смещения от центра вибратора и от его концов различны, как по величине, так и по фазе. Естественно равнодействующая таких векторов и складывается векторно. Для «полезного» излучения длинная антенна – точечный излучатель, (если «точеный» стоит ли строить длинные излучатели?). Для резонансных токов, такая антенна – объем вокруг провода, который является средой поглощения. Отсюда и направление излучения. См.рис 1 а), б).

РИС.1 амплитудно-временная (фазовая) диаграмма распределения токов смещения длинного вибратора.

      

 

а). б).

Как сделать антенну широкополосной, об этом достаточно сведений у всех без исключения авторов.

Повторю:
- удлинением вибратора
- включением активных нагрузок
- утолщением полотна антенны

Это далеко не полный список. Вибраторы с активной нагрузкой не хочу рассматривать, ввиду нерационального использования подводимой к ним энергии, хотя такой способ отлично справляется с задачей, но К.П.Д.… Как нагревать среду при помощи термоэлектрических нагревателей (ТЭНов) или попросту резисторов – активных сопротивлений, можно прочесть в курсе «Тепломассопереноса».

Вернемся к нашим … антеннам. Как заявлено в начале – антенна должна быть толстой, постараюсь убедить в этом. Правда убедить можно только заинтересованных.

Увеличение толщины вибратора позволяет: - сильнее связать его с пространством, а значит увеличить долю потерь энергии на излучение (сопротивление излучения Re) - снизить добротность Qe антенны, расширить полосу равного сопротивления, т.е. “полосу пропускания”. Идеальную антенну одним утолщение не получить, но приблизится “на шаг” можно. Остаются громоздкость конструкции, затратность, протяженность. Излучение у такой антенны, конечно выше, чем в резонансной, но всего лишь 1,8 – 2.2 раза, что не соответствует потенциальной возможности характеризуемой сопротивлением излучения, а последнее у таких антенн значительные 2 – 5 килоом. Если взглянуть на рис.2) ,то все длинные антенны просто обязаны работать плохо. Такое распределение уровней и фаз токов смещения в пространстве вокруг антенны говорит само за себя. Распределенные по длине элементарные индуктивности и емкости не дают «мгновенно» распространится волне, такие антенны обречены быть малоэффективными. Известно, область пространства существенно влияющая на распространение радиоволн “ограничивается” первой зоной радиусом R=Öl/4. Ф9.

РИС.2 – распределение амплитуд и фаз токов смещения по длине вибратора и направление результирующей.

 

Такое распределение токов и фаз по длине вибратора возбуждает не только поперечную волну Т, а и продольную, на создание которой расходуется значительная доля энергии, для нас опять же бесполезной. Вообще, питать антенну выгоднее «напряжением», чем «током». Вспомним пример высоковольтных ЛЭП. Антенны, с большим Re, естественно, эффективнее тех у которых оно мало. Вибраторы с емкостной нагрузкой на концах имеют повышенные и даже высокие сопротивления излучения, но и они протяженны, тонки, резонансны, узкополосны.

Емкостные антенны то же, давно известны. У таких антенн хороший К.П.Д. и…все же, из за их относительной протяженности, громоздкости и они не находят широкого применения. Длинная антенна, образно, напоминает источник с большим внутренним сопротивлением («батарейку»). Напряжение на выводах есть, а фонарик не светит. Для избавления антенны от резонансных явлений, необходимо из паразитной колебательной системы, удалить один из реактивных элементов L или C. Лучше индуктивность, L.

Все в мире радио начиналось с диполя Герца. Диполь Герца – короткий вибратор с емкостными нагрузками на концах. У такого вибратора распределение амплитуд и фаз токов по длине, одинаковое. Сопротивление излучения [8] , велико, на порядок больше чем у полуволнового вибратора и зависит от емкостной нагрузки, все же, в конечном счете, не от емкости, а от площади короткого вибратора.

Согласно источников, мощность отдаваемая в нагрузку (а нагрузкой является эфир) равна (См. лит.1-7,9).

Pизл. = П * S (Ф10)

Где П – вектор Пойнтинга равный удельной плотности потока мощности

П = Е ´ Н (Вт/М²) (Ф11)

Где Е – В/М; Н – А/М.

S –площадь среды, «эфира» в раскрыве (апертуре) между двумя цилиндрами вибратора занимаемая Е и Н полями.
Iсм. = H*p*D (Ф12)
Uвозб. = E*h (Ф13)

Где h и D средние геометрические размеры поверхности S – диаметр и расстояние между цилиндрами вибратора.

Мощность излучения Pизл. = Uвозб.*Iсм. (Вт) (Ф14)

Удельная плотность потока мощности умноженная на площадь и есть мощность в Ваттах. При неизменной напряженности (не напряжения!), изменяя площадь излучателя можно увеличить излучаемую мощность. Здесь есть предпосылка конструировать толстые короткие вибраторы. Противоречия с законом сохранения энергии нет, так как ток смещения «производная» площади. Увеличивая площадь S, ток смещения увеличивается, но увеличивается и контур тока, а напряженность остается постоянной. Известно, что действующая площадь приемной антенны, характеризует способность последней извлекать энергию из падающей на нее Э.М.В.

Sд. = Pизвл./П (Ф15)

Так как антенна - обратимое устройство, то формула Ф15 тождественна Ф10! Для излучения необходима площадь. Любой вибратор (даже тонкий) длиной до 0,1l не резонансен, а представляет лишь емкостную наг-рузку для генератора. При укорочении и утолщении вибратора, индуктивность L провода антенны, становится исчезающе мала. Емкость С, теперь уже не распределенная, увеличивается, а вместе с нею и ток смещения вокруг вибратора. В емкостной цепи ток опережает напряжение, т.е. они не синфазны, а значит реактивны. Емкостную составляющую вибратора можно скомпенсировать внешней сосредоточенной индуктивностью.

Г.Герц экспериментировал по передаче Э.М.В. в основном с короткими вибраторами, хотя и длинные вибраторы то же им описаны. У А.С. Попова, как нам известно, полноценного передатчика не было. Передатчик ему, на первых порах, заменяла молния. Известно, что спектр излучения гроз имеет максимум, где то, 10 – 500 кГц. и далее с возрастанием частоты, амплитуды гармонических сотавляющих уменьшаются по экспоненте и на частотах выше 20 МГц исчезают. Естественно, короткий диполь Герца (с учетом того состояния и развитиия техники) на таких частотах работать не мог. После экспериментов А.С. Попов остановился на длинных вибраторах Герца. Именно они позволяли уверенно принимать грозовые разряды. Эксперименты с ними дали определенные математические зависимости длин вибраторов от длины волны. Тогда это было актуально. Но традиции, на то они и традиции, что бы жить долго. Наши длинные антенны подобны тем, они очень хорошо принимают и грозы, и промышленные помехи. Повторюсь: - короткий диполь Герца делает это очень плохо. Длинные антенны подобны “рычагу наоборот” – если тянуть за короткое плечо, то силу прикладываем значительную, а толку мало. На образование Э.М.В. в тонкой четверть волновой антенне расходуется всего 1 –3% подводимой к ней мощности! (Данные из нашей литературы) Остальная энергия увы расходуется в н и к у д а.

При первом знакомстве, по литературе, с так называемыми ЕН антеннами, было большое недоверие к ним. Одно только поддерживало любопытство, это их размеры. За век существования радио все, буквально ВСЕ, в нем претерпело изменения, но только антенны, Ахилесовой пятой, оставались громоздкими сооружениями, плохо поддающиеся какой либо миниатюризации. Догма о том, что вибратор должен быть соизмерим с длиной волны, ни кем не подвергалась сомнению, никогда. Книги переписывались многими авторами, но школа у всех была одна, хотя подспудно каждый ощущал дисгармонию, тупик. А тут манюсенькая, «смотреть не на что», антенна, а по показателям не хуже, даже лучше чем полноразмерная. Есть где усомнится в достоверности источника. При первой постройке цель была одна: - пусть эта антенна будет даже хуже полноразмерной, но она же намного меньше. Последнее обстоятельство перебороло. Результат превзошел ожидания и заявленные авторами превосходство в 4 db по сравнению с полноразмерной антенной получаются сразу, хотя еще не все вопросы решены как в конструктивном плане так и с оптимизацией данной конструкции. Здесь нужен коллективный разум.

Резонанс – это отклик, отклик колебательной системы на периодическое воздействие.

Для передачи активной мощности переменного тока резонанс бесполезен, вреден. В подтверждение этого заявления можно обратится к старым справочникам по силовым кабелям, где в характеристиках, по каждому из них, есть пункт указывающий на предельную или критическую длину, длиннее которой кабель применять нельзя. Причина кроется в проявлениях резонансов – паразитных явлений. Поэтому для передачи электроэнергии на значительные расстояния и применяются воздушные линии электропередач, которые по стоимости их устройства, того же порядка что и кабельные. Силовые кабели, нельзя применять «бесконечной» длины даже на промышленных частотах 50 Гц.

В длинных, полноразмерных антеннах подобное явление присутствует всегда и, хотя оно не выводит из строя полотно антенны, все же является бесполезным, паразитным, вредным. Длинная линия для транспортировки, передачи ВЧ энергии вполне хороша, но использование ее тонких проводников для излучения последней весьма неэффективно.

Вспомним как «на заре» машинного кораблестроения пытались применить длинный шнек как движитель. В результате корабль стоял на месте, а машины работали на полную мощность и только случайность, случай, поломка самого шнека, когда от него осталась только маленькая часть привели к желаемому результату. Потом конечно разобрались, теперь это всем известный винт, который несравненно меньше шнека, но насколько он эффективней последнего.

Значит для передачи энергии размеры (длина) не так важны, как форма. Скажете, что подобные аналогии не вполне корректны. Да в этом есть доля правды. Но согласитесь, что рассуждать о неосязаемых, почти абстрактных вещах дело совсем не благодарное, да и подтвердить или опровергнуть их с той имеющейся сейчас номенклатуры приборов, нет возможности. Несколько «не те», эти приборы. Нужны другие решения. Но это другой разговор.

Четвертьволновый вибратор имеет входной импеданс 75, а пространство 377 Ом!

Хм!… Как помнится, из электродинамики, для передачи максимальной мощности, необходимо что бы сопротивление нагрузки (т.е. пространства), было равно сопротивлению источника. Здесь явно «проглядывается» нонсенс, несоответствие. Необходимо согласовать с пространством излучатель. Задумывались ли мы, воспитанники нашей школы, какого значения, какого порядка емкость между плечами проволочного вибратора. Она ничтожно мала. Значит ничтожно малы и токи смещения создаваемые им. Поле возбуждаемое таким вибратором имеет только электрическую компоненту напряженности. В длинных антеннах подводимая Э.Д.С. изменяясь производит магнитное поле, а последнее изменяясь производит первое и т.д. Где то вдалеке (в волновой зоне) в следствии неодинаковых потерь составляющих Э.М.П. их вектора изменяют направление и частично эти поля начинают совпадать по фазе (среда оказывает разное воздействие на разные компоненты полей изменяя их скорость за счет поглощения) и только теперь Э.М.В. имеет активную составляющую и она удовлетворяет условию распространения или вектору Умова-Пойнтинга. Ток в антенне сравнительно мал, так как ничтожно мала емкость между плечами вибратора. Здесь доминирует индуктивность, индуктивность распределенная.



 

Comments   

 
+1 #1 Guest 2015-11-26 23:00
Прошу оценить моё техническое решение применения HZ-antenna на си би диапазон для авто. https://www.youtube.com/watch?v=wHP2gd5Umj4
Quote
 

Add comment


Security code
Refresh