Назначение и направленные свойства антенн

Антенна- это устройство, предназначенное для излучения (испускания, «распыления») и приема (поглощения, «улавливания») электромагнитных волн. Однако аналогичные устройства используют и при работе с упругими волнами, в частности, звуковыми.

Антенна преобразует колебания в свободные волны (или наоборот) и излучает (принимает) эти волны в определенных направлениях (с определенных направлений) в соответствие со своей диаграммой направленности. Волны между антенной и генератором (приемником) распространяются по фидерной линии (энерговоду) в виде связанных, «бегущих» по нему, волн.

Передающей антенной связанные волны, поступающие от возбудителя колебаний - генератора, преобразуются в свободные, которые затем излучаются («распыляются») и распространяются в свободном пространстве. Приемная антенна осуществляет обратные действия - улавливает свободные волны и преобразует их в связанные, которые затем передаются в приемник, где снова превращаются в колебания.

Строго говоря, абсолютно свободных волн нет, как и нет абсолютно свободного пространства. Поэтому распространясь даже в, якобы, свободном пространстве волны являются связанными со средой, хотя и в несоизмеримо меньшей степени, чем с энерговодом.

Если любое ЕДИНСТВО действительно является частицей-волной, то «уловители» и «распылители» любых частиц-волн, а не только электромагнитных, можно также назвать антеннами.

Антенной, в принципе, может служить любая, причем не только вещественная и видимая, но и полевая, и невидимая форма, способная «улавливать» - принимать или «распылять» - излучать энергию того или иного вида. Но улавливать энергию может только незаполненная, «пустая», форма, имеющая недостаток энергии данного вида. А «распылять» - только переполненная форма, имеющая избыток энергии. Незаполненная и переполненная форма - это, как уже было показано, своего рода энергетическая «вогнутость» и «выпуклость», соответственно. В первой плотность энергии определенного вида меньше, чем в сообщающемся с ней пространстве, а во второй - больше.

Энерговоды, используемые в антенной технике [29], показаны на рис. 4.1 (поз.1).

Аналогичную форму имеют многие устройства, созданные Природой и человеком. И хотя большинство из них энерговодами не называют, но они фактически могут ими стать, если в окружающей их среде появится тот вид энергии, движение которой они способны направить. В принципе, энерговодами могут служить естественные и искусственные элементы, имеющие не только аналогичную конструкцию, но и многие другие формы.

К искусственным конструкциям, способным служить энерговодами, относятся многие строительные элементы, включая разные трубы и прокатные профили. К природным - русла рек; корни, стволы и ветки растений; пещеры и многое другое, включая слои атмосферы разной плотности, являющиеся, как известно, атмосферными волноводами для определенного диапазона волн (см. рис. 4.1, поз.2).

Любой энерговод всегда выступает и в качестве антенны, хотя коэффициент усиления такой антенны может быть бесконечно малым. Это является следствием того, что абсолютно замкнутых систем ни человеком, ни Природой не создано, а любая, хотя бы чуть-чуть приоткрытая для энергии того или иного вида система уже является антенной. Хорошей антенной является открытый энерговод, например, колебательный контур. В замкнутом контуре энергия, изменяясь с определенной частотой во времени, колеблется в малом промежутке пространства. Но если контур «открыть», то эти колебания «растянутся» в пространстве, образуя волны, а колебательный контур превратится в антенну.

Свободная электромагнитная волна, как уже было сказано, - это система замкнутых контуров (см. рис. 2.1, поз.2), внутри которых циркулирует электрический ток - поток электронов. Электрические контуры создают вокруг себя замкнутое магнитное поле, состоящее из множества магнитных «колец», расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости электрического контура. Магнитные «кольца», в свою очередь, создают электрические и т. д. В результате, образуется движущееся поле, состоящее из «нанизанных» друг на друга и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях «колечек». Каждое из этих «колечек» можно рассматривать как замкнутый контур, в котором «бьются» стоячие волны, создавая на его поверхности выпуклости и вогнутости. Образование видимых нам единичных «колец», которые «дышат», может продемонстрировать опытный курильщик, резко выдыхая дым. Аналогичные частицы-волны можно «выбивать» и из аппарата «Тэты» [4].

Аппарат «Тэты» - это деревянный ящик, в котором вместо одной стенки натянута плотная материя (мембрана), а на противоположной стенке вырезано отверстие. При резком ударе по мембране воздух (его следует подкрасить, чтобы он стал видимым) выбрасывается из отверстия в виде вращающегосякольца.

Направленные свойства антенн - способность концентрации (усиления) частиц-волн в определенных направлениях путем создания из них узких пучков (лучей) или других, иногда очень сложных, форм, проявляются, как известно, в том случае, когда их размеры значительно превосходят длину волны. Однако направленностью, хотя бы небольшой, обладает практически любая антенна. На направленные свойства распространяется принцип взаимности, из которого следует, что направленные свойства антенны при ее работе в режиме передачи и приема одинаковы. Направленное испускание частиц-волн позволяет без увеличения мощности передатчика в десятки, сотни, тысячи и даже миллионы раз увеличивать концентрацию частиц-волн в определенных направлениях и (или) без увеличения чувствительности приемника усиливать ослабленный во столько же раз сигнал, приходящий с тех же самых направлений. Направленные свойства антенны определяются ее диаграммой направленности.

Аналогом, хотя и далеким, направленных «антенн» могут служить большие предприятия. Они в часы «пик» «улавливают» или «испускают» большое количество людей, увеличивая в определенных направлениях плотность людских потоков. В данном случае реализуется и принцип взаимности - потоки людей и при «улавливании» их предприятием, и при «испускании» будут примерно одни и те же, но направленные в противоположные стороны.

Диаграмма направленности (ДН) [2] определяет характер распределения в пространстве мощности электромагнитного поля, излучаемого (принимаемого) антенной.

Из определения следует, что, в общем случае, ДН определяет распределение в пространстве энергии, направление ее движения, т. е. направленные свойства. Она представляет собой своего рода распределительную сеть. Поэтому ДН имеет любая система, способная определенным образом направлять (распределять) те или иные виды энергии, частицы-волны того или иного диапазона. Любая сеть энерговодов также является своего рода ДН.

Океанские и воздушные течения; орбиты, комет, планет, звезд и др.; путь на работу и обратно; сеть всевозможных силовых линий, включая магнитные; и многие другие сети являются своего рода ДН. Для автомобилей - это сеть автомобильных дорог, а для поездов - железнодорожных. Для воды - сеть водоемов и пустот в земной коре, включая пещеры и подземные реки, водопроводная сеть и др. Для самолетов - воздушные трассы. Для электрического тока и газа - электрическая и газовая сеть, соответственно. Для энергии, обеспечивающей жизнедеятельность человека и животных, - это в основном нервная, кровеносная, лимфатическая и пищеварительная системы. Все эти системы (и не только они), подобно водопроводной или газовой сети или автодорожной системе, в определенные промежутки пространства-времени могут быть наполнены частицами-волнами того или иного вида, но могут наполненными и не быть. ДН определяет лишь возможность движения энергии по той или иной распределительной сети, а не саму энергию и ее движение.

Диаграмма направленности является, как известно, одной из основных характеристик антенны. Форма ДН и «протяженность» (дальность действия) ее отдельных лепестков, в первую очередь, определяется, как известно, конфигурацией и плотностью рабочей поверхности антенны, а так же ее размером в длинах волн («удельной взаимодействующей поверхностью»). Зависит она и от пространственной ориентации волны (поляризации), от параметров окружающей среды, от типа самой волны и многого другого. Известно бесконечное множество форм ДН, соответствующих тем или иным антеннам при их работе на тех или иных длинах волн. Многие из них можно рассчитать с большой точностью, но что представляет собой невидимая нам ДН, «наполненная» энергией, включая ДН антенн, предназначенных для приема-передачи электромагнитных волн, остается не совсем ясным. Поэтому попробуем это выяснить с учетом сделанного ранее предположения, что заряды, определяющие распределение энергии в пространстве, - это энергетические «выпуклости» и «вогнутости».

Абсолютно «пустого» пространства, как уже было неоднократно отмечено, в природе не обнаружено. Любое пространство, включая вакуум, с той или иной плотностью заполнено как относительно стабильными («покоящимися»), так и нестабильными (действующими, движущимися, изменяющимися) частицами-волнами, большинство из которых остается для нас невидимыми. Поэтому любая форма, внесенная в любое пространство, как и любое тело, опущенное в воду, совершенно определенным образом его искривляет - перераспределяет заполняющие его частицы и квазичастицы. В общем случае она перераспределяет энергию. В результате образуются новые энергетические потоки и новые энергетические формы - «выпуклости» и «вогнутости», которые тут же заполняются энергией, имеющейся в окружающей среде, до тех пор, пока система не придет в состояние статического или динамического равновесия. Если же в данном промежутке пространства-времени какого-либо вида энергии, способной заполнить данную энергетическую сеть, нет, но со временем она появляется, то эта энергия распределяется в соответствии с подходящими для нее и сообщающимися между собой «пустотами», способными ее поглотить, т. е. по определенной диаграмме направленности. И это не зависит от того, с какой стороны данная энергия «течет» - изнутри или снаружи. Это же относится и к антеннам. ДН, «заполненная» электромагнитными или какими-либо другими полевыми частицами-волнами, в свою очередь, также является своеобразной энергетической формой - антенной-невидимкой. Она также искривляет пространство, перераспределяя его энергию (частицы-волны) и создавая новые энергетические «выпуклости» и «вогнутости» - очередную распределительную сеть, ДН следующего порядка. И т. д.

Гипотеза 4.1: Диаграмма направленности, в общем случае, - это некая энергетическая форма, создаваемая телом за счет изменения им кривизны пространства, создания энергетических «выпуклостей» и «вогнутостей» путем перераспределения покоящихся и (или) движущихся вещественных и полевых частиц и квазичастиц разной формы, размера и конфигурации. Форма незаполненной диаграммы направленности определяется расположением сообщающихсяпространственно-временныхэнергетических «пустот» (заполненной - расположением уплотнений), размер которых соизмерим с размером тех или иных частиц-волн или больше их, а энергетическая пространственно-временная плотность поверхности (или объема), ограничивающей эти пустоты, не позволяет данным частицам-волнам пройти сквозь нее совершенно свободно.

Примером видимой нами «вогнутости», ограниченной непрозрачной для определенных частиц-волн поверхностью, может служить как «тарелка» антенны НТВ, так и самая обычная тарелка или дуршлаг. Для того, чтобы антенна (и не только антенна), имеющая ту или иную ДН, из «мертвой» превратилась в «живую» (действующую), необходимо вдохнуть в нее «душу» - наполнить частицами-волнами. И не любыми, а теми, с которыми она способна взаимодействовать - улавливать и испускать, причем определенным образом.

Изображение диаграммы направленности может быть пространственным или плоским (в полярной или прямоугольной системе координат). При плоскостном изображении чаще всего приводят ДН в наиболее характерной плоскости сечения или в двух главных взаимно перпендикулярных плоскостях. Пространственное изображение является весьма сложным и трудоемким, поэтому чаще используют плоскостное.

На рис. 4.2 показано пространственное и плоскостное (в полярной и декартовой системе координат) изображение игольчатой и веерной диаграммы направленности (поз.1), а также несколько пространственных ДН разной формы (поз.2-4), которые аналогичны многим хорошо известным вещественным формам, включая и форму некоторых антенн.

На рис. 4.3 приведено схематическое изображение и плоскостные ДН нескольких типов антенн [32]-[36]: вертикального четвертьволнового вибратора, расположенного над экраном (поз.1); тонкого углового вибратора (полуволнового и волнового), имеющего разный угол между плечами (поз.2); трех цилиндрических спиральных антенн (поз.3), имеющих разные размеры в длинах волн; симметричного вибратора, имеющего разный размер в длинах волн и разную толщину (поз.4); биконической антенны, имеющей разный размер в длинах волн (поз.5); толстого углового вибратора, имеющего разный размер в длинах волн (поз.6); диэлектрической стержневой антенны (поз.7); проволочной ромбической антенны (поз.8); антенны, состоящей из вертикального вибратора и трех радиальных проводов (поз.9), антенны из четырех радиальных вибраторов, расположенных на поверхности цилиндра (поз.10); а также (внизу) ДН разных антенн, форма которых наиболее типична. Соответствующие пространственные ДН являются, как правило, телом вращения плоскостной ДН вокруг оси симметрии.

Направленные свойства многих антенн в сильной степени зависят от наличия или отсутствия экрана. Если, например, горизонтальный или вертикальный вибратор расположить на определенном расстоянии от проводящего экрана, то это равносильно появлению еще одного (виртуального) вибратора, который, являясь всего лишь зеркальным отражением первого, влияет на распределение поля вполне реальным образом. В результате ДН получается такой, как будто бы это система, состоящая из двух реальных вибраторов. Отражающим экраном, особенно на длинных и средних волнах, зачастую служит земля, на коротких и ультракоротких волнах чаще всего делают металлические экраны, которые могут быть сплошными или сетчатыми. Иногда их делают и лучеобразными. Чаще всего экраны используют для создания одностороннего излучения. Направленные свойства в сильной степени зависят и от размера экрана. Например, приведенная на рис 4.3 (поз.1) ДН четвертьволнового вертикального вибратора при наличии бесконечного экрана представляет собой сплошное воронкообразное тело (пунктир). При конечном экране это тело состоит из нескольких слоев (лепестков) и напоминает по форме чашечку многолепесткового цветка.

Если мысленно представить пространственные формы приведенных плоскостных ДН, то многие из них окажутся похожими на те или иные видимые объекты окружающего нас мира, а многолепестковые ДН, чаще всего, похожи на цветы. Многообразие форм цветов известно каждому, а многообразие форм ДН вообще не поддается исчислению. Однако даже среди небольшого количества ДН, приведенных на рис. 4.2 и 4.3, можно найти ДН весьма близкие по форме, хотя они и принадлежат конструктивно разным антеннам.

Принципиальное отличие антенн от многих других устройств, как уже было сказано, состоит в том, что антенны являются устройствами ввода–вывода энергии, т. е. своего рода окнами. Поэтому они, как правило, расположены на границе сред («миров») и открыты для обозрения. Кроме того, даже по одному внешнему виду антенны опытный специалист зачастую может определить многие ее параметры, включая главные, - возможный рабочий диапазон и направленные свойства.

Если любое ЕДИНСТВО действительно является приемо-передающим устройством для частиц-волн тех или иных видов и диапазонов, то оно одновременно является и антенной, чаще всего, бесконечным множеством антенн. Поэтому именно антенны помогут нам наиболее быстро определить основные параметры каждого ЕДИНСТВА. Но для этого из бесконечного разнообразия антенн необходимо выделить те, которые нас интересуют в каждом конкретном случае, так как антенной - уловителем и распылителем энергии того или иного вида является любая, хотя бы чуть-чуть открытая система. Но так как абсолютно замкнутых систем в реальном мире не обнаружено и человеком не создано, то антеннами является все СУЩЕЕ.