 |
 |
 |
 |
Хорошая антенна - лучший усилитель высокой частоты. Это правило было уже хорошо известно в те времена, когда радиолЕобительство начинало только развиваться. Но и сегодня это высказывание не потеряло своей актуальности. Однако если раньше антенная техника находилась в компетенции [1еболь-шого круга специалистов - ученых и инженеров, то теперь знание антенной техники необходимо в общих чертах для каждого технически грамотного человека, интересующегося антеннами.
Радиолюбители уже давно оценили те результаты, которые дает применение высокоэффективных антенных систем. О том, насколько интенсивно велись разработки в области радиолюбительской антенной техники, можно судить по тому многообразию антенных систем, которое было предложено коротковолновиками.
В этой книге сделана попытка объединить некоторые вопросы теории и практики коротковолновых и ультракоротковолновых антенн в едином изложении, в первую очередь с учетом интересов радиолюбителей. Эта книга может служить в качестве справочного руководства для начинающих радиолюбителей, а также Сыть полезной и для опытных радиолюбителей при построении сложных антенн. Кроме того, в главе «Ультракоротковолновые антенны» приводятся многочисленные сведения по антеннам ультракоротких волн, которые могут быть полезны ультра-коротковолновикам. Для большей простоты и нсности изложения в ряде мест теория излагается в упрощенном виде.
К. РОТХАММЕЛЬ
Глава первая ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1-1. Распространение электромагнитных волн
Энергия, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.
Электромагнитные волны описываются следующими характеристиками.
1.Дли на волны К - кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза электромагнитной волны изменяется на 2п-
2. Частота / - число полных периодов изменения напряженности поля в единицу времени.
3. Скорость распространения волны с - скорость распространения последовательности волн от источника энергии.
Частота электромагнитных волн, скорость распространения и длина волны связаны соотношением Я = c/f.
Единицей измерения частоты является герц (Гц); 1 Гц - одно колебание в секунду, 1 кГц (I килогерц) - 1000 Гц, 1 МГц - (1 мегагерц) - 1000 кГц - I ООО ООО Гц.
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме 300 ООО ООО м/с. Подставляя значение скорости распространения в формулу для длины волны К, м, получаем;
. 300 000 000 м/с
где / - частота, Гц.
Длину волны я, м, и частоту /, кГц, можно определить из следующих формул:
ЗС0ОО0 кмс
300 000 к м/с
Радиосвязь между двумя пунктами, расположенными на поверхности Земли, осуществляется пространственными или поверхностными волнами. Дальность распространения поверхностных волн любительского передатчика средней мощности равна 10 км (максимум 100 км). В радиолюбительской практике поверхностные волны для связи не применяются, так как они распространяются вдоль земной поверхности и в коротковолновом диапазоне испытывают сильное поглощение. Связь на большие расстояния при малых мощностях передатчиков
становится возможной благодаря пространственным волнам, которые етражаются от ионосферы.
Благодаря наличию электрически заряженных частиц проводящие верхние слои атмосферы обладают свойством отражать радиоволны. Область атмосферы, в которой происходит ионизация, называется ионосферой. Существует два четко выраженных максимума ионизации: один на высоте от 90 до 170 км (так называемый слой £), и слой F, который начинается на высоте 200 км и продолжается до высоты 500 км. Слой F расщепляется на два слоя: Fi (от 200 до 300 км) и (от 300 до 500 км). Выше ионосферы находится твк называемая вкзосфера, которая является преддверием космического пространства. Экзосфера еще сравнительно слабо исследована, и только обработка измерений, произведенных при помощи искусственных спутников Земля, птаволила предположить, что концентрация электро-нов в экзосфере значительно выше, чем предполагалось до сих пор. !Самый нижний слой ионосферы, слой D, ежедневно воаинкает на высоте от 40 до 60 км.
Строение ионосферы непрерывно изменяется, и поэтому не следует понимать строение ионосферы (рнс. 1-1) как неподвижную систему расположенных друг над другом слоев. Различаются изменения строения ионосферы, имашиие суточную, годичную периодичность, а также изменения, связанные с периодом солнечной активности. Матсимум солнечной активности совпадает с возникновением на Солаце факелов и протуберанцев и имеет период, равный приблизительно 11 годам. Вследстеие увеличения солнечной активности увеличивается иитстснв-ность коротковолнового светового излучения и происходит более интенсивная ионизация верхней атмосферы. Изменение концентрации электронов в свою очередь приводит к изменению о-фажаюшей способности ионизированных слоев. Годичные и ежедневные изменения шстоя-ння ионосферы становятся объяснимыми, если учесть, что в зимние меся[[ы воздействие солнечного излучения на ионосферу менее длительно и интенсивно, чем в летние; таким же образом сказывается недостаточное ультрааюлетовое излучение в ночные часы,
С10Й D, находящийся в относительно плотных слоях атмосферы, имеет максимальную электронную концентрацию в дневные часы, а с заходом Солнца электронная концентрация быстро уменьшается до нулевого значения. В слое D сильное ослабление испытывают радисжолны средневолнового диапазона, а также длинноволновой части коротковолнового диапазона. Уменьшение дальности распространения в диапазонах 160 и 80 м, а также ухудшение приема средневолновых Станций в дневные часы в основном объясняется поглощением этих волн в слое D. В зимние месяцы, когда слой D ионизирован слабее, наблюдается увеличение дальности распространения этих волн в дневные часы. С10Й Е, находящийся выше слоя D, в ночные часы исчезает частично. Волна длиной 80 м частично поглощается в слое Е, а волна длиной 40 м при достаточной электронной концентрации отражается.
Большое значение для распространения электромагнитных волн имеет слой F, так как благодаря ему увеличивается дальность сиязи на коротких волна:х. В дневные часы слой F под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения распадается на два отдельных слоя Fn ч F\, Основным отражаклцим слоем является слой Fj. Слой Fi не имеет такого значения, д даже, напротив, в нем происхо-
Электронная концентрация - количество свободнык электронов в единице объема ионизированного газа.
дит допояшгтельное поглощение энергии радиоволн, отраженных от слоя Fa-Волны, излучаемые антенной и проникающие в ионосферу, достигнув определенной высоты, на которой электронная концентрация достаточно велика, отражаются обратно к Земле. Чем выше частота волны, тем больше должна быть необходимая для отражения электронная
-350
-200
-150
-100
I I > 1
t I 1 *
Серебристые облика
Кучевые обмака
"- ЗС> Серистые 0:Щувересп облака
Зонды
Ионосфера
Стратосфера
Тропосфера
Рис. 1-1. Строение земной атмосферы.
концентрация. Отражение происходит с потерями энергии, причем волны, имеющие низкие частоты, испытывают большее поглощение, чем волны, имеющие высокие частоты. Так, нолны частотой ниже 2 МГц днем вообще не отражаются, и только при уменьшении электронной концентрации в ночные часы отражение волн этих частот становится возможным. Сверхвысокочэстотные волны не отражаются н днем, а, пройдя С.70И ионосферы, уходят в космическое пространство.
Вследствие изменяющегося строения ионосферы приведенное описание не дает полной картины происходящих в ионосфере процессов; здесь приведены лишь сведения, необходимые для понимания последующих разделов.
Вертикальный угол излучения. Для получения наибольшей дальности связи в коротковолновом диапазоне можно указать определенные оптимальные углы излучения антенны; они зависят от рабочей частоты передатчика, а также от высоты и электронной концентрации отражающего слоя. Из рис. 1-2 видно, какие вертикальные углы излучения следует выбирать для пространственных волн.
Передатчик
Рис. 1-2. Вертикальный угол излучения и его влияние на дальность распространения электромагнитных волн.
Если угол излучения ах относительно большой, то основное излучение антенны, попав в слой и отразившись, возвращается на Землю на сравнительно небольщ-ом расстоянии di от переда1чика. Работа с такой антенной дает уверенную связь на небольших расстояниях, но не дает возможности проводить дальние связи. Атенна с несколько более пологим углом излучения ctg дает значительно большее расстояние (скачок) 2- С увеличением числа скачков увеличивается дальность связи. Однако при этом следует учитывать, что каждый скачок уменьшает энергию радиоволн, так как каждое прохождение через ионизированные слои сопровождается поглош.ением.
Очевидно, что для дальних связей оптимальным является очень пологий угол «3.
Таблица 1-1 Оптимальные секторы вертикального излучения
Диапазон углов опти- | Диапазон углов опти- | ||
Диапазон, м | мального излучения. | Диапазон, м | мального излучения. |
град | град | ||
12-40 | II 15 | 7-20 | |
10-25 | 11 II | 5-14 |
Излучение коротковолновых антенн всегда занимает широкий вертикальный сектор, в пределах которого имеется один или большее число лепестков диаграммы направленности. Конечно, невозможно построить антенну в любительском коротковолновом диапазоне, которая излучала бы электромагнитные волны в резко ограниченном угле, как.
например, в дециметровом диапазоне. Насколько антенна пригодна для дальних связей, можно определить по тому, насколько прижаты к земле основные лепестки диаграммы направленности этой антенны. Вертикальный угол наклона диаграммы направленности сильно зависит от высоты подвеса антенны и проводимости земли. На рис. 1-3 показано, на какие углы наклона а при различных высотах подвеса антенны h можно рассчитывать в каждом любительском диапазоне.
spad
l=h/Z
5"
Питание
Рис. 1-4. Полуволновый вибратор.
Рис. 1-3. Зависимость вертикального угла излучения от высоты подвеса антенны над поверхностью идеально проводящей Земли.
Так как ионосфера подвержена постоянным изменениям, то и оптимальные углы для каждого диапазона изменяются. В табл. 1-1 приведены оптимальные секторы углов излучения, в пределах которых можно рассчитывать на устойчивые дальние связи в каждом любительском диапазоне.
1-2. Полуволновый вибратор
Симметричный полуволновый вибратор показан на рис. 1-4. Он представляет собой прямолинейный цилиндрический проводник, питаемый генератором высокой частоты. Его длина равна половине длины волны излучаемых им электромагнитных волн. Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов. Поэтому, чтобы лучше понять принцип действия и изучить их свойства, необходимо подгюбнее ознакомиться с работой полуволнового вибратора.
Распределение тока ы напряжения. Под воздействием э. д. с. генератора, подключенного к зажимам вибратора, в нем возбуждаются токи и заряды, которые создают электромагнитное поле вокруг вибратора. С достаточной для практики точностью можно считать, что ток и заряды вдо.1Ь провода распределяются в виде стоячих волн, причем на концах вибрагора устанавливаются узлы тока и пучности заряда, как ъто показано на рис. 1-5.
Следует отметить, что вместо распределения заряда вдоль провода вибратора часто говорят о распределении напряжения. Такую замену нельзя считать правильной, однако здесь мы сохраняем понятие напряжения как более привычное. Из приведенного рисунка станонится ясным, почему возможно соединение эле.ментов УКВ антенн (например, антенны «волновой канал») в их геометрическом центре с металлической конструкцией мачты. В центре полуволнового вибратора находится
[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52