Скорость, длина волны.

 

Все антенны, предназначены для излучения или приема энергии электоромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

Для описания радиоволн, пользуются следующими характеристиками.

Частота f - число полных периодов колебаний, за единицу времени.

Длина волны λ(лямбда)- расстояние, на которое распространяется волна, за время, равное одному периоду колебания.

                    Т(сек)= 1/f(Мгц)

Скорость распространения радиоволн

 С= 300000 км/сек

 Расстояние от Земли до Луны, 380000 км, волна проходит почти за одну секунду.

Частота волны , ее скорость и длина волны , связаны соотношением

 λ= С/f(Гц) = 300/f(Мгц)

Чем выше частота, тем короче длина волны.

Например, длина волны, для частоты 14Мгц, равна

λ = 300/14= 21.43 метра

Радиолюбители называют этот диапазон - ,,двадцатка,,

Все эти формулы , являются основополагающими, базовыми в теории антенн, и их необходимо помнить и уметь применять на практике. Без четкого и ясного понимания этих формул, невозможно понять работу антенн и линий передач.

 

 

Емкость, индуктивность, реактивность.

 

Емкость. Думаю, что всем знакомо, из школьного курса физики, что такое электрическая емкость(конденсатор)и ндуктивность(катушка).

Конденсатор - две обкладки, изолированные друг от друга каким-либо изолятором(воздух, слюда, керамика и т.д.) К этим двум обкладкам , прикладывается напряжение от внешнего источника. Конденсатор абсолютно не пропускает постоянное напряжение, т.е. напряжение, частота которого равна нулю, но он способен пропускать переменное напряжение, т.е. если к обкладкам приложить переменное напряжение от генератора, передатчика и т.д. , то через конденсатор потечет переменный ток. Величина этого тока, будет зависить от величины емкости, от частоты, величины напряжения, приложенного к конденсатору и величины нагрузки, подкюченной к конденсатору. Чем больше емкость и выше частота напряжения и меньше нагрузка, тем больший ток будет протекать через емкость. Иными словами, конденсатор, для переменного тока, эквивалентен сопротивлению, причем, чем выше частота или чем больше емкость, тем ниже сопротивление. Это сопротивление называется реактивным или емкостным и обозначается как Хc. Формула для вычисления емкостного сопротивления:

 

Хc= 1000000/(6.28fC)

 

где f-частота в Мгц; С-емкость в пФ

Например, емкость 150 пФ , для частоты 21 Мгц будет иметь сопротивление 50.5 Ом. Величине ХC , условно, присвоен знак минус. Запомним это.

Конденсаторы существуют искусственные и естественные. Искуственные емкости - емкости производимые для использования в различных электронных схемах. Естественные емкости, это, например, емкость антенный провод-земля, или емкость между двумя проводами, плечами антенны и т.д. Эта емкость, оказывает воздействие на работу антенны.

 

Индуктивность. Катушка индуктивности, представляет из себя отрезок провода, намотанный на какой-либо сердечник, обычно диэлектрический. Катушка, в отличии от конденсатора, свободно пропускает постоянный ток, но для переменного тока, она представляет собой сопротивление. Это сопротивление тем выше, чем больше частота напряжения, прикладываемого к концам катушки и чем больше индуктивновсть, количество витков. Сопротивление это, называется реактивным или индуктивным. Формула для вычисления индуктивного сопротивления:

 ХL= 6.28fL ,

 где f-частота в Мгц, L-индуктивность в мкГн. Например, для частоты 7 Мгц, индуктивность 3 мкГн, эквивалентна сопротивлению 131.9 Ом. Для катушки, характерно сопротивление потерь, т.к.провод катушки имеет омическое сопротивление. Его величина- доли или единицы Ом.

Обратите внимание, что , если у конденсатора, сопротивление уменьшается с увеличением частоты, то у катушки-наоборот, оно увеличивается. Величине ХL, условно, присвоен знак плюс, что также надо запомнить.

Поскольку конденсатор имеет отрицательный знак реактивности, а индуктивность - положительный, при последовательном включении конденсатора и катушки, у которых реактивности равны по модулю, т.е. без учета их знака, эти реактивности взаимно компенсируются, уничтожаются. Как в математике, если мы суммируем например +100 и -100 мы получим нуль в результате.

Как мы узнаем далее, конденсаторами и катушками, могут также быть и линии передачи.

Емкость и индуктивность, являются основными в теории антенн, поэтому надо хорошо понимать их работу.

 

 

Параллельный и последовательный резонанс.

 

Это явление в радиотехнике ипользуется очень широко. В теории антенн оно является базовым, т.е. на резонансе, основана работа антенн, поэтому это явление, мы рассмотрим подробнее.

Резонанс бывает последовательный и параллельный. Разберем, сначала, последовательный резонанс. На рисунке ниже изображена схема последовательного контура, состоящая из емкости С, индуктивности L и условно показаного сопротивления потерь катушки R(сопротивление провода катушки).

На рисунке справа дана АЧХ(амплитудно-частотная характеристика) для емкости, индуктивности и импеданса(суммарного входного сопротивления)всей цепи последовательного контура. Мы видим, что постепенно, с увеличенем частоты f, ХC падает, а ХL растет, как было ранее рассмотрено. В определенной точке, их графики пересекаются. Эта точка, и будет частотой последовательного резонанса. Физически, это означает, что емкостное и индуктивное сопротивления последовательного контура, становятся при резонансе равными по модулю, по значению, но они сохраняют свои знаки- плюс и минус. Следовательно,как в математике, эти реактивности взаимно компенсируются, уничтожаются для частоты резонанса и в результате, в цепи остается только небольшое активное сопротивление R, что приводит к резкому возрастанию тока в последовательном контуре, а значит, к низкому значению входного импеданса цепи. При последовательном резонансе, ток в контуре :

I= U/R

 

Последовательный резонанс, лежит в основе работы почти всех антенн, поэтому, надо четко представлять себе этот процесс, для дальнейшего понимания работы антенных устройств. На основе последовательного резонанса, работают почти все антенны(полуволновые диполи и их разновидности, четвертьволновые вертикалы, квадраты, дельты, Яги и т.д) Эти антенны представляют собой не что иное, как последовательный контур, который имеет не сосредоточенные элементы L, C, R, а распределенные в пространстве, где L - индуктивность провода антенны, С - паразитная емкость между плечами антенны, R - активное сопротивление провода, которое обуславливает потери антенны. Такая антенна ведет себя аналогично контуру.Поскольку паразитная емкость С, образованная двумя плечами антенны, размещена в простанстве, то ток, идущий через эту емкость, будет распространяться в окружающую среду. Причем ток, будет максимальным в той части антенны, в которой ее импеданс наиболее низкий. Для полуволновых типов излучателей, это средняя часть полотна антенны. С удалением от центра к концам излучателя, импеданс растет, а значит ток падает. Вместе с ним падает и излучение. Отсюда можно сделать важный вывод:

антенна излучает той частью полотна, по которой протекает больший ток.

Именно ток важен в излучении антенны. Запомним это.    

Теперь разберем параллельный резонанс. Этот резонанс, не является основным в работе антенн, но знать его особенности нам все же надо.

На рисунке ниже изображена схема параллельного колебательного контура.

 

АЧХ для XC и ХL и тока в цепи, показаные на рисунке справа, абсолютно аналогичны предыдущему случаю. Не вдаваясь особенно в подробности, можно выделить только основные особенности параллельного резонанса:

 

  • при резонансе, входной импеданс цепи, резко возрастает до значений 1000 Ом и выше, а ток резко уменьшается. Параллельный контур, при резонансе, становится эквивалентен большому сопротивлению.

 

Основное отличие последовательного резонанса от параллельного, выделено красным шрифтом.

Как же используется параллельный резонанс в антенной технике, если импеданс антенн, в основном, достаточно низкий?

Иногда, применяются вибраторы,питаемые с конца, импеданс которых этой точке питания, очень высокий, и составляет 1кОм и выше. Но у нас имеется кабель 75 Ом или 50, который нам надо согласовать с вибратором, поскольку сопротивления 1кОм и 75 Ом слишком сильно отличаются. Для этой цели используется параллельный контур. Его включают одним выводом к антенне, а второй его вывод подключен к оплетке кабеля. Жила кабеля подключается к отводу катушки. Отводы катушки считаются от вывода катушки, который соединен с оплеткой кабеля.

Как рассчитать отвод катушки? Все просто. Коэффициент трансформации катушки с отводом, будет равен квадрату отношения количества витков всей катушки к количеству витков, от которого сделан отвод.

Пример:

Катушка содержит 20 витков. Мы сделали отвод от 5-го витка. Тогда коэффициент трансформации будет

К= (20/5)2 = 16

Это означает, что волновое сопротивление нашего кабеля 75 Ом, можно трансформировать(повысить) в 16 раз, и оно окажется равным 1200 Ом. Это позволит нам работать с высокоомной антенной, используя обычный кабель. Если вам нужен коэффициент трансформации 4, то надо кабель подключить к середине катушки, и т.д.

Естественно, что катушка должна быть настроена в резонанс с рабочей частотой. Как мы уже знаем, только в этом случае мы получим максимальное напряжение на выводах катушки.

Эти упрощенные основы, надо хорошо усвоить, поскольку они являются базовыми в теории антенн.