Антенна – движитель электромагнитной волны

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.

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.

… для избавления антенны от «паразитной» (конечно это режет слух) колебательной системы в ее полотне, необходимо "удалить" один из реактивных элементов L или C, лучше L. Паразитную индуктивность устраняют укорочением вибратора. Остается только емкость. С одной емкостью без индуктивности, колебательная системы нет, она исчезла, нет и резонансов. Для увеличения емкости и соответственно токов смещения, вибратор утолщают. Образуется цепь только из емкости. Емкостную составляющую вибратора, необходимо компенсировать сосредоточенной индуктивностью катушки, узла согласования и тогда цепь вибратора превращается в активное сопротивление потерь, потерь на излучение.

...с увеличением площади цилиндров увеличивается активная составляющая CR цепи (доля R), т.е. потери на излучение. Поэтому индуктивность для компенсации емкости требуется меньшая, это заметно по уменьшению количества витков в компенсирующей катушке...

Цепь с распределенной индуктивностью отличается от цепи с сосредоточенной. Если по входным клеммам они идентичны т.е. представляют для генератора одинаковую, эквивалентную нагрузку, то по природе они различны, одна - функция времени распространения, другая - Э.Д.С. самоиндукции…

Распределенную индуктивность (точнее ее действие) невозможно скомпенсировать сосредоточенной емкостью, так как действие последней может распространиться только на длину до 0.1λ.Токи смещения ввиду малой «меж плечевой» емкости вибратора малы и несинфазны между собой и вдоль полотна, да еще паразитные резонансы проявляются, реактивные токи которых являются главными «производителями» потерь на тепло. Квазистационарное поле вокруг вибратора определяется, в основном, подводимым к полотну напряжением от генератора, именно оно, изменяясь, производит магнитное поле. На среду (в данном случае) воздействует только электрическая компонента Э.М.П., так как фаза произведенного магнитного поля сдвинута на 90 градусов т.е. ток не синфазен с напряжением, что соответствует нулевой мощности. Но индуцированное электрическим полем магнитное уже не успевает возвращаться в антенну и на значительном удалении от излучателя, в следствии потерь, направление векторов Е и Н изменяют направление и эти поля (как сказано выше), частично, совпадают по фазе. Отсюда и те незначительные проценты (сказанные выше)идущие на образование Э.М.В.

На характеристики такой антенны влияет ВСЁ, и высота подвеса, и материал мачты, траверсы, длина оттяжек и их материал, проводимость почвы, наличие растительности и строений, погода и т.д.

Короткий, толстый вибратор является эквифазной и эквипотенциальной поверх-ностью. Плечи такого вибратора это уже площадь, емкость. Токи смещения имеют большую величину. При полной компенсации емкостной составляющей вибратора Э.М.П.имеет чисто активную составляющую потерь, потерь на излучение, т.е. полезных потерь.

В таком вибраторе магнитное поле и электрическое вместе, синфазно воздействуют на среду, возбуждая Э.М.В. Естественно пространственно магнитное и электрическое поля геометрически расположены под 90 градусов, но они синфазны.

Iсм.= Cвибр.*2π*f

Ток смещения в апертуре вибратора, прямо пропорционален емкости и частоте. На первый взгляд величина напряжения не влияет на ток смещения. Попробуем разобраться с этим. Частота f= dU/dt*2ח -скорость изменения напряжения или производная функции. При неизменной частоте см.рис фаза (фронт) нарастания или убывания при разных напряжениях имеет разную крутизну, что говорит о разной скорости изменения функции, то бишь производной.

Для такой антенны необходимо повышенное напряжение питания.

…расчет емкости вибратора несколько затруднен, ввиду разнообразия фигур образующих диполь… одной общей формулы для вычисления токов смещения быть не должно

…антенна принимает мощность Э.М.В. и отдельно на напряженность электрического и магнитного поля реагирует слабо, поэтому настраивать на прием в железобетонном помещении такую антенну на прием не стоит, можно ошибиться. Хорошо ведет себя такая антенна особенно при приеме местных станций работающих на полуволновой диполь, так как в относительной близости от длинных антенн преобладают Е поля, электрическая компонента сигнала. Сила сигнала от таких станций падает значительно, а дальние остаются на том же уровне и еще уменьшение общего шума.

Здесь предпочтительнее увеличивать толщину, емкость вибратора, а не длину так как с увеличением последней увеличивается доля шумов.

Увеличивая емкость вибратора, тем самым, увеличивают токи смещения в пространстве вокруг него, но саму емкость лучше увеличивать «за счет» увеличения площади, а не длины, так как длина увеличивает долю шумов.

Значит длинные, толстые цилиндры, хоть и весьма технологичны, но не оптимальны.

Две параллельные пластины обладают наибольшей емкостью, но в такой конструкции слаба связь с пространством. Оптимальным, напрашивается быть - биконус или би пирамида, призма, в которых есть и емкость, и раскрыв.

Все это говорит о том, что данная короткая антенна не полевая, а потоковая DB. DB предпочтительней употреблять вместо ЕН, так как последние величины, это величины удельные. В такой антенне излучается мощность, энергия, (она возбуждает среду) а не одна из компонент Э.М.П.

… Концепция короткой потоковой антенны полностью соответствует классической теории, ничего придумывать не надо, а разумней шире (свободнее) использовать ее в практике.

Какие пути воплощения просматриваются?

Антенна представляет из себя цепь с большим сопротивлением потерь на излучение. Это и определяет ее модель, формулу. С учетом сказанного выше просматривается конструкция состоящая из объемного вибратора соединеного с повышающим трансформатором (все это уже было!,это трансформатор ТЕСЛА) и компенсирующей индуктивностью. Оригинальное решение применил RA3OZ В.Дудко. Он запитал свой вибратор через полуволновый повторитель длиной около 27 метров, при этом входное сопротивление вибратора передается к выходу трансивера или согласующего устройства в котором оно не только трансформируется, но еще с помощью дополнительного вариометра компенсируется. Вот пример хорошего решения при котором не надо лезть на мачту для настройки, а в комфорте домашнего дивана настраивать антенну на разные диапазоны.

Тэд Харт предложил замечательную антенну – короткий, толстый вибратор, много меньше длины волны (см.10 и 11) » 0,01l. На слуху это «баночные» антенны, но последнее обстоятельство сути не меняет. После беглого опробования, скепсис быстро улетучился и взглянуть пришлось более внимательно. Это диполь Герца плюс мост Бушеро – Ширэ [см.8]. Эта антенна действительно хороша. Этот тандем сокрушил некоторые, казалось бы, нерушимые истины. Заявленные показатели антенны соответствуют, проверено. В виду малых размеров вибратора токи распределены равномерно, фазы начала и конца вибратора одинаковы. Антенна не резонансна. И, все-таки, это диполь Герца, у которого емкость вибратора скомпенсирована индуктивностями моста см. рис.4.

РИС.3 Изменение диаграммы направленности горизонтального вибратора длиной l, от высоты подвеса.

РИС. 4. – амплитудно-временная (фазовая) диаграмма распределения, по короткому вибратору, токов смещения и их векторная “картина”.

a).    б).   в).

В схеме применен мост Бушеро – Ширэ (известный еще с позапрошлого века; см.[8]) этот мост отлично согласует и симметрирует, практически, любые антенны см. рис. 4 в).

О некоторых теоретических предпосылках, с Тедом Хартом, можно поспорить, но результат у него получился хороший. Хорошо “летают” только красивые антенны. Начнем спорить и восхищаться.

Версия – гипотеза, (в том виде в каком она дошла до нас по интернету) главная концепция EH антенны о том, что ток и напряжение индуктивностями сдвигается так, что находятся в фазе и одновременно возбуждают Э.М.В., мне кажется, «не прокатывает», так как в длинных антеннах мы всегда стремимся к тому же. Бегущая волна и минимальный К.С.В. подтверждение нашим сомнениям, ток и напряжение совпадают по фазе, а в пространстве, геометрически расположены под 90 градусов. Результат, правда, разный. В длинных антеннах на долю бегущей волны приходится не вся подводимая энергия, а только ее часть. В коротком, толстом вибраторе излучающим элементом является объем тока смещения в пространстве с напряжением находящимся с ним в фазе.

Согласно теории Максвелла …ток проводимости переходит в равный ему ток смещения… В EH антенне емкость цилиндров ОБРАЗУЕТ, ПОРОЖДАЕТ, СОЗДАЕТ сопротивление потерь, потерь на излучение, Re - сопротивление излучения. В объеме, раскрыве, апертуре энергия, имеет активную природу, поля электрическое и магнитное одновременно воздействуют на среду, возбуждая Э.М.В. в ней. ( См. рис.5).

РИС.5  а) - эквивалентная схема короткого толстого вибратора с цепью согласования L. б) - виртуальная картина «образования» сопротивления излучения толстым вибратором.

а) б)

В такой антенне нет резонансов, ее «внутренний» колебательный контур вырожден полностью или почти полностью. В EH антенне достаточно большая активная составляющая входного сопротивления, образуемая емкостями цилиндров, последние и определяет токи смещения. Это сопротивление (активное) доминирует, преобладает значительно над остальными. В этом вибраторе нет распределенной индуктивности! Это важно.

Емкость цилиндров компенсируется индуктивностями моста. Удлиняя цилиндры в EH антенне, тем самым увеличивают ток смещения. Сопротивление излучения (согласно закону Ома уменьшается), но напряженность полей растет. Наблюдается некоторая зависимость, пропорция между током и напряжением. Для максимально возможной колебательной способности вибратора необходимо соотношение полей Е и Н, так как среда имеет своё сопротивление для Э.М.В. Для любой работы необходима мощность.

Для приема, такая антенна, это то же, чисто активное звено. Энергия наводимая в такой антенне не переизлучается, так как нет Rое. …известно что резонансные антенны половину наводимой энергии переизлучают… Для Э.М.В. такая антенна является “Абсолютно черным телом” (общефизическое понятие) т.е. поглощает весь приходящий поток энергии.

В статье, Харт, вначале утверждает, что эффективность излучения мало зависит от раскрыва, а далее в тексте сам себе противоречит. Там же, у него, формула излучаемой мощности P=E´H – это не так, P=U*I=(E´H)*S=П*S ; П=E´H – удельная плотность потока Э.М.В., вектор Пойнтинга, а П*S - тяговое усилие электромагнитного излучения, которое испытывает вибратор, т.е. реактивное давление, согласно электродинамики. Вектор Пойнтинга – это наше любимое правило «буравчика».

Далее в тексте … сопротивление излучения ЕН антенны не зависит от частоты или размеров… последнее то же не корректно, как раз наоборот, от размеров очень зависит.

Показанные, Тедом Хартом, антенны длиной в 1% от длины волны - нижний эффективный предел. На мой взгляд такие антенны в верхнем пределе ограничены 10%, т.е. 0,1l, хотя говорить о длине волны в таких антенах бессмысленно. Какая может быть длина волны у активного сопротивления? С увеличением длины цилиндров, сужается диаграмма направленности антенны, что тоже делает ее привлекательной.

И все же, концепцию ЕН антенны, … совмещение тока и напряжения…, считаю надуманной, но по сути, по цели, правильной. Зачем их совмещать, если простым вырождением образующегося контура и компенсацией емкостной составляющей, достигается та же цель?

Хорошую антенну предложил Тэд Харт! Что значит взглянуть на привычные вещи нетрадиционно! Не все еще сделано на К.В.! Бум малых антенн еще не начался, но настанет непременно. Перешагнуть этот порог, порог устоявшихся традиций и сбросить тяжесть прошлых знаний – нелегко. Знания, порой, не дают, ограничивают свободу мысли.

…к 1895 году, в мире, великие умы стояли на пороге открытия радио. Идея витала в воздухе, многие теоретические вопросы были решены ими, но тяжесть прошлых знаний не дала им сделать первыми этот шаг. Как известно А.С. Попов взглянул на все это нетрадиционно. Весь мир мгновенно оценил и подхватил эту идею, тем более, что теоретическая база была.

Теоретическая база традиционных антенн не вступает в противоречие с, казалось бы, новым их собратом. Новые антенны, только, дополняют старую, неохотно читаемую теорию. Антенна – это две задачи: - электрическая и электродинамическая. С первой задачей, согласования генератора с антенной, подавляющее большинство радиолюбителей справляется, К.С.В – метры уже представляют все. Вторую, основную задачу «согласования» антенны с пространством, т.е. превращения последней в вибратор, ввиду несколько абстрактного понимания проблемы, пока труднопреодолима, по причине традиций. Надеюсь, что чуть чуть, но внимание на ней обозначилось. Ищите и обрящете! Удачи!

Литература и источники:

1.     А.А.Харкевич «Основы радиотехники» Москва 1962 «Связьиздат»

2.     Г.Б.Белоцерковский «Основы радиотехники и антенны» Москва 1978 Сов.радио.

3.     Г.З.Айзенберг и др. «Коротковолновые антенны» Москва Радиосвязь 1985.

4.     Е.М.Верещагин «Антенны и распространение радиоволн» Москва 1964 Воен.изд.

5.     Х.Мейнке, Ф.Гундлах «Радиотехнический справочник» 1960. Гос.энерг.издат.

6.     В.П.Чернышов «Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания» 1978 Москва Связь.

7.     В.В.Овсянников “Вибраторные антенны с реактивными нагрузками” 1985 Москва Радио и связь.

8.     К.Ротхаммель “Антенны” изд.11 под ред.А.Кришке Минск 2001 “Наш Город”

9.     А.М.Кугушев и др.”Основы радиоэлектроники”1969 Москва “Энергия”

10.   Гусман «Радиомир КВ и УКВ» №№5-9, 2002год.

11.   W0KPH http://WWW.eheuroantenna.com/