# Как работают антенны.

Александр Васильевич Грачёв

Мой взгляд на то, как работает антенна UA6AGW. Публикуется впервые.

Грачёв Александр Васильевич

Как работают антенны.


Часть первая.


На эту тему написаны горы литературы, самые разные труды, глубоко научные и не очень, статьи научно-популярные и совсем простые для школьников. Получается либо слишком сложно, либо поверхностно. Попытка самостоятельно разобраться в телеграфных уравнениях Айзенберга, вызывает устойчивое желание спать. А в научно-популярных статьях, об этом не пишут.

Вот и остается без ответа вопрос: "А как собственно работает антенна, к примеру, типа диполь?" В самом деле, ну приложили к антенне переменное напряжение, ну создали электрическую составляющую, теперь для формирования ЭМВ нужно, что бы потек ток и создал магнитную составляющую. Мы все знаем, что ток, конечно, потечет и ЭМВ будет сформирована. Только, как же ему течь, когда цепь разомкнута???

Попробуем разобраться, не прибегая к сложным математическим выкладкам.

Для описания работы диполя, в начальный момент времени (1), обычно приводится рисунок, изображенный ниже:


На этом рисунке изображены емкости С1 - С4 по которым (в начальный момент) потечет ток I1 - I4, который вызовет другой ток, имеющий максимальное значение в средней части диполя, который затем создаст магнитное поле и т. д.....

У меня вызывает удивление, часто встречающееся в научно-популярной литературе утверждение, которое почти дословно, выглядит следующим образом: "Собственная емкость диполя ничтожна и её можно не учитывать...". Интересно почему??? /Видимо первоначально, это утверждение, относилось к емкости между торцами элементов диполя./

Элементарный расчет и прямые измерения показывают, что собственная емкость элементов полуволнового диполя для 40-ка метрового диапазона, более 80 пф. Отсюда вопрос: "Если есть емкость, ток смещения потечет???"

Ну конечно потечет и замкнет цепь, отрицать его наличие не разумно. Собственно этот ток и обозначен на рисунке, как ток I1 - I4. Очевидно, что участки диполя, на которые приходится максимум тока смещения, будут совпадать с участками, на которые приходится максимум напряжения, и ток этот будет синфазен напряжению на диполе. Расчет показывает, что по закону Ома, будет протекать (в первый момент), весьма приличный ток смещения. Кроме того, этот ток смещения обуславливает появление тока проводимости на участках элементов диполя находящихся под небольшим напряжением, в центре диполя.

Гончаренко И. В., в книге "Антенны КВ и УКВ" (2) пишет:


В нашем случае токи I1 - I4 и есть ток смещения. К сожалению, многие авторы исследований, хоть и упоминают о его существовании, упорно не хотят называть его этим именем.

В этом месте, следует ещё раз уточнить применяемые термины:

1.Ток смещения - это ток, протекающий в пространстве между лучами антенны (обкладками конденсатора).

2.Ток проводимости - это ток, протекающий в проводниках лучей антенны (проводнике обкладок конденсатора).

Величина тока проводимости (тока протекающего в проводнике антенны) вызванного током смещения, прямо пропорциональна величине тока смещения. Кроме того, ток проводимости, создаст переменное магнитное поле, синфазное этому току, но имеющее фазовый сдвиг 90 градусов по отношению к напряжению на концах диполя и созданному им переменному, электрическому полю, а так же току смещения и созданному им магнитному полю. Видимо, именно поэтому, во многих исследованиях отмечается, наличие вблизи диполя, магнитных полей с разными фазами.

Величина фазового сдвига между током проводимости и напряжением определяется для участков антенны, на которые приходится максимальное напряжение и максимальный ток. Экспериментально установлено, что напряжение имеет максимальное значение на концах диполя, а ток проводимости имеет максимальное значение в геометрической середине диполя. Поскольку диполь нами рассматривается полуволновой, то расстояние между этими пучностями равно четверти длинны волны или 90 градусов.


В результате приведенных выше рассуждений становится ясно, что мы имеем два квадратурных, по отношению друг к другу (токи проводимости и смещения) переменных магнитных поля, и синфазное току смещения, переменное электрическое поле. Возникает вопрос, какое из этих двух магнитных, квадратурных по отношению друг к другу полей , примет участие в формировании будущей ЭМВ. Для этого нужно сравнить между собой напряженности созданных магнитных полей и пространственное их положение.

Строго говоря, ток смещения и ток проводимости, проявление одного итого же тока протекающего в диполе, в разной ипостаси. Для удобства рассмотрения будем называть их разными именами.

Ток смещения ограничен по своей величине, емкостью лучей диполя друг к другу и сопротивлением потерь, включенных последовательно в цепь этого тока. Кроме того, он ограничивается, также последовательно включенным, собственным индуктивным сопротивлением лучей, возникающим, как только в проводниках лучей потечет ток проводимости. Таким образом, в цепь тока смещения оказываются последовательно включенными: сопротивление потерь, индуктивное сопротивление лучей и сопротивление собственной емкости лучей.

В отличии от него, ток проводимости ограничен только сопротивлением вызванным э.д.с. самоиндукции и сопротивлением потерь. Однако он имеет свое максимальное значение в центре диполя (где индуктивность минимальна) и постепенно убывает к его концам. Постепенно нарастающее (т.к. индуктивность распределена) индуктивное сопротивление, приходится на участки со всё меньшей амплитудой тока и не оказывает большого влияния на его величину в центре диполя. Таким образом, ограничивающие факторы, для тока проводимости, имеют значительно меньшее значение. Помимо этого, росту тока способствует растущее излучение элементов антенны, и не важно чем рост этого излучения спровоцирован.

Наличие собственной индуктивности и емкости у элементов диполя позволяет эту антенну настраивать в резонанс, изменяя длину элементов. Падение активной составляющей, комплексного сопротивления, на частоте резонанса, свидетельствует о наличии последовательного резонанса у этой антенны.


Эквивалентной схемой диполя, как известно, является последовательный контур.


Из изложенного выше становится ясно, что ток проводимости и созданное им поле преобладают в окрестностях диполя, и именно это поле будет участвовать в формировании ЭМВ. Нужно добавить, что магнитное поле тока проводимости сформированное в центре диполя ортогонально электрическому полю и видимо и этим тоже, объясняется форма диаграммы направленности диполя, в горизонтальной плоскости.

Наличие фазового сдвига, обуславливает формирование фронта волны излучения (ЭМВ) на некотором расстоянии от элементов антенны. Произойдет это на таком расстоянии, на котором магнитная и электрическая составляющие, из-за своей конечной скорости, приобретут дополнительный фазовый сдвиг и станут синфазны. (4)

Таким образом, ток смещения является лишь "запускающим" фактором в работе антенны типа диполь и в описании работы антенны его видимо, можно не учитывать.

Но это, только в работе антенны типа диполь....


Часть вторая.


Наличие фазового сдвига, между составляющими ЭМВ, способствует возникновению, в ближней зоне диполя, "кокона" реактивной энергии.

Гончаренко (2), на стр.14, пишет о ближней зоне антенны:

"Векторы Е и Н сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов.

Это показатель реактивности поля - разность фаз в 90 градусов как раз и означает реактивность и отсутствие передачи активной мощности".


Кроме того, известно что, электрическая и магнитная проницаемость подстилающих поверхностей антенн, установленных в реальных условиях, очень различны по своему значению (8).


Это означает, что, к примеру, электрическая составляющая испытывает гораздо большее поглощение в подстилающей поверхности, чем магнитная, что накладывает определенные ограничения на высоту монтажа антенн.

На стр. 15, у Гончаренко (2), о дальней зоне:

"Векторы Е и Н находятся в фазе.

Соотношение амплитуд Е и Н не зависит от конструкции антенны и определяется только свойствами среды, в которой распространяется ЭМВ".

Легко сделать вывод, что для создания эффективной антенны, нужно исключить фазовый сдвиг между магнитным и электрическим полем антенны. Обеспечить наличие в ближней зоне антенны, только синфазных магнитного и электрического полей, что может придать ей иные (лучшие) свойства. В самом деле, если на элементах антенны будут присутствовать переменное электрическое напряжение, и протекать только синфазный ему ток, то в непосредственной близости от элементов антенны будут сформированы, синфазные же, соответствующие поля. В этом случае можно ожидать, что и формирование фронта волны излучения будет происходить непосредственно у антенны. В нашем случае, можно надеяться, что если формирование ЭМВ будет происходить на элементах антенны, то уже сформированная ЭМВ, не будет испытывать такого поглощения.

Мысль об этом и не дает покоя изобретателям. Просматриваются два варианта формирования синфазных полей.

Первый вариант заключается в использовании тока смещения, как единственного тока формирующего магнитной поле, благо на частоте резонанса он "автоматически" получается синфазным напряжению.

Для этого следует: значительно снизить (либо исключить) возможность возникновения тока проводимости, уменьшить (исключить) собственную индуктивность элементов, увеличить собственную емкость элементов, снизить сопротивление потерь.

Задача эта, содержит, казалось бы, взаимоисключающее условие. Для снижения индуктивности нужно укоротить элементы. Но, это вызовет снижение собственной емкости и соответственно снижение тока смещения.

Простая логика подсказывает решение этой задачи - нужно элементы сделать в виде коротких и толстых цилиндров, либо в виде квадратных (прямоугольных) пластин. В такой конструкции собственная индуктивность элементов невелика, в месте с тем собственная емкость заметно больше чем у проволочных элементов такой же длины.

Для согласования сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны можно применить, включенную последовательно с элементами, катушку индуктивности, которая в следствии своих малых размеров тоже не создает существенного магнитного поля.


Такая, логически спроектированная нами антенна, уже разработана американским радиолюбителем Тедом Хартом (W5QJR), и названа им "EH антенна". Первоначально элементы этой антенны изготавливались в виде коротких цилиндров, а затем и в виде пластин.

Принцип работы этой антенны, хоть и не привычен для понимания, но прост и вполне логичен. Электрическое поле созданное элементами (С), вызовет возникновение тока смещения. Поскольку у этой антенны факторы, снижающие ток смещения, такие как собственная индуктивность значительно уменьшены, а факторы повышающие значение этого тока, такие как собственная емкость, увеличены, то ток смещения имеет достаточную величину для создания магнитной составляющей ЭМВ, преобладающей в окрестностях этой антенны. Ток смещения синфазный напряжению на элементах, создаст магнитное поле синфазное электрическому полю. В результате чего формирование ЭМВ будет происходить в непосредственной близости от элементов антенны, либо прямо на них.

Ниже, на рисунке, хорошо видно совпадение фаз магнитной и электрической составляющих ЭМВ, в непосредственной близости от ЕН антенны. (tnx UU4JGI)


Справедливости ради, нужно заметить, что наличие у этой антенны параллельного и последовательного резонанса усложняет её настройку. Вот типичный график (3) частотной зависимости излучения максимальной мощности и минимального КСВ:


Но, все не так уж плохо, "опыт - сын ошибок трудных" позволил разработать достаточно простые приемы настройки таких антенн, с применением минимума приборов.

Антенны эти оказались весьма эффективными. К сожалению исследования их свойств и разработка новых конструкций антенн этого типа, на регулярной основе, в нашей стране, ведется практически одним человеком В. Кононовым (UA1ACO) и лишь немногими его "соратниками". Тем не менее, следует надеяться, что по мере понимания принципов работы и с разработкой новых конструкций, антенны этого типа, найдут самое широкое применение.


Часть третья.


Второй вариант использования синфазных полей, заключается в обеспечении синфазности магнитного поля, вызванного током проводимости, электрическому полю антенны. На первый взгляд задача кажется не выполнимой. Но это только на первый взгляд.

Несколько лет назад, вашему покорному слуге, удалось разработать простую и эффективную антенну, работающую на этих принципах (патент номер 92574 RU). В радиолюбительском мире она известна, как и принято у радиолюбителей, по позывному автора - "антенна UA6AGW" (5,6,7)

Электрическая схема антенны довольно проста:


В антенне имеются выраженные рамочная и лучевая части, отвечающие за формирование магнитной и электрической составляющих соответственно. Рамочная часть антенны выполнена в виде коаксиального проводника, наружная часть которого является излучающей, а внутренний проводник используется для повышения сопротивления излучения. Лучевая часть выполнена из провода, так же как у диполя. Конденсаторы применяются для настройки антенны.

Как видно из рисунка, по распределению тока и напряжения антенна соответствует неразрывному полуволновому излучателю.

Владимир Тимофеевич Поляков в своей статье "Рамочно-лучевая или настоящая ЕН антенна" (4) дает описание работы антенн этого типа. Я лишь слегка адаптировал описание, применительно к этой антенне, вот что из этого получилось:

"Если излучающую рамку и лучи представить в виде двух антенн А1 и А2 , каждая со своим источником питания (источники когерентны) и которые совмещены в пространстве, решающие значение приобретают соотношение фаз колебаний источников этих антенн. Суммарная плотность потока энергии (вектор Пойнтинга П) в каждой точке пространства может быть найден по принципу суперпозиции полей: П= (Е1+Е2) х (Н1+Н2) = Е1 х Н1 + Е2 х Н2 + Е1 х Н2 + Е2 х Н1.

Последние два слагаемых в правой части уравнения описывают взаимодействие электрического поля одной антенны с магнитным полем другой антенны. Эти поля и используются в этой антенне для эффективного формирования вектора Пойнтинга. Таким образом, магнитное поле рамки взаимодействует с электрическим полем лучей и в свою очередь магнитное поле лучей взаимодействует с электрическим полем рамки, формируя фронт электромагнитной волны излучения непосредственно у элементов антенны. Однако для этого Е1 должно быть синфазно с Н2, и Е2 должно быть синфазно с Н1, следовательно антенны А1 и А2 должны возбуждаться в квадратуре."


Очевидно, что напряженность магнитного поля рамки (Н1)значительно превосходит соответствующую напряженность лучей (Н2). А в свою очередь напряженность электрического поля лучей (Е2) значительно выше, напряженности электрического поля рамки (Е1). Кроме того, поля Н1 и Е2 синфазны. Соответственно именно эти поля будут формировать фронт волны излучения, в этой антенне.

В кратком виде работу антенны можно описать следующим образом:

1. Рамка, находясь в зоне максимального тока, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения.

2. Лучи, находясь в зоне максимального напряжения, формируют электрическую составляющую электромагнитной волны излучения.

Отличительной особенностью получившейся антенны является, наличие только одного, ярко выраженного резонанса, во всем КВ диапазоне.


Другим отличительным признаком этой антенны является, рост активной составляющей комплексного сопротивления, на частоте резонанса.


Это означает, что контур, образованный элементами антенны, параллельный. Что видно из электрической схемы антенны и графиков анализатора. Соответственно и эквивалентная схема - параллельный контур.

В справочнике Бунина и Яйленко приведен график зависимости активной и реактивной составляющих от частоты параллельного контура:


На нем очень хорошо видно сходство, с полученными графиками, особенно сходство динамики поведения реактивной составляющей. Резкий спад (слева направо) ниже по частоте и плавный подъем выше по частоте.

Наличие у этой антенны на рабочей частоте параллельного резонанса, определяет "автоматическую" синфазность сформированных в ней составляющих излучения. Очень хорошо это описано (важное подчеркнуто) в книге Н.М. Изюмова и Д.П. Линде "Основы радиотехники" (9).


Иначе говоря, ток, протекающий в излучающей рамке и создающий магнитную составляющую, синфазен напряжению на лучах формирующих электрическую составляющую ЭМВ. Соответственно синфазны электрическая и магнитная составляющие, что позволяет сформировать ЭМВ в непосредственной близости от элементов антенны.

Собственно на этом можно закончить изложение моего взгляда на то, как происходит формирование ЭМВ в некоторых антеннах.

Остается добавить, что последняя из описанных здесь антенн, показала свою способность работать с небольших высот с высоким КПД. Показала, высокую устойчивость к воздействию электрических помех, малошумность. Обнаружилась, (вполне ожидаемая), возможность изменения диаграммы направленности (от эллиптической до практически круговой) в горизонтальной плоскости, и много других положительных технических характеристик. На базе этой антенны была разработана и изготовлена направленная антенна, где реализован новый, отличный от других антенн, способ формирования направленного излучения. Но это уже, другая история...


Грачёв Александр \UA6AGW\

г. Краснодар


Литература:


1. Карл Ротхамель "Антенны" (издание 11-ое дополненное)

2. Гончаренко И.В. "Антенны КВ и УКВ" - М.; ИП Радиософт, Журнал "Радио", 2006.

3. Маслов О.Н , Рябушкин А.В., Шашенков В.Ф.

"Малогабаритные резонансные антенны"

УДК 621. 396.677;621.397.671

4. Поляков В.Т. Рамочно-лучевая или настоящая ЕН антенна Схемотехника номер 5 май 2007

5. Грачёв А.В. Антенны UA6AGW v.40.- Радиомир 2011 номер 8 стр. 38-41

6. Грачёв А.В. Антенны UA6AGW v.40.- Радиомир 2011 номер 9 стр. 39-41

7. Грачёв А.В Антенна UA6AGW v.40.02 Радиомир 2012 номер 6-7

8. З. Беньковский, Э. Лепинский Любительские антенны коротких и ультракоротких волн

"Радио и связь" 1983.

9. Н.М. Изюмов и Д.П. Линде "Основы радиотехники". "Энергия" 1965.