Чем короче волны, тем легче осуществляется направленная передача. Необходимое направленное действие может быть достигнуто устройством антенн в виде системы нескольких вибраторов. Применяя вибраторы с определенным сдвигом фаз между токами в них и располагая вибраторы на определенных расстояниях друг от друга, можно достичь того, что излучаемые ими волны будут складываться в нужном направлении и почти полностью взаимно уничтожаться в других направлениях.
Рассмотрим направленность излучения одиночного полуволнового вибратора. Теоретически и практически установлено, что вибратор дает наибольшее излучение в направлении, перпендикулярном проводу самого вибратора, и совершенно не излучает в направлении вдоль провода.
Направленное действие антенны показывают с помощью характеристик или диаграмм направленности. Они наглядно изображают изменение напряженности поля излучаемых волн в зависимости от направления. Эти диаграммы показывают обычно в двух плоскостях. Одна из них, в которой лежит сам вибратор, называется меридиональной плоскостью. Вторая плоскость, перпендикулярная проводу, называется экваториальной плоскостью. Для вертикального вибратора эти плоскости показаны на рис.1.
Если измерить на одном и том же расстоянии от вибратора, но по разным направлениям, наиряженность поля излучаемых волн, то возможно построить характеристику направленности. Практически нужно обойти вокруг вибратора по окружности в интересующей нас плоскости с каким-либо измерителем или индикатором напряженности поля.
Полуволновой вибратор в экваториальной плоскости не обладает направленным действием, т.е. излучает во все стороны одинаково. Его характеристика направленности в этой плоскости изображается окружностью, центр которой совпадает с серединой вибратора (рис.2 а). Величина напряженности поля, получающаяся в том или ином направлении, пропорциональна длине радиуса, проведенного из центра к этой окружности. Так как все радиусы одинаковы по длине, то ясно, что диаграмма показывает отсутствие направленности.
В меридиональной плоскости диаграмма направленности вибратора изображается фигурой, напоминающей восьмерку, каждая половинка которой близка к окружности (рис.2 б). На этом графике напряженность поля, получающаяся в том или ином направлении, пропорциональна длине вектора, проведенного от центральной точки О к кривой. При этом надо помнить, что радиусы различной длины, например ОА и ОБ на рис.2 б, изображают напряженность поля на одном и том же расстоянии от вибратора, но по разным направлениям от него.
На характеристиках направленности удобно величину напряженности поля откладывать в относительных единицах, т.е. наибольшую напряженность поля и соответствующий ей радиус ОА принимать за единицу, а радиусы в других направлениях брать соответственно меньше. Так, например, если в направлении ОБ напряженность поля в два раза меньше наибольшей напряженности поля, то радиус ОБ должен составлять 0,5 радиуса ОА.
Если восьмерку рис.2 б, повернуть вокруг вибратора, как вокруг оси, то получается пространственная характеристика направленности в виде так называемого тороида, показанного в разрезе на рис.3 и напоминающего «бублик» без отверстия. Любой радиус, проведенный из центральной точки тороида О к его поверхности, характеризует относительную величину напряженности поля в данном направлении. Так как у антенн из нескольких вибраторов пространственные диаграммы направленности получаются весьма сложными, то обычно рассматривают направленность только в двух наиболее важных плоскостях. Иногда даже достаточно диаграммы направленности в одной плоскости.
Благодаря свойству обратимости антенн характеристика направленности излучения остается в силе и при использовании антенны для приема. В экваториальной плоскости (рис.2 а) вибратор принимает одинаково волны, пришедшие с разных направлений. В меридиональной плоскости (рис.2 б) лучше всего принимаются волны, приходящие в направлении АО, хуже — в направлении БО, а в направлении вдоль вибратора волны совсем не принимаются.
Приведенные диаграммы показывают, что одиночный вибратор обладает слабо выраженной направленностью. Новее же ее необходимо учитывать при установке антенн. Для наилучшей связи вибраторы приемной и передающей антенн должны быть параллельны друг другу (рис.4 а). Если они расположены под прямым углом (рис.4 б), то вследствие направленного действия вибраторов связи не будет. При ином расположении вибраторов под прямым углом (ряс.4 в) связи также не будет, так как волны, излучаемые одним вибратором, имеют не ту поляризацию, какая .необходима для приема их вторым вибратором. Если, например, излучает левый вибратор, то его волны поляризованы вертикально. Но тогда они не создают ЭДС в правом приемном вибраторе, расположенном горизонтально. Во всех промежуточных случаях расположения вибраторов связь будет хуже, чем в случае, показанном на рис.4 а.
На практике характеристики направленности и поляризация несколько искажаются из-за отражения волн от местных предметов, окружающих антенну, а также из-за того, что провод вибратора не бывает точно прямолинейным. Вследствие этого даже для случаев, приведенных на рис.4 б и в, связь все же получается. Этому также способствуют преломление, отражение и искривление пути радиоволн, наблюдающиеся при распространении их в атмосфере.
На рис.5 показана диаграмма направленности в экваториальной плоскости двух параллельных вибраторов, которые расположены на расстоянии 1/2*? друг от друга и имеют токи, совпадающие по фазе (такие вибраторы называются синфазными). В этом случае вместо окружности, характерной для одиночного вибратора (для сравнения она показана на рис.5 штрихом), получается сплющенная восьмерка, что объясняется следующим образом.
В направлениях ОА и ОБ волны от обоих вибраторов приходят в какую-либо удаленную точку путями одинаковой длины. Поэтому они совпадают по фазе и складываются. Если токи в вибраторах одинаковы, то суммарная напряженность поля в этих направлениях Емакс получается удвоенной по сравнению с напряженностью поля от одного вибратора Е1. В направлениях ОВ и ОГ волны вибраторов идут с противоположными фазами, так как волна от одного вибратора проходит лишний путь, равный 1/2*?, и за счет этого отстает по фазе на 180°. Ясно, что в этих направлениях волны взаимно уничтожаются, т. е. излучения нет. В других направлениях получается некоторый промежуточный сдвиг фаз между 0 и 180° и суммарная напряженность поля оказывается меньше, чем Емакс = 2Е1.
Наличие двух противоположно направленных максимумов излучения часто нежелательно. Применив другую систему двух вибраторов, можно получить максимум излучения только в одну сторону. Этот важный случай показан на рис.6. На нем дана диаграмма направленности в экваториальной плоскости Двух параллельно расположенных вибраторов, находящихся на расстоянии 1/4*? друг от друга, причем ток вибратора 1 отстает по фазе на 90° от тока вибратора 2.
По направлению ОА волна от вибратора 2 проходит лишний путь, равный 1/4 (лямбда) и у нее получается отставание по фазе на 90° от тока вибратора 2. Но так как эта волна излучается вибратором, в котором ток опережает по фазе на 90° ток вибратора 1, то волны обоих вибраторов движутся в направлении ОА, совпадая по фазе, и напряженность поля удваивается (Емакс = 2Е1). В обратном направлении (ОБ) волна от вибратора 1 излучается с отставанием по фазе на 90° относительно тока вибратора 2 и, проходя лишний путь в 1/4 *?, дополнительно отстает по фазе еще на 90°.
Таким образом, она отстает по фазе на 180° от волны, излучаемой вибратором 2, и в результате обе волны взаимно уничтожаются, т.е. излучение в этом направлении отсутствует (Емин =0). По направлениям ОВ и ОГ волны от вибраторов движутся со сдвигом фаз 90°, и суммарная напряженность поля получается равной 1,4 Е1.
Диаграмма направленности двух таких вибраторов представляет собой кривую, называемую кардиоидой, и показывает наглядно, что имеется только один максимум излучения в направлении, в котором расположен вибратор с током, отстающим по фазе (для сравнения на рис.6 показана штрихом характеристика направленности одиночного вибратора). Получается, что вибратор 2 как будто отражает волны, излучаемые вибратором 1. Поэтому вибратор 1 принято называть антенной, а вибратор 2 — зеркалом, или рефлектором.
Когда от передатчика энергия подводится к рефлектору по фидерной линии, так же как и к антенне, то рефлектор называется активным. Подобные рефлекторы встречаются только в специальных антеннах. Зато часто применяется пассивный рефлектор, ни с чем не соединенный и несколько удлиненный по сравнению с вибратором, выполняющим роль антенны.
Пассивный рефлектор получает энергию от электромагнитных волн, излучаемых вибратором — антенной. Эти волны проходят путь в 1/4*?, за счет которого создается их отставание по фазе на 90°. Электродвижущая сила, индуктируемая в рефлекторе, отстает еще на 90° от создающего ее электромагнитного поля. Из-за того, что длина рефлектора больше, чем нужно для резонанса, его сопротивление имеет индуктивный характер (подобно разомкнутой линии с длиной больше четверти волны) и так в нем; отстает от ЭДС еще на 90°. В результате ток в рефлекторе отстает от тока в антенне примерно на 270°, что равносильно опережению на 90°. А это и есть условие получения максимума.излучения в сторону, противоположную рефлектору.
Конечно, пассивный рефлектор действует несколько хуже, чем активный, так как ток в нем получается меньше, чем в антенне, и сдвиг фаз не точно равен 90°. Поэтому характеристика направленности имеет примерно вид, показанный на рис.7 (для сравнения штрихом показана кардиоида). Как видно, не получается удвоенная напряженность поля в направлении наибольшего излучения и не уничтожается полностью излучение в обратную сторону. На практике подбором длины рефлектора и расстояния между ним и антенной стараются добиться наименьшего излучения в сторону рефлектора и наибольшего в сторону антенны.
Возможен и другой вариант получения наибольшего излучения в одну сторону. Если к вибратору 2 (рис.6) подвести энергию от передатчика, а вибратор 1 сделать пассивным (не соединенным ни с чем) и несколько укоротить его длину, то получится характеристика направленности, подобная изображенной на рис.7. В этом случае вибратор 2 является антенной, а вибратор 1 называют директором, так как он направляет излучение в свою сторону.
Роль вибратора-директора объясняется следующим образом. Волны от антенны проходят к директору путь в 1/4*?, и вследствие этого отстают по фазе на 90°. Индуктированная в директоре эдс отстает еще на 90°, но ток, созданный этой эдс, опережает ее на 90°, так как сопротивление укороченного вибратора имеет емкостный характер (подобно разомкнутой линии, у которой длина меньше 1/4*?). В результате ток директора отстает примерно на 90° от тока антенны, и характеристика направленности получается примерно такая же, как на рис.7. Наилучшая направленность достигается подбором длины директора и его расстояния от антенны.
Практически антенны обычно располагаются вблизи земли или каких-либо массивных металлических предметов (корпус корабля, самолета, автомашины и т. д.), которые принято также называть землей. Эти проводящие поверхности отражают радиоволны и оказывают поэтому сильное влияние на направленные свойства антенн. При исследовании этого влияния землю приближенно считают идеальным проводником, так как учет действительной проводимости земли весьма сложен.
Характеристики направленности антенн, приведенные выше, не учитывали влияние земли. Некоторое представление о направленности антенн с учетом влияния земли дают следующие примеры Если вибратор В расположен непосредственно над землей, то диаграмма направленности в вертикальной плоскости представляет собой половину вытянутой восьмерки (рис.8 а). Другая половина отсутствует потому, что вглубь земли, конечно, никакого излучения нет. В этом случае излучение в горизонтальном направлении увеличивается вдвое по сравнению с уединенным вибратором.
Более сложная направленность получается, если вибратор расположен на некоторой высоте над землей, например на высоте h = ? (рис.8 6). Тогда максимум излучения в горизонтальном направлении остается, но появляется несколько максимумов излучения под некоторыми углами к горизонту. Между этими максимумами получаются нули излучения. Диаграмма направленности приобретает многолепестковый вид, что объясняется следующим образом.
Для некоторых направлений разность путей волн, идущих непосредственно от вибратора, и волн, отраженных от земли, составляет четное число полуволн (или целое число волн) и тогда волны идут, совпадая по фазе, т. е. складываются друг с другом ,и дают максимумы; по другим направлениям эта разность путей составляет нечетное число полуволн, за счет чего создается сдвиг фаз на 180° и получаются минимумы.
Чем больше высота вибратора над землей по сравнению с длиной волны, тем больше максимумов и минимумов и диаграмма направленности имеет больше лепестков. Это особенно характерно для антенн укв, для которых часто
h >> ?. Направленность в горизонтальной плоскости у вертикального вибратора, расположенного над землей, отсутствует в силу его полной симметрии по отношению ко всем возможным направлениям.
Так как в действительности земля не является идеальным проводником, то отраженные от нее волны имеют уменьшенную амплитуду за счет некоторого поглощения в земле. Поэтому в направлениях максимумов излучение несколько уменьшается, а в направлениях минимумов не получается нуль излучения. В результате этого многолепестковая диаграмма направленности приобретает расплывчатый вид (рис.9). Следует учитывать, что диаграмма направленности искажается и от влияния местных предметов.
