Рассмотрим более подробно симметричный вибратор, который является основной частью многих антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах. Он представляет собой четвертьволновую разомкнутую линию, провода которой развернуты в одну прямую (рис.1 а). Большинство свойств двухпроводной линии, рассмотренных ранее, сохраняется и у вибратора. В нем также создаются стоячие волны, причем на концах провода всегда получаются узлы тока и пучности напряжения. Распределение тока и напряжения вдоль вибратора получается такое же, как и вдоль проводов линии. В зависимости от соотношения между длиной вибратора и длиной волны генератора входное сопротивление вибратора принимает различные значения. В частности, при резонансе оно чисто активное.
Скорость распространения электромагнитных волн вдоль реального вибратора несколько меньше, чем скорость света, и поэтому резонанс получается в случае, когда длина провода
вибратора немного меньше 1/2*? (примерно 0,47 *?). Если вибратор расположен близко к земле и различным местным предметам, то приходится брать его еще короче. Кроме того, если в середину вибратора включена катушка для связи с генератором, то длина вибратора должна быть взята с учетом того, что провод катушки является частью провода вибратора. При наличии такой катушки в ее средней точке получается пучность тока и узел напряжения.
Основное отличие вибратора от линии заключается в его способности хорошо излучать радиоволны. Двухпроводная линия излучает радиоволны слабо, так как магнитные поля обоих проводов во внешнем пространстве почти полностью взаимно уничтожаются вследствие противоположных направлений токов в проводах; у вибратора же обе половинки провода расположены по одной прямой и токи в них совпадают по направлению. Поэтому излучения от этих токов складываются.
Поскольку вибратор хорошо излучает радиоволны, нельзя считать его идеальной линией. В нем получается режим смешанных, а не стоячих волн. В результате теоретического и практического исследования полуволнового вибратора выяснилось, что энергия излучаемых им волн эквивалентна потерям в активном сопротивлении 73 ом, которое следует считать включенным в пучность тока. Такое условное сопротивление, потери в котором эквивалентны потерям на излучение, называют сопротивлением излучения (Rизл).
Если бы в самом проводе и в изоляторах не было потерь энергии, то входное сопротивление вибратора в пучности тока при резонансе составляло бы 73 Ом. Но в каждом вибраторе имеются потери на нагрев провода и изоляторов, на утечку и т. п. Поэтому Zвх, называемое иначе полным сопротивлением антенны Ra, для полуволяового вибратора приближенно считают равным 80 ом (добавляя 7 ом потери). Именно такое сопротивление оказывает вибратор для генератора, включенного в пучность тока (в середину вибратора).
Полная мощность колебаний в антенне (в вибраторе) Ра определяется через ток в пучности Iа и сопротивление Rа:
Мощность излучаемых волн:
Отсюда следует, что КПД вибратора определяется как
Величина КПД для полуволнового вибратора получается достаточно высокой — порядка 0,9 и даже выше.
При изображении распределения тока и напряжения в вибраторе следовало бы учитывать наличие бегущей волны, которая переносит вдоль вибратора энергию, идущую на излучение и на потери в самом вибраторе. Однако для упрощения принято изображать только стоячую волну.
Надо помнить, что (рис.1 б) показывает распределение тока и напряжения без учета сдвига фаз на 90° между ними. Для более полного представления о колебательном процессе в вибраторе на рис.2 даны графики распределения тока и напряжения в нем в различные моменты времени в течение одной половины периода. В начале (рис.2 а) тока еще нет, а напряжение имеет наибольшее значение. За время 1/8 Т от начала колебания напряжение уменьшилось и возник ток (рис.2 б). Через четверть периода от начала колебания ток достигает наибольшей величины, а напряжение равно нулю (рис.2 в). Затем ток уменьшается, и снова появляется напряжение, но уже противоположного знака, так как половинки провода перезаряжаются (рис.2 г). Когда пройдет полпериода от начала колебания, ток уменьшится до нуля, а напряжение возрастет до-максимума (рис.2 д). После этого процесс повторяется в обратном направлении.
На рис.3а показаны электрическое и магнитное поля вокруг вибратора. Распространившиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в определенных плоскостях. Если волны распространяются свободно, без преломлений и отражений, то на значительном ударении по направлению, перпендикулярному к вибратору, электрические силовые линии располагаются параллельно вибратору, а магнитные силовые линии — перпендикулярно к нему (рис.3 б).
Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально (рис.3), волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию.
Следует обратить внимание на то, что электромагнитные поля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер. На значительном расстоянии от вибратора поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.
Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, амплитуда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн. Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь колебание энергии, переходящей из электрического поля в магнитное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоячих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, значительно более сильное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его напряженность очень быстро убывает при удалении от вибратора.
Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших длины волны от него, в котором существует поле индукции, называют зоной индукции или ближней зоной. А пространство на расстояниях, значительно больших длины волны, в котором практически наблюдается только поле излучения, называют дальней или волновой зоной (или зоной излучения).
Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними существует промежуточная зона, в которой поле индукции и поле излучения имеют напряженности одного порядка.