Открытый колебательный контур. Антенны

  Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.
   Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый.

 Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.

   При появлении в ней колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.
   Широкое распространение имеет несимметричный вибратор. Он представляет собой одну половину симметричной антенны, а другая заменена шасси приемника, корпусом радиостанции, корпусом автомобиля или противовесом.

 Ток максимален в основании несимметричной антенны, а на конце равен нулю. Напряжение максимально на конце, а в основании равно нулю.
  Эта антенна еще называется четвертьволновой потому что резонанс будет в том случае если ее длина будет равна четверти длины волны принимаемого сигнала. 

Электромагнитными волнами или радиоволнами называется совокупность электрических и магнитных полей распространяющихся в пространстве.

Радиоволны делятся на диапазоны:
ДВ- до 100 кГц, 30-100 кГц;
СВ- 100 кГц-1500 кГц;
КВ- 6 мГц- 30 мГц;
УКВ- свыше 30 мГц.

  УКВ делятся на:
метровые волны 30-300 мГц;
дециметровые 300 -3000 мГц;
сантиметровые 3000-30000 мГц.

   Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (С=300000 км/сек).
В отличие от звуковых электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве, например в космосе. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают. Степень затухания и величина расстояния, «пройденного» электромагнитными волнами, в значительной степени зависят от длины волны.
   Длиной электромагнитной волны λ называют расстояние, на которое она распространяется за период Т одного колебания тока в антенне, т. е. λ=СТ.
   Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: f= C/λ.
   На практике для перевода частоты колебаний в длину волны и длины волны в частоту удобно пользоваться следующими формулами:

   
   
    При подстановке в эти соотношения длины волны в метрах частота будет измеряться в мегагерцах.
      В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Однако атмосфера — неоднородная среда. На разных расстояниях от передающей радиостанции давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы различны.
    Под действием солнечных и космических излучений из атомов газов, входящих в состав атмосферы, выделяются свободные электроны, а атомы превращаются в положительные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Больше всего ионов содержится в верхнем слое атмосферы — ионосфере, находящейся на расстоянии 50...80 км от поверхности Земли. Скорость распространения радиоволн в средах с разными электрическими свойствами неодинакова. Это приводит к тому, что при переходе из одной среды в другую они преломляются, т. е. изменяется направление распространения радиоволн.
    Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к горизонту (пространственные волны).

 Поверхностные радиоволны хорошо огибают предметы, если размеры последних меньше длины волны. При приеме сигналов радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне, в основном используется энергия поверхностных волн. Но энергия длинных поверхностных волн поглощается поверхностью Земли, поэтому по мере удаления от станции громкость приема ее передач уменьшается вплоть до полного исчезновения. Для увеличения дальности действия такой радиостанции повышают мощность ее передатчика.
   Средние волны хуже огибают различные неровности земной поверхности и сильнее ею поглощаются. В связи с этим при одинаковых мощностях передатчиков расстояние, на котором осуществляется уверенный прием передач длинноволновой радиостанции, больше, чем средневолновой.
   Основным достоинством поверхностных радиоволн является то, что в пределах их действия обеспечивается устойчивая радиосвязь.
    Не вся энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции, переносится поверхностными радиоволнами, часть ее создает пространственные радиоволны, которые, достигнув слоя ионосферы, преломляются в сторону Земли. Степень преломления зависит от плотности ионизированных атомов газа, угла падения пространственной волны и ее длины: чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется.
Пространственные радиоволны длинноволнового диапазона преломляются в нижних слоях ионосферы, и направление их распространения в этих слоях изменяется настолько, что они снова направляются к Земле, как бы отразившись от ионосферы. Пространственные радиоволны могут попасть в зону, куда не доходят поверхностные радиоволны. Благодаря этому можно слушать передачи радиостанции, работающей в ДВ диапазоне, в районе, которого не достигают поверхностные радиоволны.  Между  зонами  приема   поверхностных  и  пространственных радиоволн находится зона, в которой прием сигнала работающей радиостанции отсутствует. Ее называют «мертвой» зоной, или зоной молчания.
    Пространственные радиоволны СВ диапазона глубже проникают в ионосферу, чем длинные волны, и вследствие этого происходит их более сильное затухание. Днем оно настолько значительное, что радиосвязь в СВ диапазоне можно осуществлять лишь с помощью поверхностных волн. С заходом солнца ионизация атомов газа уменьшается, ослабляется и затухание пространственных волн. Вот почему ночью СВ диапазон почти полностью «забит» работающими радиостанциями, а днем в этом диапазоне слышны лишь близко расположенные или мощные радиостанции.
    Поверхностные волны коротковолнового диапазона затухают интенсивнее, чем средние волны. Поэтому радиосвязь с пунктами, расположенными на больших расстояниях, осуществляется на KB с помощью пространственных волн, благодаря их многократному преломлению в ионосфере. Проникнув в ионосферу, короткие волны могут пройти в ней значительное расстояние без заметного затухания и вернуться обратно на Землю за тысячи километров от радиостанции или, обогнув Землю, быть принятыми в месте расположения радиостанции. Недостатком коротких волн является наличие зон молчания. Кроме того, непостоянство свойств ионосферы в течение суток (например, вследствие изменения солнечной активности), времен года не оставляет неизменной степень преломления пространственной радиоволны. Это приводит к изменению границ зоны приема пространственной волны и зоны молчания. При работе на KB наблюдаются также «замирания» радиоволн: громкость радиопередачи уменьшается и может даже полностью исчезнуть.
Через некоторое время она снова появляется и увеличивается до уровня нормальной.
   Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, а проходят через нее. Поэтому радиосвязь на УКВ возможна только с помощью поверхностных волн.
   Можно считать, что УКВ вблизи земной поверхности распространяются прямолинейно, т. е. в пределах прямой видимости. Однако неоднородность атмосферы приводит к тому, что УКВ распространяются несколько дальше прямой видимости. В некоторых случаях радиоволны, излучаемые под малым углом к горизонту, преломляются так, что снова попадают на Землю, отражаются от нее, затем, отразившись от нижних слоев атмосферы, опять попадают на Землю и т. д.

 Область, в которой происходит описанное явление, образует так называемый волноводный канал. Дальность радиосвязи в таком случае может в десятки раз превышать дальность прямой видимости. Этим явлением объясняются случаи сверхдальнего приема радио и телепередач.
    Чтобы увеличить дальность радиосвязи на УКВ, необходимо увеличить дальность прямой видимости. Для этого передающую и приемную антенны устанавливают как можно выше. Так как УКВ более сильно затухают в атмосфере, для увеличения расстояния их распространения следует увеличивать мощность передатчика.
   Дальность радиопередач можно значительно увеличить, используя искусственные спутники Земли, которые принимают УКВ, усиливают их и снова излучают на Землю.