До сих пор мы говорили лишь о колебательных цепях с так называемыми сосредоточенными параметрами, то теперь поговорим о других... О цепях с РАСПРЕДЕЛЁННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ! А, это как? Очень просто. До того как, мы считали, что токи протекающие в колебательном контуре везде в любой момент времени ОДИНАКОВЫЕ. Естественно пренебрегая незначительными отклонениями, связанными с расстоянием между точками измерения. Но нашлись «неправильные» системы где пренебречь расстоянием уже не получилось. Это длинные линии. Отрезок такой линии Вы и видите на рис.1a. Распределение токов и напряжений показывают, что их величины разные по длине линии. Раздвинем по стрелкам ветви линии и? И получим то, что Вы и видите на рис.1b. Это полуволновой вибратор. Полуволновой, потому-как состоит из двух 1/4-х волновых половинок той длинной линии.
Мы пока рассмотрели грубое превращение отрезка длинной линии в полуволновой вибратор. Посмотрим на это с другой стороны. Итак, длинная линия это цепь с распределёнными параметрами. Линия состоит из бесконечно малых поперечных элементов, dx. С электрической точки зрения это сосредоточенные элементы: dL, dC, dr и dg. Здесь dr — активное сопротивление потерь в проводах. Проводимость dg — проводимость утечки в изоляции проводов точнее в (dC). На рис.8 эквивалентная схема одного такого (dx) отрезка длинной линии. Пренебрегая dr и dg мы видим линию в виде цепи сосредоточенных dL и dC рис.2е. А развёрнутая линия в виде рис.2b превращается в рис.2d. И уже превратившись в полуволновой вибратор выглядит для нас вот так, рис.2с. Конечно, как непривычно выглядевший своего рода колебательный контур.
Вот только красивая картинка на рис.1b и рис.9 не совсем правдоподобна?! В случае, когда ток в вибраторе достигает своего максимума, то заряд ёмкости половинок вибратора будет равен нулю и график U на рисунке просто уже не имеет смысла. Тогда на рис.1b можно считать лишь некий промежуточный момент. Где-то серединка на половинке. В следующий полупериод картинка видоизменится, кривая тока будет слева от вибратора. Аналогично ветви кривой u поменяют своё местонахождение: верхняя половина окажется слева от вибратора нижняя, справа!
В реальности существует не только такая неправдоподобность, но и вот такая, как на рис.9! Картинка такая красивая как на рис.1b может быть только если проводник полуволнового вибратора будет: бесконечно тонким и находиться в далёком космосе! В реальности же ток на концах вибратора не будет равен нулю. Сразу по трём причинам!
1) Он будет затекать на сечение проводника как показано на рис.9, слева.
2) Это ёмкостный ток через конденсатор конец вибратора + земля. Либо между концами вибратора и через изоляторы растяжками.
3) Как Вы могли догадаться, даже вибраторы чисто проволочные имеют толщину и имеют место быть далеко не бесконечно тонкими. Вот и получается, что при длине вибратора рассчитанного по формуле рис.1с (зелёной), мы получим распределение тока как бы вибратора длиннее расчётной! А посему существует так называемый КОЭФФИЦИЕНТ УКОРОЧЕНИЯ. Так ещё вибратор укорачивают до тех пор, пока распределение тока будет соответствовать именно полуволновому вибратору! Вот на рис.9 Вы и видите тот самый компромисс... А, на скока нужно сокращать? Вот так сразу и не скажешь?!
Да существуют экспериментальные кривые, но они только грубо дают рекомендации... Ведь обстановка в каждом конкретном случае различная. Так я в семидесятых, дня два потратил на подгонку такого вибратора. Конечно если учесть, что он находился на чердаке хрущёвки, то сами понимаете: шиферная крыша, провода вдоль чердака, бетонные плиты внизу с арматурой... Одно хорошо, что не нужно было гарцевать по крутой крыше, рискуя сорваться и... Обычно вибратор укорачивают в 0,93-0,95 раз. Сходу радиолюбители делают длину такого (проволочного) вибратора 0,475 пол-волны. Не 0,5 волны, и стало быть особо не заморачиваясь!
Забудем на время про укорочения и дурацкие формулы и обратимся к ДН. Кто не в курсе ДН — Диаграмма Направленности антенны. Естественно в системе полярных координат. Посмотрите на рис.3b. Это вертикальная ДН вибратора. Наш взгляд в торец вибратора, с учётом отсутствия посторонних предметов и т.д. Как видите идеальная окружность. На рис.3с взгляд сверху на горизонтально расположенный вибратор ДН имеет явно выраженные максимумы в направлениях перпендикулярных длине вибратора (восьмёрку). А если объединить эти две ДН, то получим пространственную ДН рис.3а. Получился вот такой бублик, а точнее тороид, в смысле чёрти, чё и сбоку дверца?!
А, так как мы пока трендим в основном о горизонтальном вибраторе где-то там?.. А как же будет выглядеть ДН вертикальная горизонтального вибратора вблизи земли? Вот так сразу и не скажу, всё ведь зависит от проводимости земли. На северо-западе (болотах) одно, а в пустыне Сахаре совсем другое?! А вот какую ДН вблизи идеально проводящей поверхности Вы видите на рис.10. Верхнее положение, вибратор на высоте подвеса в 1/8 волны, а нижнее 3/8 волны. И чем выше, тем ближе к поверхности прижимаются боковые лепестки! Затем лепестки начнут размножаться и при высоте 2 волны справа и слева появятся по четыре лепестка! А, в зените глубокий ноль!
Теперь посмотрим, что же произойдёт с горизонтальной ДН при изменении длины вибратора? На рис.11 две ДН. Одна при длине вибратора 1,5 волны (вверху), другая при длине в 2 волны. Видите какие финтифлюшки получились?!
До сих пор мы говорили о горизонтально расположенных вибраторах, но гораздо чаще мы видим в жизни расположенных вертикально. Если взять четвертьволновый вибратор и вертикально разместить над проводящей поверхностью, то? То проводящая поверхность зеркально отразит наш вибратор рис.6. Как сам вибратор, так и его отражение совместно образуют полуволновой вибратор. Не совсем точно, но автомобильные антенны-хвостики именно так и образуют с крышей авто вибратор с ДН более-менее круговой в горизонтальной плоскости. На рис.7 изображена радиолюбительская вертикальная антенна с искусственной «землёй», четырьмя противовесами. Как сам вибратор, так и противовесы четвертьволновые. Фишка антенная, это то, что она заземлена! Антенна запитывается кабелем через гамму-схему как на рисунке. Двигая в верх-низ контакт-оболочку мы подбираем сопротивление на вибраторе равное активной составляющей волнового сопротивления кабеля. Конденсатором компенсируем реактивную составляющую! В радиолюбительских кругах такую антенну называют Ground Plane или сокращенно — GP. Имеется намёк на искусственную землю — противовесы.
Всё время мы с Вами добивались точного резонанса на частоте с желанием как бы выжать из антенны все соки?! Теперь поговорим о прямо противоположной задаче. Как добиться так называемой широкополосности, диапазонности. Ведь как правило радиостанции работают в каком-то диапазоне частот. От сель и до сель! И антенна должна худо-бедно обеспечивать максимум по всему диапазону. Кто в старые, добрые времена помнит как телезрители пытались на одну антенну смотреть несколько каналов! И, что они предпринимали? А от чего собственно зависит эта широкополосность? Вот на рис.12b некая формулка, где В — полоса частот от и до. Q — добротность антенны как контура (колебательной системы). А от чего завит величина этой самой Q?
Вернёмся таки на рис.1с и 1d. Формулы пурпурного и голубого цвета и показывают нам, что от чего зависит? Да, все они в принципе одно и тоже, но? Для поиска значения Q, да, а вот для понимания лучше формула пурпурного цвета. Она нам более подходит. Сразу условимся, что по определению с индуктивностью мы поиграть не можем?! Ведь с трудом найденная длина вибратора предопределяет соответствующую длине индуктивность L! Значит остаётся только поиздеваться над ёмкостью антенны! И по формуле, видим чем больше ёмкость, тем меньше Q, что по формуле рис12b, означает тем шире полоса частот. А увеличить ёмкость можно только увеличением геометрии вибратора в сторону ширины (диаметра). Возможно Вы видели раньше простую вибраторную телеантенну в виде толстых колбас из? Странно, но из пивных банок! Оно конечно смешно и забавно, но решение верно!!! Конечно может и не все каналы (доступные) охватывает, но всё же! На рис.4 Вы и видите такой вибратор, несколько разъевшийся... Но хорошо, здесь всё ясно, а как же с проволочными антеннами? Их хоть корми, хоть не корми, у слона всё равно ...!
Был в СССР Сергей Иванович Надененко, светлая память! Крупный советский учёный в области радиотехники, радиоинженер-новатор, научные труды и изобретения которого нашли широкое применение как в СССР, так и за его пределами, доктор технических наук, профессор. Вот он и предложил и очень даже удачное решение. Так появился на свет диполь Надененко рис.5. Думаю объяснение шибко не требуется?! Не только в связи применяется эти сосиски, но и даже в радиоастрономии! Кому интересно в моём сборнике РАДИОАСТРОНОМИЯ «Мини-лекции. Радиоастрономия. Украина» http://proza.ru/2019/02/26/1771 Там правда они не подвешены, а на стойке, но это не меняет дела. Из той же оперы но уже в Цилиндры в Пущино http://proza.ru/2019/02/22/353 Правда там не очень явно их видно...
А как же с вертикальными антеннами? Аналогично. Либо как часть диполя Надененко или как на рис.12. Это несколько упрощённая антенна, экспоненциальная. Тоже сосиска с такой ломаной образующей. Внизу наверняка противовесы... По данным разведки такая антенна перекрывает полосу частот в два раза. Она тоже относится к GP. В тоже время диполь Надененко перекрывает частоты в 2,5 раза. Но всё это (перекрытие) зависит от требований, удовлетворяющих нас параметров. В серьёзных конторах, это: ДН по всей полосе, КСВ не более, поляризационная характеристика... Для радиолюбителей это в основном КСВ. И потом, равномерность полосы (да и всех параметров) не особо волнует... Ведь они используют только узкие участки всей полосы, скажем это 14 мГц, 21 мГц и 28-29 мГц. А между ними хоть трава не расти?! Так, что отзывы одних и серьёзные выводы других, мягко говоря могут не совпадать?!
И под занавес. Та, вертикальная антенна GP рис.7 заземлена. А все ли антенны заземлены? И как там с небесной канцелярией, грозой? С грозой не знаю, а вот антеннку одну сам видел в 1959году. На рис.13 Вы её и видите. Это Южно-Сахалинск современный... А антенна всё та же. Тогда в 59-м антенна стояла в чистом поле и никаких домов вблизи. Дорога грунтовая, пыльная в том же поле... Сейчас это улица Комсомольская. В том месте где улица Хабаровская с запада упирается в Комсомольскую, на восток есть небольшой тупичок. Вот там гуглевская панорама и сняла нашу антенну. В чём её особенность? Излучает (излучала?) сама мачта. Думаю метров 200 в высоту?!?
Самое интересное, что она не заземлена и стоит на опорном изоляторе. На фото его не видно из-за построек. Вот такого типа как на рис.13а так он и выглядел. Станция вещала на средних волнах. Возможно как к опоре присоседились ещё кто-нибудь? Чтобы мачта не брякнулась ненароком её держат четыре яруса оттяжек. Каждая разделена изоляторами на части менее четверти рабочей длины волны. На фото я обвёл несколько изоляторов красными окружностями. Снимок с панорамы несколько невзрачный, но есть вариант, посмотреть с разных мест улицы Курильской, следующая на север после Хабаровской. Она как и тупичок ответвляется (пересекает) Комсомольскую. Лучше смотреть в конце тупика улицы прямо рядом с рестораном «Элит парк», через забор! Там даже можно рассмотреть низ мачты. Но изолятор по-прежнему загорожен чем-то?! При ближайшем рассмотрении мачта треугольного сечения. Полазайте в Гугле и сами всё увидите.