Антеною називається система провідників, службовців для випромінювання радіохвиль на передавальної станції і для уловлювання радіохвиль на приймальні станції. Інакше кажучи, антена здійснює перетворення енергії струму високої частоти в, енергію радіохвиль або, навпаки, перетворює енергію радіохвиль в енергію струму високої частоти.
Вперше в світі антену застосував А. С. Попов. Надалі в теорію і техніку антенних пристроїв великий внесок внесли радянські вчені М. В. Шулейкин, А. А. Пістолькорс, В. В. Татаринов, М. А. Бонч-Бруєвич, А. Л. Мінц, Г. 3. Айзенберг та інші. У Радянському Союзі були розроблені і здійснені багато оригінальних типів антен.
До складу антенного пристрою в багатьох випадках, крім самої антени, що служить для випромінювання або прийому радіохвиль, входить ще фидерная лінія, яка служить для передачі з найменшими втратами електромагнітних хвиль від передавача до антени або від антени до приймача. Для правильної роботи антенного пристрою самі фідерні лінії не повинні володіти антенних ефектом, т. Е. Випромінювати або приймати радіохвилі.
Прийнято розділяти антени на передавальні і приймальні, хоча принципової різниці в устрої між ними в більшості випадків немає. Передавальна антена повинна випромінювати в потрібному напрямку електромагнітні хвилі з якомога більшою енергією. У приймальні антени радіохвилі, які прийшли в певному напрямку, повинні створювати коливання з якомога більшою енергією.
Антенні пристрої мають властивість оборотності. Це означає, що будь-яка передавальна антена, як правило, може працювати в якості приймальні і навпаки. Крім того, якщо антевна, що працює в якості передавальної, має деякі властивості, то подібні ж властивості залишаються і в разі використання даної антени для прийому. Наприклад, якщо антена найкраще випромінює хвилі в деякому певному напрямку, то вона буде приймати найкраще хвилі, що приходять з цього ж напрямку. Практично іноді передають і прийомні антени все ж мають деякі відмінності.
Розглянемо насамперед елементарні принципи пристрою і роботи найпростіших антен.
Замкнуте коливальний контур, що має малі розміри в порівнянні з довжиною хвилі, дуже погано випромінює електромагнітні хвилі. Це можна пояснити наступним чином.
Електромагнітні хвилі випромінюються провідником, по якому проходить струм високої частоти. Якщо провід зігнути в Рис.1. Протилежні напрямки струмів в елементах коливального контуру вигляді петлі (рис.1 а), то в двох його половинках струми спрямовані в протилежні сторони.
Рис.1 - Протилежні напрямки струмів в елементах коливального контуру.
Хвилі, створювані цими струмами, протилежні по фазі і, якщо відстань між проводами d мало в порівнянні з довжиною хвилі, то ці хвилі будуть в просторі взаємно знищуватися.
Таким чином, провід у вигляді петлі майже не випромінює електромагнітні хвилі. Те ж можна надати і про дроті у вигляді прямокутного або круглого витка (рис. 1 (б) і (в)), що має розміри багато менше довжини хвилі. Токи в протилежних сторонах квадратного витка спрямовані в різні боки і хвилі, створювані цими струмами, мають протилежні фази. У напрямку, перпендикулярному до площини витка, ці хвилі взаємно знищуються. А в напрямку вздовж площини витка зрушення фаз між цими хвилями трохи відрізняється від 180 °, так як одна з хвиль проходить зайвий шлях, рівний d, і дещо запізнюється по фазі. Але якщо сторона витка багато менше довжини хвилі, то запізнювання мізерно і практично хвилі, що йдуть в цьому напрямку, також взаємно знищуються.
У круглого витка малого діаметра кожному даному елементу проводу, наприклад елементу А на рис.1 в, відповідає інший діаметрально протилежний елемент (Б на рис.1 б), причому в цих елементах струми спрямовані в різні боки. Хвилі, створювані цими елементами, мають протилежні фази і практично взаємно знищуються.
Якби розмір d становив помітну частину довжини хвилі λ, то хвилі, що йдуть в напрямку вздовж площини витка від його протилежних сторін, мали б зрушення фаз, що значно відрізняється від 180 °, так як одна з хвиль помітно запізнювалася б, і тому взаємного знищення хвиль не виходило б. Тільки в напрямку, перпендикулярному витка, хвилі йшли б шляхами однакової довжини і взаємно знищували б один одного.
У радіотехнічних коливальних контурах, які працюють на середніх і коротких хвилях, витки котушок мають зазвичай діаметр порядку декількох сантиметрів, а довжина хвилі вимірюється десятками і сотнями метрів. При такому співвідношенні практично можна вважати, що кожен виток окремо не випромінює, а отже, і вся котушка в цілому також не випромінювати.
Весь контур на цих хвилях можна уявити як один виток, в протилежних елементах якого струми протікають в різних напрямках. У сполучних проводах АБ і ВГ (рис.1) струми мають протилежні напрямки. Те ж можна сказати і про токах в ділянках АВ і БГ, т. Е. В котушці і в конденсаторі. Так як геометричні розміри контуру малі в порівнянні з довжиною хвилі, то контур практично випромінює дуже слабо.
Однак можливо змінити пристрій коливального контуру так, що в окремих його елементах струми будуть мати однаковий напрямок в просторі, тобто коливання в окремих елементах контуру співпадуть по фазі. Тоді хвилі, створювані цими елементами, взаємно знищаться і вийде значна випромінювання. Це досягається перетворенням замкнутого контуру (рис. 2 а) у відкритий контур, тобто в антену.
Рис.2 - Перетворення замкнутого контуру у відкритий
Якщо розсунути обкладання конденсатора і розгорнути з'єднувальні дроти в пряму лінію (рис.2 6), то напрямки струмів в цих проводах стануть однаковими. Подібний контур випромінює хвилі все ж недостатньо, так як відсутній випромінювання котушкою, і струми, що протікають по обкладкам конденсатора, спрямовані в протилежні сторони і під прямим кутом до струмів в сполучних проводах.
Подальше збільшення випромінювання хвиль вийде, якщо витягнути дріт котушки в пряму лінію і замість обкладок для створення необхідної ємності застосувати дроти достатньої довжини (рис.2 в). Тоді напрямок струмів у всіх елементах дроти буде один і той же, т. Е. Коливання у всіх частинах дроти будуть відбуватися в однакових фазах, і випромінювання хвиль стане найбільшим. Таким чином, відкритий контур в найпростішому випадку являє собою прямолінійний провід. Практично в ньому все ж зазвичай залишають невелику котушку Lee для зв'язку з генератором (рис.2 г).
Всякий провід володіє власною індуктивністю і власною ємністю, розподіленими по його довжині, а тому є своєрідним коливальним контуром, в якому можна отримати вільні електричні коливання. На схемі (рис.3 а) в положенні 1 перемикача П обидві половини дроти заряджаються від батареї Б.
Рис.3 - Схема збудження вільних коливань у відкритому контурі і коливальний процес в ньому.
Якщо перевести перемикач в положення 2, то електрони будуть рухатися уздовж дроту в напрямку від нижньої його половини до верхньої, а потім у зворотному напрямку, т. Е. В проводі виникнуть вільні затухаючі коливання.
Окремі фази коливального процесу в проводі показані на (рис.3 б). У верхній частині малюнка показано розподіл електричного і магнітного полів, а в нижній частині - графік зміни струму і напруги в антені.
Напругою в будь-якій точці антени прийнято називати різницю потенціалів між цією точкою і симетрично їй розташованої точкою на другій половині дроти. Графік струму показує також зміна напруженості магнітногЬ поля, а графік напруги-зміна напруженості електричного поля. На (рис.3 6) графік напруги і відповідне йому електричне поле зображені штриховий лінією, а графік струму і відповідне йому магнітне поле - суцільною лінією.
У початковий момент (0 на рис.3 6) провід має потенційну енергією електричного поля зарядів, зосереджених на верхній і нижній половинах дроти. Тока ще немає, а різниця потенціалів має максимальну величину. При виникненні руху електронів вздовж дроти струм зростає, а напруга зменшується, і енергія електричного поля переходить в кінетичну енергію магнітного поля, створюваного струмом. Через чверть періоду електричне поле замінюється магнітним полем. У цей момент (1 на рис.3 б) струм максимальний, а напруга дорівнює нулю. Потім струм і магнітне поле зменшуються. Виникає Еде самоіндукції, яка підтримує рух електронів і провід перезаряджається. Енергія переходить з магнітного поля в електричне. До кінця другої чверті періоду (момент 2) знову енергія зосереджена в електричному полі, але напрямок поля змінилося на протилежне. Далі, протягом наступної половини періоду весь процес повторюється в зворотному напрямку і відновлюється первинний стан.
У проміжні моменти, які не зображені на верхньому кресленні, одночасно існують електричне та магнітне поля, так як енергія розподілена між обома полями. Електричне і магнітне поля є вздовж усього проводу, причому магнітне поле найбільш сильне в середині дроти, де струм найбільшої величини, а на кінцях дроти струм дорівнює нулю і магнітне поле відсутнє.
Відкритий контур, що представляє собою прямолінійний провід, в якому можуть відбуватися вільні електричні коливання, називають симетричним вібратором або, коротше, просто вібратором, або диполем. Для отримання в ньому незатухаючих коливань його пов'язують з генератором, наприклад, за допомогою індуктивного зв'язку (рис.4). У найпростішому випадку антенний пристрій для довгих, середніх, а іноді і коротких хвиль може бути виконано наступним чином. По можливості вище над землею підвішується сама антена, тобто система проводів, що грає роль однієї обкладки конденсатора. Другий обкладанням є земля або другий провід, званий противагою і підвішений невисоко над землею.
Рис.4 - Индуктивная зв'язок відкритого контуру з генератором
Таке антенний пристрій є несиметричним. Ємність Са між антеною та землею (або противагою) доходить до десятків або навіть сотень пикофарад. Схематично антенні пристрої із заземленням і з противагою показані на (рис.5 а) я б. На цих же малюнках дані умовні позначення антени, землі і противаги, які застосовуються в радіотехнічних схемах.
Рис.5 - Антенний пристрій із заземленням (а) і з протівововесом (б)