Полуволновой вибратор

Полуволновой вибратор — это линейная антенна, длина которой равна половине длины волны (λ/2) излучаемого или принимаемого радиосигнала. Является простейшей резонансной антенной, широко применяемой в радиосвязи, радиовещании и радиолокации. Представляет собой разрезной симметричный проводник, питаемый в центре. Благодаря простой конструкции, хорошему согласованию с фидером и высокой эффективности, полуволновой вибратор служит базовым элементом для многих более сложных антенн (например, директорных (типа «Волновой канал») или логопериодических).

История

Теоретическое обоснование полуволнового вибратора было разработано в конце XIX — начале XX века. В 1888 году Генрих Герц впервые экспериментально продемонстрировал излучение электромагнитных волн с помощью вибратора, который представлял собой разомкнутый колебательный контур. Однако практическое применение полуволнового вибратора началось после работ Александра Попова и Гульельмо Маркони, которые использовали более длинные антенны.

В 1920-х годах, с развитием радиовещания, возникла потребность в эффективных и широкополосных антеннах. Полуволновой вибратор, предложенный в 1926 году японским инженером Хидэцугу Яги (в составе антенны «Волновой канал»), стал стандартом для диапазонов коротких и ультракоротких волн. В СССР и России полуволновые вибраторы активно применялись в системах радиосвязи, телевидения и радиолокации, начиная с 1930-х годов. К 1950-м годам были разработаны многочисленные модификации, включая шунтовые и петлевые вибраторы, повышающие широкополосность и упрощающие согласование.

Принцип действия

Полуволновой вибратор работает как резонансная система. На его длине укладывается половина длины волны, что обеспечивает синфазное сложение токов в плечах антенны. В режиме излучения ток, протекающий по вибратору, создаёт переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространство. В режиме приёма падающая волна наводит в проводнике переменный ток, который затем поступает в фидер.

Распределение тока и напряжения

В полуволновом вибраторе распределение тока и напряжения вдоль проводника имеет характер стоячей волны:

• Ток максимален в центре (точка питания) и спадает до нуля на концах вибратора.
• Напряжение минимально в центре и максимально на концах.

Это распределение определяет входное сопротивление антенны. Для идеального полуволнового вибратора в свободном пространстве входное сопротивление составляет около 73 Ом, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением стандартных коаксиальных кабелей (50 или 75 Ом).

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости (при вертикальном расположении) имеет форму восьмёрки: максимумы излучения направлены перпендикулярно оси вибратора, а в направлении оси излучение отсутствует. В вертикальной плоскости (при горизонтальном расположении) диаграмма зависит от высоты подвеса над землёй. Коэффициент усиления (КУ) полуволнового вибратора относительно изотропного излучателя составляет примерно 2,15 дБи.

Конструкция и виды

Классический полуволновой вибратор

Представляет собой два симметричных плеча длиной λ/4 каждое, разомкнутых в центре. Плечи могут быть изготовлены из провода, трубки или металлического прутка. Точка питания (фидер) подключается к центру, где сопротивление минимально. Для повышения механической прочности вибратор часто изготавливают из алюминиевых или медных сплавов.

Петлевой вибратор (вибратор Пистолькорса)

Предложен в 1930-х годах советским инженером А. А. Пистолькорсом. Представляет собой замкнутый проводник в форме петли, длина которой равна λ/2. Входное сопротивление петлевого вибратора составляет около 292 Ом (в 4 раза больше, чем у классического). Это позволяет использовать его в качестве активного элемента в антеннах типа «Волновой канал» для согласования с фидером через симметрирующие устройства.

Шунтовой вибратор

Модификация, в которой питание подаётся не в центр, а в точку, смещённую относительно центра. Это позволяет изменять входное сопротивление антенны в широких пределах (от 50 до 600 Ом) без использования дополнительных согласующих устройств. Шунтовые вибраторы часто применяются в диапазоне УКВ для радиовещания и телевидения.

Вертикальный полуволновой вибратор

При вертикальной установке (например, на мачте) полуволновой вибратор излучает равномерно во всех направлениях в горизонтальной плоскости (круговая диаграмма). Такая конструкция используется в базовых станциях сотовой связи, радиолюбительских антеннах и системах радиосвязи.

Параметры и характеристики

• Длина вибратора: L = λ/2, где λ — длина волны в свободном пространстве. С учётом коэффициента укорочения (из-за ёмкостного эффекта на концах) реальная длина составляет примерно 0,95 × λ/2 для проволочных антенн.
• Входное сопротивление: 73 Ом (классический), 292 Ом (петлевой), 50–600 Ом (шунтовой).
• Коэффициент усиления (КУ): 2,15 дБи (относительно изотропного излучателя).
• Ширина полосы пропускания: по уровню КСВ (коэффициент стоячей волны) ≤ 2 составляет около 5–10 % от центральной частоты.
• Диаграмма направленности: в горизонтальной плоскости — восьмёрка, в вертикальной — зависит от высоты подвеса.

Применение

Полуволновой вибратор используется в различных областях радиотехники:

• Радиовещание: в диапазонах ДВ, СВ, КВ и УКВ для передачи и приёма сигналов.
• Телевидение: в качестве приёмных антенн для дециметрового и метрового диапазонов.
• Радиосвязь: в радиолюбительских, профессиональных и военных системах связи.
• Радиолокация: в составе антенных решёток и фазированных антенных систем.
• Сотовая связь: в базовых станциях для обеспечения кругового покрытия.

Интересные факты

• Полуволновой вибратор является основой для антенны «Волновой канал» (антенна Яги — Уда), которая состоит из активного полуволнового вибратора, одного или нескольких директоров и одного рефлектора. Такая антенна обеспечивает узкую диаграмму направленности и высокий коэффициент усиления (до 10–15 дБи).
• В радиолюбительской практике полуволновой вибратор часто называют «диполем» (от греч. «ди» — два, «полос» — полюс), хотя строго диполь — это любой разрезной вибратор.
• Для уменьшения габаритов на низких частотах (например, в диапазоне 160 метров) полуволновой вибратор может быть укорочен с помощью удлинительных катушек или ёмкостных нагрузок.
• В СССР и России полуволновые вибраторы широко применялись в системах гражданской обороны и радиовещания, в частности, в антеннах типа «Укороченный диполь» для диапазона 27 МГц (CB-радиосвязь).

Источники

• Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. — М.: Энергия, 1975.
• Ротхаммель К. Антенны. Том 1. — М.: ДМК Пресс, 2007.
• Пистолькорс А. А. Антенны. — М.: Связьиздат, 1947.
• ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
• Справочник по антенной технике / Под ред. А. А. Пистолькорса. — М.: Радио и связь, 1984.