Глава 4 - Антенны - «окна» в другие миры
Из электронной версии печатного издания книги А. Поис: «Наш Мир и Мы», часть 1 – «Мир и Мы» (Серия издания: «Поиски истины», М. МЦНТИ – Международный центр научной и технической информации. ООО «Мобильные коммуникации», 2004), размещенной на сайте www.pois.ru
Содержание первой части
Содержание главы 4
Глава 4 - Антенны - «окна» в другие миры.... 1
Назначение и направленные свойства антенн.. 1
Различные типы антенн.. 6
Антенны, антеннами не называемые. 24
Антенны космического масштаба.. 25
Космические неоднородные диэлектрические линзы и гравитация. 26
Египетские пирамиды как облучатели линзовой антенны по имени «Земля». 30
Галактики, межзвездные туманности, оболочки планет и черные дыры как антенны.. 32
Антенны земного масштаба.. 36
Антенны микромира.. 44
Некоторые искусственные формы как антенны.. 50
Общие параметры вещественных и полевых антенн.. 55
Выводы.. 57
Антенны, как известно, являются весьма «узким» научным направлением, но применяются столь широко, что почти каждый человек использует те или иные антенны в своей повседневной жизни, не задумываясь, как правило, ни о принципах их работы, ни о свойствах. Антенны относятся к той области науки, без которой невозможно дальнейшее познание мира, так как именно они являются устройствами ввода-вывода энергии, позволяющими обмениваться информацией, в том числе, и через огромные промежутки пространства-времени. Они всегда располагаются на внешней поверхности той среды, «окнами» которой являются, а поэтому их легко обнаружить. Кроме того, вся основная информация о самих антеннах, как, впрочем, и о нас самих, «на лице написана» и может быть достаточно легко считана соответствующими специалистами. Теория антенн, в основу которой положена теория электромагнитного поля, настолько универсальная, что может быть использована в самых разных областях науки. Ниже приведена основная информация об антеннах. И хотя ее первоисточники [29]-[52], [59]-[68] и [70]-[71] рассчитаны на студентов высших учебных заведений и узких специалистов, но она дана здесь в самом общем виде и изложена, по возможности, популярно, поэтому может быть понятна достаточно широкому кругу читателей. Кроме антенн, созданных человеком в этой главе рассмотрены природные антенны, и некоторые искусственные конструкции, которые, как правило, антеннами считать не принято, хотя фактически они ими являются. Среди антенн, созданных самой Природой можно найти аналоги всем антеннам, созданным человеком.
Назначение и направленные свойства антенн
Антенна - это устройство, предназначенное для излучения (испускания, «распыления») и приема (поглощения, «улавливания») электромагнитных волн. Однако аналогичные устройства используют и при работе с упругими волнами, в частности, звуковыми.
Антенна преобразует колебания в свободные волны (или наоборот) и излучает (принимает) эти волны в определенных направлениях (с определенных направлений) в соответствие со своей диаграммой направленности. Волны между антенной и генератором (приемником) распространяются по фидерной линии (энерговоду) в виде связанных, «бегущих» по нему, волн.
Передающей антенной связанные волны, поступающие от возбудителя колебаний - генератора, преобразуются в свободные, которые затем излучаются («распыляются») и распространяются в свободном пространстве. Приемная антенна осуществляет обратные действия - улавливает свободные волны и преобразует их в связанные, которые затем передаются в приемник, где снова превращаются в колебания.
Строго говоря, абсолютно свободных волн нет, как и нет абсолютно свободного пространства. Поэтому распространясь даже в, якобы, свободном пространстве волны являются связанными со средой, хотя и в несоизмеримо меньшей степени, чем с энерговодом.
Если любое ЕДИНСТВО действительно является частицей-волной, то «уловители» и «распылители» любых частиц-волн, а не только электромагнитных, можно также назвать антеннами.
Антенной, в принципе, может служить любая, причем не только вещественная и видимая, но и полевая, и невидимая форма, способная «улавливать» - принимать или «распылять» - излучать энергию того или иного вида. Но улавливать энергию может только незаполненная, «пустая», форма, имеющая недостаток энергии данного вида. А «распылять» - только переполненная форма, имеющая избыток энергии. Незаполненная и переполненная форма - это, как уже было показано, своего рода энергетическая «вогнутость» и «выпуклость», соответственно. В первой плотность энергии определенного вида меньше, чем в сообщающемся с ней пространстве, а во второй - больше.
Энерговоды, используемые в антенной технике [29], показаны на рис. 4.1 (поз.1).
Аналогичную форму имеют многие устройства, созданные Природой и человеком. И хотя большинство из них энерговодами не называют, но они фактически могут ими стать, если в окружающей их среде появится тот вид энергии, движение которой они способны направить. В принципе, энерговодами могут служить естественные и искусственные элементы, имеющие не только аналогичную конструкцию, но и многие другие формы.
К искусственным конструкциям, способным служить энерговодами, относятся многие строительные элементы, включая разные трубы и прокатные профили. К природным - русла рек; корни, стволы и ветки растений; пещеры и многое другое, включая слои атмосферы разной плотности, являющиеся, как известно, атмосферными волноводами для определенного диапазона волн (см. рис. 4.1, поз.2).
Любой энерговод всегда выступает и в качестве антенны, хотя коэффициент усиления такой антенны может быть бесконечно малым. Это является следствием того, что абсолютно замкнутых систем ни человеком, ни Природой не создано, а любая, хотя бы чуть-чуть приоткрытая для энергии того или иного вида система уже является антенной. Хорошей антенной является открытый энерговод, например, колебательный контур. В замкнутом контуре энергия, изменяясь с определенной частотой во времени, колеблется в малом промежутке пространства. Но если контур «открыть», то эти колебания «растянутся» в пространстве, образуя волны, а колебательный контур превратится в антенну.
Свободная электромагнитная волна, как уже было сказано, - это система замкнутых контуров (см. рис. 2.1, поз.2), внутри которых циркулирует электрический ток - поток электронов. Электрические контуры создают вокруг себя замкнутое магнитное поле, состоящее из множества магнитных «колец», расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости электрического контура. Магнитные «кольца», в свою очередь, создают электрические и т. д. В результате, образуется движущееся поле, состоящее из «нанизанных» друг на друга и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях «колечек». Каждое из этих «колечек» можно рассматривать как замкнутый контур, в котором «бьются» стоячие волны, создавая на его поверхности выпуклости и вогнутости. Образование видимых нам единичных «колец», которые «дышат», может продемонстрировать опытный курильщик, резко выдыхая дым. Аналогичные частицы-волны можно «выбивать» и из аппарата «Тэты» [4].
Аппарат «Тэты» - это деревянный ящик, в котором вместо одной стенки натянута плотная материя (мембрана), а на противоположной стенке вырезано отверстие. При резком ударе по мембране воздух (его следует подкрасить, чтобы он стал видимым) выбрасывается из отверстия в виде вращающегосякольца.
Направленные свойства антенн - способность концентрации (усиления) частиц-волн в определенных направлениях путем создания из них узких пучков (лучей) или других, иногда очень сложных, форм, проявляются, как известно, в том случае, когда их размеры значительно превосходят длину волны. Однако направленностью, хотя бы небольшой, обладает практически любая антенна. На направленные свойства распространяется принцип взаимности, из которого следует, что направленные свойства антенны при ее работе в режиме передачи и приема одинаковы. Направленное испускание частиц-волн позволяет без увеличения мощности передатчика в десятки, сотни, тысячи и даже миллионы раз увеличивать концентрацию частиц-волн в определенных направлениях и (или) без увеличения чувствительности приемника усиливать ослабленный во столько же раз сигнал, приходящий с тех же самых направлений. Направленные свойства антенны определяются ее диаграммой направленности.
Аналогом, хотя и далеким, направленных «антенн» могут служить большие предприятия. Они в часы «пик» «улавливают» или «испускают» большое количество людей, увеличивая в определенных направлениях плотность людских потоков. В данном случае реализуется и принцип взаимности - потоки людей и при «улавливании» их предприятием, и при «испускании» будут примерно одни и те же, но направленные в противоположные стороны.
Диаграмма направленности (ДН) [2] определяет характер распределения в пространстве мощности электромагнитного поля, излучаемого (принимаемого) антенной.
Из определения следует, что, в общем случае, ДН определяет распределение в пространстве энергии, направление ее движения, т. е. направленные свойства. Она представляет собой своего рода распределительную сеть. Поэтому ДН имеет любая система, способная определенным образом направлять (распределять) те или иные виды энергии, частицы-волны того или иного диапазона. Любая сеть энерговодов также является своего рода ДН.
Океанские и воздушные течения; орбиты, комет, планет, звезд и др.; путь на работу и обратно; сеть всевозможных силовых линий, включая магнитные; и многие другие сети являются своего рода ДН. Для автомобилей - это сеть автомобильных дорог, а для поездов - железнодорожных. Для воды - сеть водоемов и пустот в земной коре, включая пещеры и подземные реки, водопроводная сеть и др. Для самолетов - воздушные трассы. Для электрического тока и газа - электрическая и газовая сеть, соответственно. Для энергии, обеспечивающей жизнедеятельность человека и животных, - это в основном нервная, кровеносная, лимфатическая и пищеварительная системы. Все эти системы (и не только они), подобно водопроводной или газовой сети или автодорожной системе, в определенные промежутки пространства-времени могут быть наполнены частицами-волнами того или иного вида, но могут наполненными и не быть. ДН определяет лишь возможность движения энергии по той или иной распределительной сети, а не саму энергию и ее движение.
Диаграмма направленности является, как известно, одной из основных характеристик антенны. Форма ДН и «протяженность» (дальность действия) ее отдельных лепестков, в первую очередь, определяется, как известно, конфигурацией и плотностью рабочей поверхности антенны, а так же ее размером в длинах волн («удельной взаимодействующей поверхностью»). Зависит она и от пространственной ориентации волны (поляризации), от параметров окружающей среды, от типа самой волны и многого другого. Известно бесконечное множество форм ДН, соответствующих тем или иным антеннам при их работе на тех или иных длинах волн. Многие из них можно рассчитать с большой точностью, но что представляет собой невидимая нам ДН, «наполненная» энергией, включая ДН антенн, предназначенных для приема-передачи электромагнитных волн, остается не совсем ясным. Поэтому попробуем это выяснить с учетом сделанного ранее предположения, что заряды, определяющие распределение энергии в пространстве, - это энергетические «выпуклости» и «вогнутости».
Абсолютно «пустого» пространства, как уже было неоднократно отмечено, в природе не обнаружено. Любое пространство, включая вакуум, с той или иной плотностью заполнено как относительно стабильными («покоящимися»), так и нестабильными (действующими, движущимися, изменяющимися) частицами-волнами, большинство из которых остается для нас невидимыми. Поэтому любая форма, внесенная в любое пространство, как и любое тело, опущенное в воду, совершенно определенным образом его искривляет - перераспределяет заполняющие его частицы и квазичастицы. В общем случае она перераспределяет энергию. В результате образуются новые энергетические потоки и новые энергетические формы - «выпуклости» и «вогнутости», которые тут же заполняются энергией, имеющейся в окружающей среде, до тех пор, пока система не придет в состояние статического или динамического равновесия. Если же в данном промежутке пространства-времени какого-либо вида энергии, способной заполнить данную энергетическую сеть, нет, но со временем она появляется, то эта энергия распределяется в соответствии с подходящими для нее и сообщающимися между собой «пустотами», способными ее поглотить, т. е. по определенной диаграмме направленности. И это не зависит от того, с какой стороны данная энергия «течет» - изнутри или снаружи. Это же относится и к антеннам. ДН, «заполненная» электромагнитными или какими-либо другими полевыми частицами-волнами, в свою очередь, также является своеобразной энергетической формой - антенной-невидимкой. Она также искривляет пространство, перераспределяя его энергию (частицы-волны) и создавая новые энергетические «выпуклости» и «вогнутости» - очередную распределительную сеть, ДН следующего порядка. И т. д.
Гипотеза 4.1: Диаграмма направленности, в общем случае, - это некая энергетическая форма, создаваемая телом за счет изменения им кривизны пространства, создания энергетических «выпуклостей» и «вогнутостей» путем перераспределения покоящихся и (или) движущихся вещественных и полевых частиц и квазичастиц разной формы, размера и конфигурации. Форма незаполненной диаграммы направленности определяется расположением сообщающихсяпространственно-временныхэнергетических «пустот» (заполненной - расположением уплотнений), размер которых соизмерим с размером тех или иных частиц-волн или больше их, а энергетическая пространственно-временная плотность поверхности (или объема), ограничивающей эти пустоты, не позволяет данным частицам-волнам пройти сквозь нее совершенно свободно.
Примером видимой нами «вогнутости», ограниченной непрозрачной для определенных частиц-волн поверхностью, может служить как «тарелка» антенны НТВ, так и самая обычная тарелка или дуршлаг. Для того, чтобы антенна (и не только антенна), имеющая ту или иную ДН, из «мертвой» превратилась в «живую» (действующую), необходимо вдохнуть в нее «душу» - наполнить частицами-волнами. И не любыми, а теми, с которыми она способна взаимодействовать - улавливать и испускать, причем определенным образом.
Изображение диаграммы направленности может быть пространственным или плоским (в полярной или прямоугольной системе координат). При плоскостном изображении чаще всего приводят ДН в наиболее характерной плоскости сечения или в двух главных взаимно перпендикулярных плоскостях. Пространственное изображение является весьма сложным и трудоемким, поэтому чаще используют плоскостное.
На рис. 4.2 показано пространственное и плоскостное (в полярной и декартовой системе координат) изображение игольчатой и веерной диаграммы направленности (поз.1), а также несколько пространственных ДН разной формы (поз.2-4), которые аналогичны многим хорошо известным вещественным формам, включая и форму некоторых антенн.
На рис. 4.3 приведено схематическое изображение и плоскостные ДН нескольких типов антенн [32]-[36]: вертикального четвертьволнового вибратора, расположенного над экраном (поз.1); тонкого углового вибратора (полуволнового и волнового), имеющего разный угол между плечами (поз.2); трех цилиндрических спиральных антенн (поз.3), имеющих разные размеры в длинах волн; симметричного вибратора, имеющего разный размер в длинах волн и разную толщину (поз.4); биконической антенны, имеющей разный размер в длинах волн (поз.5); толстого углового вибратора, имеющего разный размер в длинах волн (поз.6); диэлектрической стержневой антенны (поз.7); проволочной ромбической антенны (поз.8); антенны, состоящей из вертикального вибратора и трех радиальных проводов (поз.9), антенны из четырех радиальных вибраторов, расположенных на поверхности цилиндра (поз.10); а также (внизу) ДН разных антенн, форма которых наиболее типична. Соответствующие пространственные ДН являются, как правило, телом вращения плоскостной ДН вокруг оси симметрии.
Направленные свойства многих антенн в сильной степени зависят от наличия или отсутствия экрана. Если, например, горизонтальный или вертикальный вибратор расположить на определенном расстоянии от проводящего экрана, то это равносильно появлению еще одного (виртуального) вибратора, который, являясь всего лишь зеркальным отражением первого, влияет на распределение поля вполне реальным образом. В результате ДН получается такой, как будто бы это система, состоящая из двух реальных вибраторов. Отражающим экраном, особенно на длинных и средних волнах, зачастую служит земля, на коротких и ультракоротких волнах чаще всего делают металлические экраны, которые могут быть сплошными или сетчатыми. Иногда их делают и лучеобразными. Чаще всего экраны используют для создания одностороннего излучения. Направленные свойства в сильной степени зависят и от размера экрана. Например, приведенная на рис 4.3 (поз.1) ДН четвертьволнового вертикального вибратора при наличии бесконечного экрана представляет собой сплошное воронкообразное тело (пунктир). При конечном экране это тело состоит из нескольких слоев (лепестков) и напоминает по форме чашечку многолепесткового цветка.
Если мысленно представить пространственные формы приведенных плоскостных ДН, то многие из них окажутся похожими на те или иные видимые объекты окружающего нас мира, а многолепестковые ДН, чаще всего, похожи на цветы. Многообразие форм цветов известно каждому, а многообразие форм ДН вообще не поддается исчислению. Однако даже среди небольшого количества ДН, приведенных на рис. 4.2 и 4.3, можно найти ДН весьма близкие по форме, хотя они и принадлежат конструктивно разным антеннам.
Принципиальное отличие антенн от многих других устройств, как уже было сказано, состоит в том, что антенны являются устройствами ввода–вывода энергии, т. е. своего рода окнами. Поэтому они, как правило, расположены на границе сред («миров») и открыты для обозрения. Кроме того, даже по одному внешнему виду антенны опытный специалист зачастую может определить многие ее параметры, включая главные, - возможный рабочий диапазон и направленные свойства.
Если любое ЕДИНСТВО действительно является приемо-передающим устройством для частиц-волн тех или иных видов и диапазонов, то оно одновременно является и антенной, чаще всего, бесконечным множеством антенн. Поэтому именно антенны помогут нам наиболее быстро определить основные параметры каждого ЕДИНСТВА. Но для этого из бесконечного разнообразия антенн необходимо выделить те, которые нас интересуют в каждом конкретном случае, так как антенной - уловителем и распылителем энергии того или иного вида является любая, хотя бы чуть-чуть открытая система. Но так как абсолютно замкнутых систем в реальном мире не обнаружено и человеком не создано, то антеннами является все СУЩЕЕ.
Различные типы антенн
Современные антенные устройства подразделяют на следующие основные типы: проволочные, щелевые, поверхностных волн, акустического типа (рупорные), спиральные, логопериодические и оптического типа (зеркальные и линзовые). Кроме того, в отдельную группу обычно выделяют элементарные излучатели (диполи), которые могут быть и «элементарными» структурными элементами более сложных антенн.
Элементарные излучатели - это элементарный электрический вибратор (малый прямолинейный кусок проводника), элементарный магнитный (рамка) и их щелевые аналоги, а также излучатель Гюйгенса.
Элементарные проволочные и щелевые (прямолинейные и круговые) излучатели и ДН, которая для проволочных вибраторов и их соответствующих щелевых «собратьев» имеет одинаковую форму, показаны на рис 4.4 (поз.1 и 2, соответственно). Там же приведена теоретическая ДН воображаемого элемента Гюйгенса (поз.3), а также ДН (поз.4, слева) его близкого реального аналога - кардиоидной антенны (поз.4, справа), состоящей из прямолинейного элемента и круговой рамки.
Элементарный вибратор - это очень короткий по сравнению с длиной волны провод, обтекаемый переменным (колеблющимся) электрически током, амплитуду и фазу которого можно по всей длине считать одинаковыми. Такой вибратор называют электрическим, а его практической моделью является диполь Герца.
Элементарная рамка, являющаяся эквивалентом магнитного вибратора, - это виток провода той или иной формы (обычно круглой или квадратной), по которому течет переменный (колеблющийся) ток, а его длина много меньше длины волны.
Электрический и магнитный вибратор представляют собой проводники, по которым течет переменный ток. Их диаграммы направленности одинаковы по форме - это тороид, Но в первом случае ось тороида совпадает с осью электрического вибратора, а во втором - с осью рамки, перпендикулярной к ее плоскости.
Элементарная щелевая антенна - это антенна, работа которой связана с излучением и приемом электромагнитных волн отверстием, прорезанным в бесконечном экране или в стенке резонатора.
Принцип двойственности, который очень хорошо демонстрируют элементарные вибраторные и щелевые антенны, выражается в идентичности ДН одинаковых по форме антенн. При этом не имеет значения, представляет ли антенна собой проводящее ток «тело» или «дырку» той же формы, вырезанную в бесконечной плоскости, через которую поступают частицы-волны. В первом случае частицы-волны отрываются от электрического потока текущего по проводнику, а во втором - «разбрызгиваются» через щель из заполненного аналогичными потоками пространства - резонатора. Значение имеет наличие потока (тока), а также размер и форма взаимодействующей с ним поверхности, от которой могут «оторваться» или через которую могут «протиснуться» частицы-волны.
Источник Гюйгенса - это воображаемый первичный излучатель зеркальных антенн, реальным аналогом которого может служить совокупность электрического и магнитного излучателя, «элементарный кусок» поверхности, определенным числом которых при расчете ДН заменяют иногда поверхность зеркальных антенн. Источник Гюйгенса [31] по своим направленным свойствам является сочетанием свойств электрического и магнитного диполей. Его расчетная ДН имеет вид кардиоиды вращения [41] (см. рис. 4.4, поз.3). Кардиоидная антенна [31], состоящая из вибратора и рамки (см. рис. 4.4, поз.4, справа), имеет примерно ту же форму ДН (см. рис. 4.4, поз.4, слева), как и виртуальный источник Гюйгенса. И обе они по форме напоминают сердце.
Проволочные и щелевые антенны и их антенные системы - это те же проволочные вибраторы и щели, но большей (в длинах волн) величины по сравнению с элементарными вибраторами, а антенные системы - это многоэлементные конструкции различной формы, составленные из «элементарных» (или более сложных) одинаковых излучателей. Антенные системы образованы обычно из нескольких (или множества) вибраторных, щелевых или других антенн, расположенных определенным образом. Основным признаком любой системы является упорядоченное (повторяющееся) плоскостное или пространственное расположение однородных элементов или одинаковых сочетаний из разных элементов (это присуще и молекуле ДНК), которые в своей совокупности образуют ту или иную форму. Антенные системы, состоящие из активных элементов (энергия подводится к каждо 
му из них) увеличивают, как правило, усиление антенны по сравнению с одиночным элементом в число раз, соответствующее их количеству.
Проволочные антенны выполняют чаще всего из проводов, труб, лент, сечение которых может быть постоянным или переменным. В простейшем случае проволочную антенну, как и элементарный электрический вибратор, изготавливают из прямолинейного провода, к которому подключается питающая линия. Вибратор, имеющий одно «плечо» (энерговод подводится к одному из его концов), называют несимметричным, а имеющий два одинаковых «плеча» (энерговод подводится к центру), - симметричным.
На рис. 4.5 показаны различные виды несимметричных вертикальных вибраторов [35].
На рис. 4.6 - мачтовых [37] и проволочных [34] антенн. Они отличаются друг от друга длиной рабочей волны и абсолютными размерами, а также связанным с этим иногда разным конструктивным выполнением.
На рис. 4.7 показаны некоторые (человеком их создано очень много) симметричные вибраторы [36], включая изогнутый, который можно согнуть из уголкового вибратора (он показан пунктиром).
На рис. 4.8 приведены плоские одноярусные и многоярусные антенные системы [38], [39], [34], изготовленные из проволочных вибраторов (поз.1), пирамидальная антенна, изготовленная из проводов (поз.2), и антенны, выполненные из пластин (поз.3).
К плоским проволочным антеннам относятся и многие рамочные антенны (активные и пассивные). Некоторые из них [31], [33], [34], [38] показаны на рис. 4.9.
Естественные и искусственные аналоги даже перечисленных выше антенн столь многочисленны, что каждый может самостоятельно найти среди искусственных и естественных объектов окружающего нас мира очень много подобных форм, тем более, что абсолютно точного конструктивного подобия, чтобы иметь параметры, примерно совпадающие с параметрами той или иной типовой антенны, не требуется.
Щелевые антенны [39] - это различного размера и конфигурации щели, прорезанные в стенке резонатора, имеющего ту или иную форму.
На рис. 4.10 показаны некоторые конфигурации щелей, прорезанных на прямоугольном и круглом волноводе (поз.1), экранах резонаторов (поз.2), а также щелевые антенны, изготовленные на базе прямоугольного (поз.3) и круглого (поз.4) волновода, и возможные формы и расположение щелей на стенках прямоугольного волновода (поз.5). В центре (поз.6) приведен один из первых искусственных спутников, оборудованный антеннами разного типа в основном щелевыми, которые действительно напоминают окна, открытые в другой мир, в данном случае, в космическое пространство.
Вибраторные и щелевые антенные системы [38], [39], [40] - это системы из нескольких (или множества) одинаковых и упорядоченно расположенных вибраторов или щелей, которые могут быть размещены на телах самой разной формы.
На рис. 4.11 показаны некоторые наиболее часто используемые в летательных аппаратах вибраторные и щелевые антенные системы. Среди них есть системы, похожие и на ежа, и на кактус, и на окна зданий, и многое другое.
Аналогами проволочных и щелевых антенн, как и многих других, могут служить любые неоднородности соответствующей формы, образованные границей раздела двух сред, проводящие (пропускные) свойства которых для данного вида энергии значительно отличаются.
Это может быть дамба, ограниченная водой, по которой способны двигаться машины, а вода является для них запретной зоной. Но если дамбу заменить каналом, воду - твердой поверхностью, а машины - гондолами, то все изменится. Вода станет «пропускать» гондолы, а твердая поверхность - нет.
В общем случае, аналогами тех или иных конкретных проволочных и щелевых «вибраторов» являются те представители неживой и живой природы, включая самого человека, общие контуры которых (или их отдельных частей) в определенные моменты времени, хотя бы в слабой мере напоминают приведенные выше (и здесь неприведенные) формы вибраторов и щелей. Мелкие детали, размер которых много меньше рабочей длины волны, особого значения не имеют, а форма может весьма сильно отличаться от приведенных форм без особого ущерба для их работы.
Аналогами несимметричных вертикальных вибраторов могут служить деревья, рога животных, стебли трав и многое, многое другое, включая различные конструкции, созданные человеком совсем для иных целей. Вертикальными «вибраторами» являются, например, башни, церкви, высотные дома. Все они, наряду с высокими деревьями, способны улавливать молнии, длина волны которых, как известно, составляет несколько десятков метров, т. е. соизмерима с их размерами.
Аналогом симметричных вибраторов являются листья (и иголочки), а также веточки многих растений, включая деревья, расположенные симметрично. Они, как известно, способны поглощать и накапливать энергию, а также ее перерабатывать и испускать уже в виде другой энергии, например, поглощать углекислый газ и, переработав его, испускать кислород.
Аналогом щелевой антенны может служить любая канава, колея или углубление, способная заполниться любым веществом, размеры отдельных частиц которого соизмеримы с ее размерами или много меньше. К ним же можно отнести и все «просветы» между природными объектами и искусственными конструкциями, соответствующего размера и формы. Действующими «щелевыми антеннами» на видимом нам уровне являются родники, гейзеры, фонтаны, поливочные распылители и др.
Аналогами «рамочных» излучателей являются любые конструкции соответствующей конфигурации. Рамочными антеннами могут быть украшения в виде цепочек, колец, браслетов, сережек. К ним относятся узоры и линии соответствующей конфигурации.
«Нарисованные» антенны (и не только антенны) широко применяются, как известно, в печатных схемах.
Перечисленные выше антенны и Природой, и человеком могут быть изготовлены самыми разными способами, например, в виде углублений, нарисованы карандашом (кстати, графит проводит электрический ток) или образованы металлическим покрытием.
Человек (а также его отдельные части и органы) является владельцем множества антенн. Человек, стоящий по стойке «смирно, может служить аналогом вертикального вибратора, раскинув руки в стороны, он превращается уже в симметричный горизонтальный «вибратор», а сводя и разводя руки и ноги, меняет (регулирует) ДН своих «уголковых вибраторных антенн», образованных руками и ногами. О некоторых (из бесчисленного множества) «человеческих» антеннах будет более подробный разговор во второй части.
В качестве одиночных вибраторных и рамочных антенн и их щелевых «собратьев» могут выступать практически все объекты и субъекты нашего мира. Все они способны концентрировать вокруг или внутри себя определенного вида поле (если оно имеет место быть) в соответствие с собственной ДН. И все, что попадает в зону действия этой ДН, будет находиться в поле с повышенной концентрацией энергии данного вида. Если же плотность внутренней энергии системы, подсоединенной к антенне, превысит плотность этой же энергии в окружающем пространстве, то она начнет ее испускать с повышенной концентрацией в тех направлениях, которые совпадают с «лепестками» ее ДН.
Наглядным примером «антенн», работающих на передачу, могут служить, как уже было сказано, действующие поливочные установки. Некоторые из них способны распылять воду по кругу, другие - в определенном секторе, а третьи - представляют собой своего рода локатор, они вращаются. При необходимости можно создать в определенном направлении и остронаправленную ДН - «луч», направив туда тонкую, но мощную струю воды.
Аналоги антенных систем - это кристаллы, снежинки, многоатомные молекулы, многомолекулярные соединения органических веществ и др. К ним же можно отнести многое из того, что создано руками человека, но не рассматривается им в качестве антенных систем. Это и лесозащитные полосы, и окна зданий, если они расположены упорядоченно, и улицы, имеющие одинаковые и упорядоченно расположенные дома. На некоторых таких улицах может, как известно, постоянно «гулять» ветер, для которого они являются энерговодами. В качестве природных аналогов многоэлементных систем могут служить ветки деревьев, особенно хвойных, их иголочки, как уже было сказано, являются типичными «проволочными» вибраторами. Но о деревьях далее будет более подробный разговор.
 |
Антенны поверхностных волн - это направляющие системы (рис. 4.12), вдоль которых распространяются поверхностные электромагнитные волны. Направляющими (поз. 1-7) могут быть металлические поверхности, покрытые слоем диэлектрика, ребристые металлические структуры, поверхности, состоящие из слоев с разными электрическими свойствами, диэлектрические и металлические стержни и многое другое. Излучение плоскостных антенн поверхностных волн (поз.1и 2, справа) направлено примерно параллельно поверхности, а стержневых (поз.2, слева и поз 6) - преимущественно вдоль их оси. Поэтому их соответственно называют антеннами поверхностных волн и антеннами осевого излучения.
В общем случае, антенны поверхностных волн представляют собой поверхность из однородных (одинаковых) неоднородностей, вдоль которых «дует» электромагнитный ветер. Антенны поверхностных волн можно сравнить с дорогой, покрытой «вязким» верхним слоем. Частицы-волны в этом «вязком» слое как бы «запутываются» и не могут «улететь» вверх, но могут по нему передвигаться.
На рис. 4.12 (поз.1, 2, 5) показаны способы возбуждения электромагнитного «ветра» в некоторых типах поверхностных антенн [37], [38], [41] при помощи первичного излучателя того или иного вида. Из диэлектрических штырей, имеющих круглый, квадратный или прямоугольный экран, может быть изготовлена многоэлементная решетка (поз. 6, внизу, справа).
Аналоги антенн поверхностных волн (плоскостных) - это кора головного мозга, песчаные барханы в пустынях, слои земной коры с разными параметрами, лесные массивы, слоистые облака и многое другое. Стержневых - фактически все, что угодно, имеющее подобную конфигурацию, включая слегка раздвинутые четыре пальца ладони (на них очень похожи счетверенные диэлектрические штыри, см. рис.4.12, поз 6), а также позвоночник человека и животных (он сходен со стрежнем, изготовленным из отдельных шайб). Но о «человеческих» антеннах более подробный разговор пойдет во второй части.
Антенны акустического типа - рупорные [29], [33], [34], [38], [46], [47], [59], [61]- [64] показаны на рис. 4.13.
Направленные свойства рупорных антенн определяются в основном размером раскрыва - шириной «окна» и углом раствора рупора.
Угол раствора - это угол, образованный его противоположными стенками или образующими, а раскрыв - плоскость, перпендикулярная оси рупора и проходящая через его кромки.
При малых углах раствора рупора ширина ДН определяется в основном, его размером раскрыва в длинах волн, а при больших - углом раствора. Угол раствора не связан с длиной волны, а поэтому направленные свойства такого рупора сохраняются практически неизменными в очень широком диапазоне волн. Все широкоугольные антенны являются, как правило, и широкодиапазонными, так как их фазовый центр (фокус) на разных длинах волн расположен примерно в одном и том же месте.
Рупор в режиме приема улавливает и концентрирует энергию в точке - фазовом центре, расположенном на оси рупора, который фактически является фокусом. В режиме передачи энергия, подводимая к фокусу, излучается в направлениях, определяемых лепестками ДН рупора. Положение фокуса относительно вершины и его «точечность» зависят от геометрических размеров рупора: угла раствора и размера раскр