Антенналық құрылғылардың техникалық және теориялық дамуынан қысқаша мәлімет.

Лекция жоспары:

· радионың пайда болу тарихы;

· антенналық техника мен радиотехниканың негізгі даму бағыттары мен кезеңдері;

· қазіргі уақытта қолданылып жатқан антенналардың типтері.

Радио эволюциясының барлық кезеңінде антенналық техниканың дамуы кезектесіп және антенналық құрылғылардың теориялық дамуымен тығыз байланыста болған. Электромагниттік толқынның болуы туралы Генрих Герцтің бірінші дәлелді эксперименталды жұмысы да дипольдің сәулеленуі туралы теориялық ізденістермен толықтырылған болатын. Александр Степанович Поповтың радионы ойлап табуының ең негізгі элементтерінің бірі қабылдағыш антенна болатын. Осы антенаның Герц вибратормен және қабылдағыш контурмен қосылуы А.С. Поповқа радиобайланыс линиясының ұзақтығын ұлғайтуға көмектесті, сол арқылы ол техниканың жаңа облысы ретінде радиотелеграфия мен радиотехниканы алып келді.

Радионың ашылу кезінен бастап, антенналық құрылғылар техникасы ұзақ та, қиын кезеңді кешірді. Жаңа диапазондағы толқындарды үйрену, жаңа радиотехниканы қолдану ескілерді алмастыруға және жаңа антенналық құрылғылардың пайда болуына алып келді.

Антенналық құрылғылардың даму тарихын көре отырып, антенналық техника мен радиотехниканың негізгі даму бағыттарымен сипатталатын жеке кезеңдерге бөлуге болады.

1-кезең – дайындалу (XIX жүзжылдық). Радионың шығуына әсер еткен, электромагнителуді зерттеуде біз көбіне Майкл Фарадейдің (1791-1867 жж.), Джеймс Кларк Максвеллдің (1851-1879 жж.) және Генрих Герцтің (1857-1894 жж.) еңбектеріне қарыздармыз. Оларды антенналық техника мен теорияның бір бөлігі болып табылатын электродинамиканың негізін қалаушылары деп атауға болады.

М. Фарадейдің жұмысынан біз электромагниттік индукция (1851 ж.) заңының ашуын, «диэлектрлік өткізгішті» енгізуін, парамагнетизм мен диамагнетизмді ашуын, электрлік және магниттік күштік линиялар туралы негізді енгізуін атап көрсетуге болады.

Д. Максвеллдің атақты «Электрлену және магниттелу туралы тракты» (1875 ж.) және басқа да еңбектері Фарадейдің күштік линиялар еңбегін математикалық тұрғыда көрсетуге көмектесті және оптика мен электродинамиканың арасындағы байланысты бекітті. Максвеллдің бұл кішкене өзгерген формадағы жұмысы әлі күнге дейін электродинамиканың теориялық негізі болып табылады.

Г. Герцтің ғылыми кәсібінің негізгі бағыты - Максвелл теорияларын тексеру болып табылады. «Максвеллдің теориясына сәйкес қарастырылатын, электрлік толқыныс күші» (1888 ж.) атты жүмысында шешудің характерлік методын қолданады, қазіргі уақытта оны Герцтің векторлық методы деп атайды және де онда Герцтің дипол күштік линиялар көрінісі көрсетіледі. Оның электромагниттік толқындарды зерттеу туралы эксперименттік жұмысы радионың ашылуына бастама болып табылады.

2 кезең – радиотехниканың дамуының бастамасы, ұзын және орташа толқындар үшін антенналардың дамуы (1895-1924 жж.). Айтылғандай, А.С. Поповтың тапқан элементтерің бірі болып жерге тұрғызылған антенна болып табылады. Ол оның бірінші қабылдағыш және жібергіш құрылғыларының схемасына кірген болатын.

Егер Герцтің тәжірибесінде толғаныс контуры электромагниттік толқынды сәулелегіш болса, онда Поповтың схемасында антенна радиоқұрылғының жеке элементі болды. УКВ толқынысынан туған скачок, антенналық техниканы тиімсіз жағдайға қойды, өйткені бұл толқындарда сәулелену (излучение) эффектісі өте төмен болатын. Радиотелеграфты қолданудағы бірінші жылдары антеннаның тиімділігін арттыру үшін оның биіктігін ұлғайту керек шығар деген тұжырымға келген. Ол кезде антенналарды үлкен мачталарға көтерген немесе әуе шарларына ілген. Передатчиктің қуатының ұлғаюы, соған байланысты антеннадағы ток пен кернеудің ұлғаюы коронаның пайда болуына әкеп соқты. Осыған сәйкес енді біріншілік (первичный) проводты параллельді немесе ажыраған (расходящий) проводтық жүйеге ауыстыруға тура келді. Мысалы, 1901 жылы Анлант мұхиты арқылы байланыс берген Марконаның мықты радиостанциясындағы антеннаның түрі артқа жіберілген (опрокинутой) төртгранды пирамида сияқты болған. Ол төрт мачтамен ұсталынатын веер сияқты ашылатын проводтардан тұрған. Антенналардың тиімділігін арттыру үшін және көлденең проводтарлың санын азайту үшін оларға тік проводтарды қоса бастаған. Олар өздері сәуле таратпай (излучать), антеннаның көлденең бөлігіндегі токтың таралуын (распределение) арттырған. Бұл таратқыш (передающих) құрылғылардың қуаттылығын арттыруға көмектесті. Тік бөлікті антенналарға Т- және Г- типті, сондай-ақ қазіргі уақытқа дейін сақталған зонтты антенналар жатады. Осы кезде бағытталған қабылдау жасай алатын көп виткалардан тұратын рамочный антенналар көптеп қолданыла бастаған.

Ұзынтолқынды антенналардың сәулелену тиімділігі аз болғандықтан жерге тұйықтау қуаты сәулелену қуатынан асқан. Ол антеналық қару-жарақтың пайдалы әсер коэффициентінің (ПӘК) төмен белгісіне әкеп соқты. Сондықтан, 20-шы жылдардан бастап жерге тұйықтаудағы құруларды төмендету үшін интенсивті жұмыстар жүргізілген болатын. Жерге тұйықтауды немесе кең дамыған қарсы салмақты қолдану кедергіні құруын бірлікке дейін және Ом бөлігін азайтуға әкеп соқты және де антеннаның ПӘК-ін 10-30% дейін ұлғайтуға көмектесті. ПӘК-тің үлғаюын 1920 жылы тұрғызылған америкалық радиоинженер Александерсен ұсынған антенна берген болатын. Ол әр қайсысының өзінің жерге тұйықтауы бар, ұзын тік бөліктен және бірнеше көлденең төмендеуден (снижении) тұрады. Антеннаның көлденең бөлігінің бір-біріне әсер етуі N азаю кезіндегі N² рет болатын сәулелену жалпы кедергіні көбейтеді.

А.С. Поповтан кейін біздің елімізде антенналардың теориясымен және конструкциясымен Л.И. Мандельштам мен Н.Д. Папалекси айналысқан. Абрагам диполдің сәлелену теориясын симметриясыз антеннаға қолданған, ол онда жақсы көрінетін (отражающей) жердің әсерін вибратордың екінші жартысына ауыстырған. Антеннаның сәулелену (излучения) кедергісінің көрсеткіш формуласы Рюденбергтен алынған болатын. Аяғында ток стнусиалды таратылған еркін салмақты антенна үшін Ван-дер-Поль сәулеленудің кедергісінің шамасын тапқан.

ТМД-да антенналық техниканың, сонымен қатар радиотехнтканың да дамыған кезі 1917 жылдан басталды. 1918 жылы қыркүйекте алғаш рет антенналардың теориясы мен есебі жазылған бірегей басылымдары бар «Сымсыз телеграфия мен телефония» атты ғылыми-техникалық журнал шыққан. Антеннаның бұл даму кезеңінің тамаша аяқталуы, 1922-1924 жж. радиожелі, ол кезде антенналық жабдықтар курсының оқытушысы М.В. Шулейкиннің (1884-1939 жж.) бастамасы болды. Бұл курста негізгі формулалар және жерге тұйықталу мен антеннаның инженерлік есебінің методикасы берілген болатын.

3 кезең – қысқа толқынды антенналардың дамуы (1925-1935жж.). 20-шы жылдардың ортасына қарай ұзын толқындарға қарағанда қысқа толқындар ұзақ қашақтықтарды алатындығы белгілі болған. Радиобайланыста бағытталған антенналары бар мықты қысқы толқынды радиостанцияларды тұрғызу үлкен өзгеріс әкелді. Өйткені, қысқа толқындардан шектелмеген ұзақтық әсерін алумен қатар, біз бірнеше тез әсереткіш телеграфия каналдарын жіберуді қамтамасыз ететін жиіліктің айтарлықтай жолағын ала аламыз. Қысқа толқындар антенналық техника үшін де үлкен мүмкіндіктер береді. Егер ұзын толқындарда антенналардың биіктігі тек толқын ұзындығының жартысын ғана және де антенналар тек бір тике, яғни аяғында көлемді салмағы бар симметриясыз вибратор болса, ал қысқа толқындарда толқынның бірнеше ұзындығын алатын күрделі антенналық жүйелер қолданыла беретін болды. Қысқа толқынды антеннаның негізгі элементі жартылай толқынды вибратор болды; мұндай вибраторлардан жоғары бағыттағышты қамтамасыз ететін үлкен антенналық төсемдер құрастырылды.

Ионосфера жағдайының өзгеруінде периодтылық табылып, соған байланысты қысқа толқынды магистральдарда толқындардың өзгеру қажеттігі туды. Бұл белгілі диапазонды жабатын немесе бірнеше жиілікте жұмыс істейтін бағытталған антенналарды құрастыруға жол ашты; соңғы шыққандарының ішінен ромбты антенна кең таралым алды.

Көп вибраторлардан тұратын қиын антенналық жүйелерді есептеу үшін теориялық негіз ретінде ЭДС жетелеу әдісі алынды. Бұл әдіс 1922 жылы бір-біріне қатысы жоқ Д.А. Рожанский және Л. Бриллуэнмен ұсынылған болатын. Бұл әдіс негізінде көп вибраторлы антенналар үшін байланысқан контурлар мен ұзын линиялар теориясын таратуға мүмкіндік берді.

1955 жылда қысқа толқынды антенналар техникасы дамуының бірінші циклын аяқтайды. Әлемнің барлық елдерінде қолданылатын қиын кабылдағыш-таратқыш антенналар бағытталу (направленность) береді.

Бұл кезең орташа толқындағы радиохабардың кең ауқымда дамуымен сипатталады. Хабарлы антенналар құрастырғанда негізгі идеялар ҮТ және ОТ байланысқан антенналар техникасынан алынған болса да, қуат пен жиілік жолоғын ұлғайтуға байланысты және де антеннаға антифедингті қасиет беруге байланысты бірінеше айрықша мәселелерді шешуге тура келді. Толқын ұзындығының жартысынан асатын электрлік ұзындығы бар мұнаралар мен биік мачта түріндегі антенналар кең таралым алды.

4 кезең – ультрақысқа толқынды антенналардың дамуы (1935 жылдан бастап). Тәжірібиеге метрлік толқындар мен телезивиялық хабарларды енгізу бастапқыда антенналық құрылғылар техникасында айтарлықтай өзгерістер болған жоқ: қысқа толқындағылардай баяғы жартылайтолқынды дипольдер комбинациясы қолданылды. Бірақ, бағытталған диаграммаға және кең жолақты телевизиялық антенналарға ерекше талаптар қысқа толқындарда аналогтары жоқ арнайы антенналар жасап шығаруға ықпалын тигізді.

Соғыс алдындағы жылдары қатаң құпиялық кезінде радиотехниканың жаңа пайдаланылуы дайындалды. Ол жаңа антенналық құрылғыларды талап ететін және толқындардың дециметрлік және сантиметрлік диапазондарын тез қабылдатын мүмкіндік беретін радиолокация болатын. Екінші дүниежүзілік соғыстың аяғына қарай сантиметрлік толқындар техникасы кең дамыды. Толқынның бұл диапазонында жұмыс істеу принципі оптикадан немесе акустикадан алынған бос толқын арналары, айналы, линзалық, рупорлық және щелдік антенналар қолданылды.

Соғыс жылдарынан кейін байланыстың жаңа түрі радиорелелік линияның пайда болуын мерекеледі. Олар антеннадан және трактты толқын арнасынан кең жолақты сигналды қатесіз жіберу және аз деңгейлі желекті тік бағытталған сәулеленуді талап етті. Бұл антенналы-тракты толқынды арнасының конструкциясында бірқатар жаңа идеялардың тууына әкелді.

Тропосферада және ионосферадағы дециметрлік және метрлік диапазон радиотолқындардың шашырауын қолданатын байланыстың жаңа түрлері, сонымен қатар радиоастрономияның дамуы және ғарыштық объектілері бар радиобайланыстың туу ұзын толқынды диапазонның сантиметрлік толқынды антенналар құрылу принципіне енуіне ықпал етті.

УҚТ (ультрақысқы толқын) диапазонын үйрену антенна теориясын түпкілікті қайта қарастыруды талап етті. Осы күнге дейін сәулелену теориясы бірнеше канонитекалық формаға түйістірілді, ал антенналар параметрін анықтау сәулелену мүмкіндігін болдырмайтын ұзын линиялар теориясын араластыру арқылы жақындалған тәсілдермен жүргізілген.

Метрлік және дециметрлік толқындарға ауысудан бастап, вибраторлардың диаметрі толқын ұзындығымен шамалас болғанда, тіпті симметриялық вибраторлардың мәселесін шешу электродинамиканың қатаң тәсілдерін ұстануды талап етті. Оптикада көптеген антенналар мен УҚТ толқын арналарының прототиптері болғанымен, оптикалық тәсілдер тікелей антенналық құрылғылар теориясына ауыса алмайтын еді. Өйткені, оптикада объектілер өлшемі толқын ұзындығынан өте үлкен деп есептелінген. Антенналы-толқын арналы техникада бұл өлшемдер шамалас болған. Бұл мәселенің қатаң тәсілдерін қолдануды талап еткен. Қазіргі уақытта антенналар теориясы жақындатусыз электромагниттік поля мәселелерін шешетін электродинамиканың аса дамыған саласы болып тұр. Антенналар теориясының қазіргі уақыттағы жаңа қыры бағытталған сипаттамалы анализ мәселесінен және антеннаның басқа да параметрлерінен оптимальды сипаттамасы бар антенналар синтезіне ауысу болып табылады. УҚТ-ға ауысқаннан кейін антенналар көлеміне шектеу болмай, сонымен қатар олардың параметрлеріне қатаң талаптар қойыла бастады. Әртүрлі сипаттамасы бар антенналық құрылғылар типінің саны да өсті. Антенналардың жаңа типтерінің анализінен басқа, осының бәрі сипаттамалардың ең күшті мүмкіндіктерін алатын антенналық құрылғыларды құруды талап етті.

Қазіргі уақытта электромагниттік толқынның ортаға немесе структураға «жабысу» құбылысын қолданатын стерженді және тегіс типті күшті толқынды антенналар қолданыла бастаған.

Қазіргі антенналы-толқын арналы техникада жоғары жиілікті магнитті диэлектриктер – ферриттер үлкен рөл атқарады. Олар сәулеленуді электрлік басқаруы бар антенналар жасап шығаруға және толқын арналы тракттың жаңа элеметтерін: вентилдер (тек бір бағыттағы толқындарды өткізеді), фазақайтарғыштар, поляризацияның тегіс айналғыштары, циркуляторлар және т.б. жасап шығаруға көмектесті.

Қазіргі сыртқы сәулеленуі бар антенналарда, ферритті элементтерде және басқа да антенналы-толқын арналы трактты құрылғыларда болып жатқан құбылыс қиындықтары антенналық техниканың кейінгі дамуы үшін теорияның маңызын үлғайтуға септігін тигізді.

Бақылау сұрақтары:

1. Радиотехниканың даму кезеңдерін атап шығыңыз.

2. Радионың шығуына әсер еткен, электромагнителуді зерттеу қай ғалымдардың еңбектерінде жазылған.

3. Қазіргі уақытта қандай антенналар кеңінен қолданыла бастады.