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 каждому 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 раскрыва в длинах волн. В одном и том же рупоре на более длинных волнах фокус расположен ближе к раскрыву, а на более коротких - ближе к вершине. При уменьшении длины волны он как бы перемещается вдоль оси рупора в сторону его вершины, создавая зоны повышенной концентрации энергии для каждой из длин волн в совершенно определенной точке или области, причем, чем больше угол раствора, тем быстрее он перемещается. При больших углах раствора он практически на всех волнах рабочего диапазона расположен вблизи вершины.

Конструкция рупорных антенн, рис. 4.13, может быть весьма разнообразной. Простейшей рупорной антенной можно считать антенну, изготовленную из двух сплошных или сетчатых пластин, расположенных под углом друг к другу (поз. 1). ДН этой антенны при уменьшении угла раствора сужается. Основными типами рупорных антенн являются пирамидальный, конический, биконические и рупоры специальной формы, являющиеся металловоздушными линзами (поз.2). Усложнение конструкции рупоров [47], [59], [61]- [64], поз.3 и 4 (нанесение на фланец рупора поглощающего материала; установка внутри рупора пластин; создание на стенках рупора круговых или спиральных канавок; плавное или скачкообразное расширение стенок рупора, установка в горле или раскрыве рупора диэлектрических линз), направлено в основном на получение осесимметричной, одинаковой в плоскости Е (сплошная линия) и плоскости Н (пунктирная), ДН куполообразной формы с низким уровнем бокового излучения (поз. 5). Но есть и так называемые расфазированные рупоры (с большим углом раствора), которые в пределах главного лепестка имеют практически столообразную ДН с разной формой вершины. Одна из модификаций такого рупора (поз. 6, слева) - рупор с изломом образующей [47], [59], [62]. Его ДН не только столообразна, но практически осесимметрична и имеет малый уровень бокового излучения (поз. 6, справа). Вершина ДН рупора с изломом (поз. 7) может быть как выпуклой, так и плоской, и даже вогнутой, а ее ширина, определяемая углом раствора рупора, сохраняется неизменной в очень широком диапазоне.

Природными аналогами рупорных антенн являются уши человека (и животных). Они служат по своему прямому назначению - для приема звуковых (акустических) волн, откуда и пошло название антенн данной группы. Уши человека даже снабжены «канавками». Рупорными антеннами являются раструбы (растянутые трубы) некоторых музыкальных инструментов, которые также работают в звуковом диапазоне. К рупорным антеннам можно отнести и чашечки многих цветов, например, тюльпанов и лилий и невидимые большинству из нас чакры, о которых много говорится в восточной религии. Аналогами рупорных антенн являются, независимо от их происхождения, соответствующей формы лунки или ямы в земле, включая и кратеры вулканов. Упрощенных вариантов рупорных антенн (см. поз.1) существует такое множество, что их невозможно перечислить, в частности ими являются лепестки цветов и листья растений, расположенные под тем или иным углом друг к другу, причем их кромка, как правило, отличается плавными переходами и зачастую изрезана. Это свидетельствует об их хорошем согласовании с окружающей средой и повышенной помехозащищенности. Следовательно, Создатель природных антенн хорошо понимал важность этих антенных характеристик.

Спиральные антенны [31], [38], [49] представляют собой, рис. 4.14 (поз.1-15), провод (или ленту), свернутый в виде плоской или пространственной спирали той или иной формы, (или соответствующей формы щель). Один конец провода остается обычно свободным, а второй - присоединяется к энерговоду того или иного вида. При этом и сам провод может быть изготовлен в виде спирали (поз.11). Предельными случаями спиральной антенны являются рамка (кольцевая, или многоугольная) и линейный провод (вибратор). Их можно рассматривать как спиральную антенну, когда она соответственно сжалась до одного элемента или растянулась до прямой линии.

Рабочей частью спирали может быть как ее проводящая часть, так и спиральная щель - «дырка», вырезанная в экране, являющемся стенкой резонатора (поз.8 и 14). При подобии форм и равенстве размеров в длинах волн характеристики спиральных проводников и спиральных «дырок» идентичны.

Для того, чтобы сделать спиральную антенну однонаправленной используется экран (см. поз.13), которым может служить сплошная плоская пластина или «стакан», а также сетчатая конструкция, включая «солнышко» - диск с радиально расходящимися проводами.

Спиральная антенна сочетает в себе свойства и вибраторных, и щелевых антенн, а также наследует их принцип обратимости. Кроме того, спираль может одновременно создавать в одних направлениях волну с эллиптической (вращающейся) поляризацией, а в других с линейной, т. е. сочетает в себе свойства антенн с линейной и вращающейся поляризацией, как правого, так и левого вращения.

Направленные свойства спиральных антенн также сильно отличаются. Спирали могут быть как почти ненаправленными (всенаправленными), так и остронаправленными. Они способны обеспечить прием и передачу энергии с заданной ДН как в узком, так и в очень широком диапазоне частот.

Ограничение рабочего диапазона широкодиапазонных спиральных антенн обусловлено только невозможностью реализации человеком слишкомбольших, стремящихся к бесконечности, внешних витков спирали и слишкоммалых, стремящихся к нулю, центральных ее витков. Но для Природы таких ограничений нет.

В спиральных антеннах как бы соединены все типы антенн и все их основные свойства, т. е. они являются универсальными антеннами

Основные характеристики наиболее простых (цилиндрических) спиральных антенн определяют (поз.15) всего лишь четыре параметра: радиус витков (а), вернее, длина (L), так как спираль может иметь и прямоугольную, и многогранную форму; шаг намотки - расстояние между витками (d); число витков; направление намотки, которое может быть и правым, и (или) левым. Производными от этих параметров являются: шаговый угол, общая длина спирали (длина «нити»). Для конических спиралей к этим параметрам добавляется угол при вершине конуса, поверхность которого образует спираль, а для сферической - радиус сферы.

Конструкция спиральных антенн, включая и изготовленные из них плоские и пространственные решетки, может быть самой разнообразной.

О спиралях было сказано уже много. Поэтому повторим самое главное. Спирали могут быть плоскими (см. поз.2-8). К ним относятся, как уже было сказано, круговые, логарифмические, многоугольные спирали, спираль Архимеда, спираль Корню и др. Они могут быть пространственными (см. поз.1, 9-13, 15). К ним относятся конические, цилиндрические, шарообразные, параболические, гиперболические и многие другие спирали. Спирали могут быть однозаходными и многозаходными; с одинаковым направлением «намотки» спирали и с противоположным. В виде спирали разной плотности могут быть «намотаны» самые разнообразные формы, соответствующие, например, различным рупорным, зеркальным, линзовым и другим антеннам. При очень большой плотности намотки спирали ее «спиральными» свойствами для того или иного диапазона волн можно даже пренебречь. И тогда такая спираль может и должна рассматриваться в тех диапазонах волн, где плотность намотки делает ее мало прозрачной или почти непрозрачной, не как спиральная антенна, а как та антенна, в форму которой она «перевоплотилась». Спиральные антенны чрезвычайно просты конструктивно, так как каждая из них может быть образована путем «вытягивания нити» из одной точки и придания ей плавного и (или) прерывистого («квантованного») вращательного и поступательного движения. При этом сама «нить», образующая спираль, может быть также спиралью той или иной формы.

На рис. 4.15 приведены более сложные пространственные спиральные антенны: многозаходные спирали (поз.1 и 2), параболическая спираль (поз.3) и шаровые (поз. 4-5). Провода параболической антенны (поз.3) показаны лишь частично. Для сферической спирали (поз.5) дан вид сзади и спереди. Эти спиральные антенны весьма схожи с картиной «сердца Вселенной» (поз.6) которая, как сказано в [25], была нарисована ясновидящим.

Аналоги спиральных антенн (природные и искусственные), столь многочисленны, что рассмотреть их в рамках данной книги невозможно. Поэтому перечислим лишь наиболее часто встречаемые и общеизвестные, включая и те, о которых уже говорилось.

Спиральной является форма большинства галактик. Спирально-рупорную форму имеют многие ракушки. Форму двойной спирали имеет молекула ДНК. Форму спирали имеют молекулы жиров — основы всего живого на Земле. Спиральной является [9] форма сучков и расположение листьев некоторых растений. К спиральным, в общем случае, вихревым процессам относятся все виды турбулентности, которые можно рассматривать как спиральные антенны в действии, а также «замороженные» спирали в виде панциря ракушек (см. рис. 2.2). Прочувствовать мощную силу действующих спиральных «антенн» могли все, кто попадал в водоворот, смерч или воздушную «яму». Любая из этих «антенн» способна поглотить, покрутить, перенести на то или иное расстояние и испустить (выбросить) «частицы», обладающие весьма внушительной (по человеческим понятиям) массой и размером. Этими «частицами» могут быть и люди, и деревья и даже дома.

Среди объектов, созданных человеком, спираль представлена также очень широко. Это и всем известные винт и шуруп (и отверстия под них), и штопор для открывания бутылок, и бесконечное множество спиральных обмоток и конструкций, применяемых в электротехнике и радиотехнике, и, наконец, обширнейший класс спиральных антенн. Человеческий организм «оборудован множеством антенн разных типов, включая спиральные: спирально-рупорной антенной является внешнее человеческое ухо, а форма внутреннего представляет собой типичную спираль, как, впрочем, и та спираль, которая имеется на нервных клетках - нейронах. Подробнее наше «антенное хозяйство» будет рассмотрено во второй части.

Антенны оптического типа - зеркальные и линзовые раньше использовались в основном в оптике, откуда и пошло их название.

Первичный источник энергии, который называют обычно облучателем или излучателем является одним из основных элементов зеркальных и линзовых антенн, как, впрочем, и антенн поверхностных волн.

Строго говоря, слова «источник» и «облучатель» справедливы лишь при работе антенны в режиме передачи, когда она служит для вывода энергии. В режиме приема облучатель служит для ввода энергии и поэтому выступает не в качестве излучателя, а в качестве уловителя и концентратора электромагнитных волн.

При помощи зеркальных и линзовых антенн чаще всего расходящиеся (сферические или цилиндрические) волны, испускаемые из определенной точки - фокуса, фокального кольца или фокальной линии, преобразуют в плоские волны (параллельные лучи). Или, наоборот, плоские волны преобразуют в сходящиеся (сферические или цилиндрические) волны и концентрируют их в определенной точке - фокусе, фокальном кольце или на фокальной линии. Фронт движения (плоский, сферический, цилиндрический) определяется характером распространения коллектива частиц-волн, а соответствующие волны называются сферическими, цилиндрическими и плоскими.

Если основные направления распространения частиц-волн параллельны, то они образуют так называемый плоский фронт (плоские волны). Если они расходятся из одной точки или сходятся в одну точку, то фронт будет сферическим (сферические волны). Если в одной плоскости они параллельны, а в перпендикулярной к ней расходятся из одной или сходятся в одну точку, то говорят о цилиндрическом фронте (цилиндрической волне).

В зеркальных антеннах процесс преобразования волн обусловлен направленным отражением волн от поверхности зеркала или зеркал, а в линзовых - преломлением волн в теле линзы (изменением их направления распространения).

Одно и то же тело определенной формы для одних частиц-волн может быть непрозрачным и работать как отражающее зеркало, для других - относительно прозрачным и работать как линза, изменяя направление распространения сигнала, а для третьих - почти полностью прозрачным и пропускать их свободно сквозь себя, практически с ним не взаимодействуя.

Зеркальные антенны [32], [36], [38], [40], [41], [46], [47], [59], [65] - это непрозрачные для определенного диапазона волн поверхности, рис 4.16 (поз.1-9), которые могут быть и сетчатыми, и решетчатыми.

Зеркальные антенны, как уже было сказано, формируют ДН за счет отражения энергии от поверхности зеркала. Зеркальные антенны могут быть однозеркальными (поз.1), двухзеркальными (поз.2) и даже многозеркальными. Чаще всего используют плоские, сферические, эллиптические, параболические и гиперболические зеркала, а в многозеркальных антеннах - их различные сочетания, но в основном с параболическим зеркалом.

Зеркальные антенны обычно преобразуют слабонаправленные (широкие) пучки электромагнитных волн, создаваемых первичным источником, в остронаправленные (узкие) пучки, излучаемые в пространство, но могут формировать и ДН самой разной формы. Они, как правило, состоят из облучателя (одного или нескольких) и одного или двух (иногда и нескольких) зеркал, которые, как уже было сказано, формируют диаграмму направленности за счет отражения волн от их поверхности. В зависимости от количества зеркал антенны называют одно, двух или n-зеркальными. Одно из зеркал (большое) называют основным. Зеркала могут быть осесимметричными, и осенесимметричными. В первом случае облучатель, как правило, расположен в центре раскрыва, а во втором смещен к краю или даже вынесен за пределы раскрыва. Поэтому их называют антеннами с вынесенным облучателем.

На рис. 4.16 (поз.1 и 2) приведена принципиальная схема некоторых зеркал и ход лучей в них при работе антенны в режиме передачи, а также дано пространственное изображение параболического цилиндра (поз.3), у которого лучи фокусируются не в точке, а на фокальной линии. Там же (поз.4) показано формирование плоской волны параболоидом и параболическим цилиндром, «качание» луча сферическим зеркалом и плоскостная уголковая антенна. На рис. 4.16 (поз.5) приведено параболическое зеркало и схемы зеркальных антенн, в основу которых заложено оно в целом или его отдельные части, включая сегментную антенну (вверху, слева); однозеркальные с разным расположением облучателя (вверху справа); антенну с вынесенным облучателем (в центре, справа); рупорно-параболическую однозеркальную (внизу, слева) и двухзеркальную (внизу, справа) антенну. Там же (внизу) показаны некоторые варианты расфазировки (изрезанности) кромки зеркал с целью уменьшения бокового излучения антенн. Подобную, но более разнообразную изрезанность мы наблюдаем у большинства лепестков цветов и листьев растений, которая, видимо, создана Природой для той же цели. Далее приведена фотография двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью [47], имеющей фокальное кольцо, (поз.6); однозеркальной осесимметричной антенны (поз.7); антенны с вынесенным облучателем (поз.8) и параболического цилиндра (поз.9). В качестве облучателей зеркальных антенн используются практически все рассмотренные ранее типы антенн, часть их показана также на рис. 4.16 (поз.10 и 11).

Аналоги зеркальных антенн - это непрозрачные для определенного диапазона частиц-волн поверхности той или иной формы и размера, которые можно обнаружить повсюду. Например, среди листьев и цветов фауны Земли имеются не только все перечисленные выше типы зеркальных антенн, но и многие другие. Среди цветов особенно много антенн с вынесенным облучателем, вернее, целой системы таких антенн, сгруппированных в цветок. В них в качестве осенесимметричного зеркала используются их лепестки, а в качестве облучателей - пестики и тычинки. Большинство этих антенн являются самонаводящимися, так как стараются всегда повернуться «лицом» (раскрывом) к источнику света. Некоторые непрерывно следят за ним, поворачивая, например, в сторону Солнца свои антенны по мере его движения и даже изменяют при этом форму своей поверхности. Расфазированные кромки особенно широко распространены так же среди цветов и листьев. Очень наглядным примером такой кромки является кромка подсолнуха. Подобную (изрезанную) кромку имеют и некоторые сорта тюльпанов.

Пятна на солнце, а также водные и воздушные «ямы», возникающие во время смерчей и ураганов, возможно, также представляют собой ту или иную зеркальную антенну, поверхность которой образована из спиральных витков вихрей, тем более, что жидкость при вращении и при воздействии силы тяжести приобретает, как уже было сказано, форму параболоида.

Похоже, что именно солнечные пятна, работая на передачу, образуют воронкообразную диаграмму направленности в виде факелов, расположенных по их периметру. Это подтверждается тем, что температура внутри факелов много больше (примерно на 2 000 градусов) температуры внутри самих пятен (при ДН воронкообразной формы в центре должен быть именно минимум излучения). Если это так, то факелы потому существуют дольше пятен, что они являются созданным ими полем, которое рассеивается медленно, подобно тому, как медленно рассеивается след самолета или запах человека, продолжая существовать еще некоторое время после того, как самолет улетел, а человек ушел. Возможно, что сами пятна (и созданное ими излучение воронкообразной формы) являются, в свою очередь, приемными антеннами для другого диапазона частиц-волн, а вместе они представляют собой приемо-передающую систему.

К зеркальным антеннам можно отнести углубления соответствующей формы, образованные в земле метеоритами, и любые другие вогнутости и выпуклости земной (и не только земной) поверхности вне зависимости от их происхождения. Вогнутыми и выпуклыми зеркалами той или иной формы являются, возможно, некоторые низменности и возвышенности Земли (и не только Земли), включая морские и океанские впадины. Они подобно лунным «морям» могут быть засыпаны сверху более легкими породами или подобно земным морям - заполнены водой. Но это не должно служить препятствием для концентрации ими частиц-волн какого-либо другого диапазона подобно тому, как верхний слой песка не препятствует скоплению воды на дне воронкообразной глиняной выемки. Зеркальными антеннами могут служить и облачные массивы, и газовые космические туманности, включая те, которые образуются после взрыва звезд, - разлетающиеся при взрыве сверхновых звезд их газовые оболочки. Зеркальными антеннами могут служить и заполненные частицами-волнами ДН антенн или отдельные части ДН, если они имеют соответствующую форму.

В общем случае, зеркальной антенной для частиц-волн определенного диапазона (размера) может служить любая поверхность соответствующей формы, размер которой много больше этих частиц-волн, а плотность ее такова, что не позволяет им проникать сквозь нее. И совершенно неважно является ли эта плотность статической или «динамической», так как она всегда является пространственно-временной, определяемой и статикой и динамикой частиц-волн. Чем длиннее волны, тем менее плотной может быть рабочая поверхность, но тем большего размера должно быть само зеркало. Для волн космического масштаба плотность поверхности зеркальной антенны может быть столь мала, а ее размеры должны быть столь велики, что мы не в состоянии увидеть ни отдельные элементы ее поверхности, ни всю ее как единое целое. Однако такие зеркальные антенны должны управлять огромными потоками звездного вещества, по которым их и можно обнаружить. Поэтому вполне возможно, что черные дыры являются невидимыми для нас зеркальными антеннами огромной даже по космическим масштабам величины, работающими в режиме приема, и концентрирующими в своем фокусе сгустки энергии такой плотности и величины, что они могут стать телами космического масштаба. А то излучение, которое мы можем от них принимать, - это всего лишь побочные эффекты - «паразитные» излучения, подобные тем, которые возникают в фокальной области приемных зеркальных антенн, созданных человеком, имеющих большой коэффициент усиления. Эти излучения обычно связаны с концентрацией в фокальной области зеркал огромной энергии, которая у больших антенн даже в режиме приема может быть столь велика, что появляются «пробои» и происходит излучение частиц-волн меньшей величины, в частности, волн теплового и светового диапазона.

 

Рабочий диапазон всех перечисленных выше потенциальных зеркальных антенн со стороны длинных волн ограничен их размерами, а со стороны коротких - плотностью и точностью «изготовления» их рабочей поверхности, т. е. размером тех неоднородностей - выпуклостей и вогнутостей, которые на ней имеются. Если они будут соизмеримы с длиной волны, то начнут выступать уже в качестве самостоятельных антенн и их несогласованное излучение может привести к изменению или потере направленности основного «зеркала», а согласованное - к еще большему усилению и расширению рабочего диапазона в сторону волн меньшей длины.

Линзовые антенны [31], [32], [38] [48], [51] - это относительно прозрачные для определенного диапазона волн тела с заданной формой поверхности и коэффициентом преломления, рис. 4.17.

Линзовые антенны состоят обычно из первичного источника (одного или нескольких) и тела линзы, выполненного из диэлектрика с малыми потерями (с большой пропускной способностью), но большим коэффициентом преломления (коэффициент преломления диэлектрика равен корню квадратному из диэлектрической проницаемости). Они формируют ДН не только за счет формы рабочей поверхности, но, как уже было сказано, и за счет преломления - изменения направления распространения волн благодаря различию коэффициентов преломления в рабочих объемах - средах с разной диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрические среды могут быть естественными и искусственными, изготовленными, например, путем внесения в тело линзы, диэлектрическая проницаемость материала которой практически равна единице, разного размера и плотности неоднородностей, включая металлические. И, наоборот, путем образования проницаемых отверстий, включая дырки и щели, в непроницаемой или слабо проницаемой среде тела линзы (см. рис. 4.17, поз. 1). Неоднородности, чаще всего, имеют форму круглых отверстий, дисков, шариков, слоев разной плотности, набора пластин и др., так как такие простые и однородные элементы технологически выполнить легче, чем значительно более совершенные и сложные, которые созданы самой Природой. Если структурные элементы одинаковы и расположены равномерно, то они создают однородный диэлектрик, если же неравномерно, то неоднородный.

Линзовые антенны из однородного диэлектрика формируют ДН, как правило, за счет изменения формы (профиля) линзы. Но можно при заданной форме линзы (например, шаровой) изменять по определенному закону коэффициент преломления образующей линзу диэлектрической среды, сделав ее неоднородной. Линзовые антенны из неоднородного диэлектрика формируют ДН за счет изменения коэффициента преломления тела линзы (например, ее плотности) по определенному закону. Шаровые линзы из неоднородного диэлектрика (см. рис. 4.17, поз. 2-10) обладают многими замечательными свойствами, поэтому более подробно рассмотрим в основном их.

Шаровые (и цилиндрические) линзовые антенны, чаще всего, осуществляет преобразование сферической (цилиндрической) волны в плоскую, и наоборот (поз.2) или сферической расходящейся волны в сферическую (поз.3 и 4). Если в фокусах поместить «точечные» облучатели - «уловители» и «рассеиватели» сферической волны, которыми фактически является все СУЩЕЕ, то между ними в определенном диапазоне частот возможно установление связи. Формирование шаровой линзой лучей, исходящих от нескольких источников, расположенных на поверхности сферы, показано на рис. 4.17 (поз.5). Траектории лучей внутри таких линз криволинейны.

В принципе, в зависимости от закона изменения плотности внутри тела линзы, можно сформировать любой фронт волны, рассеять или сфокусировать энергию в том или ином секторе углов, а также повернуть ее на тот или иной угол вплоть до противоположного направления. Чаще всего, формирование энергетических потоков за счет преломляющих свойств тел переменной плотности используют в шаровых (и цилиндрических) линзах. [32], [33], [46] [51].

Шаровая линза Люнеберга [51] (известна и цилиндрическая) представляет собой неоднородный диэлектрический шар, коэффициент преломления которого по мере приближения к центру увеличивается. Это сферически симметричная преломляющая структура. Существует несколько модификаций линзы Люнеберга.

Обычная линза Люнеберга (поз.2), в которой один источник находится на поверхности линзы, а другой - в бесконечности, преобразует сферическую расходящуюся волну в плоскую или наоборот, что позволяет устанавливать связь с абонентом, расположенным (в пределе) на любом расстоянии.

Для преобразования сферической волны точечного источника в плоский необходимо, чтобы коэффициент преломления на поверхности линзы был равен единице, что обеспечивает ее хорошее согласование со свободным пространством (уменьшает отражение от ее поверхности), а в центре достигал 2^½. (кстати, этой же величине равен эксцентриситет равносторонней гиперболы).

«Точечные» облучатели (один или несколько) могут быть расположены как на поверхности линзы, так и на окружностях значительно меньшего или большего радиуса, т. е. внутри или вне ее. Но при этом коэффициент преломления должен изменяться по другому закону. И в первом, и во втором случае траектории лучей в самой линзе представляют собой части эллипсов.

Известно, что коэффициент преломления в сильной степени зависит от плотности диэлектрика. Так как линза Люнеберга является диэлектрически неоднородной, то многие из них изготавливают из пенистого полистирола переменной плотности, показатель преломления которого почти линейно зависит от плотности, а тепловые потери малы. Часто линзы выполняют и из многих концентрических сфер, вложенных друг в друга, причем в пределах каждой такой сферы плотность материала и, следовательно, показатель преломления постоянны, а между сферами плотность меняется скачкообразно. Такое скачкообразное изменение плотности, как показала практика, почти не сказывается на работе линзы, если число сфер велико. Именно такой «линзой» является наша Земля, а также все шаровидные космические объекты, плотность которых увеличивается к центру как плавно, так и скачкообразно, а таковыми является большинство из них.

В качестве «точечного» уловителя и распылителя энергии (частиц-волн) может выступать любая антенна, излучающая сферическую волну, например, рупорная. Если таких источников - «абонентов» много, то линза Люнеберга превращается в так называемую многолучевую антенную систему (поз.5), обслуживающую совершенно независимо несколько (в пределе - бесконечное множество) абонентов.

Линза Люнеберга с поверхностными волнами может иметь поверхность в виде диэлектрического слоя на металлической подложке или в виде решетки из вертикальных металлических стержней на металлическом экране; или в виде системы из параллельных плоскостей с перфорированной верхней пластиной и др.

Слово «металлический» можно заменить на «отражающий», а различные варианты выполнения верхнего слоя назвать слоем «с регулярными неоднородностями». Такая замена для всех указанных и многих других случаев является вполне правомерной. Тогда становится очевидным, что в качестве линзы Люнеберга с поверхностными волнами, как и в виде обычных антенн поверхностных волн, могут выступать самые разные структуры. Это может быть, например, влажная земля, покрытая лесом, песчаные барханы, поверхность воды, по которой бегут волны, разной плотности слои планет и звезд, а также их атмосфер, и многое, многое другое.

Рассеивающий рефлектор Люнеберга [32], [51] представляет собой (поз.6) обычную линзу с переменной плотностью, часть поверхности которой покрыта отражающим материалом (например, металлом). Тогда параллельные лучи отразятся от этой поверхности, пройдут через линзу вторично и выйдут из нее в направлении падения также в виде плоской волны.

Металлический экран на линзе, как и любой другой металлический экран, в зависимости от поляризации волны либо развернет лучи в противоположную сторону, либо не только развернет, но и изменит их фазу на 180 градусов.. Если же волна имеет эллиптическую поляризацию, то она из правовращающейся преобразуется в левовращающуюся, и наоборот.

В качестве такого металлизированного экрана на Земле (и не только на ней) может выступать любая поверхность, обладающая отражающими свойствами в определенном диапазоне волн, например, водная или ионосфера, расположенная с противоположной стороны Земли. Плотность ионосферы, к тому же, зависит от времени суток. Следовательно, она всегда с одной стороны Земли плотнее, чем с другой и поэтому вполне может служить для линзы-Земли в качестве отражающегося зеркала, причем вращающегося как пеленгатор.

Геодезическая линза Люнеберга [32] состоит, см. рис 4.17 (поз.11), из двух близко расположенных проводящих поверхностей вращения, которые «параллельны» друг другу в том смысле, что расстояние между ними по нормали к поверхности постоянно. Предполагается, что лучи проходят по средней поверхности между проводящими поверхностями. Траектории этих лучей эквивалентны оптическим траекториям лучей в диэлектрической линзе Люнеберга, поэтому ее можно рассматривать как один из слоев линзы Люнеберга. Облучатель помещается на кольце. В зависимости от формы поверхности входной кромки, отклоняющейся наружу или внутрь, либо расположенной вертикально, ее называют соответственно «шляпой», «ракушкой» или «шлемом». Однако «шляпу», показанную на рис. 4.17 (поз.11), можно назвать и «тарелкой», так как они весьма похожи.

Эта линза похожа не только на шляпу и обычную тарелку, но и на «летающую». Если же соединить вместе две такие линзы, то «тарелка» получится двояковыпуклой. Наша Галактика (и не только она), если на нее посмотреть в «профиль», имеет форму сдвоенной «шляпы» с большими «полями». В «фас» она представляет собой типичную спиральную антенну.

Геодезическая линза преобразует плоский фронт волны в сферический фронт, концентрируя приходящую энергию в первичном облучателе. Или, наоборот, сферический фронт первичного облучателя преобразует в плоский фронт - исходящий поток параллельно движущихся частиц-волн. Облучатель, как правило, расположен на кольце (полях «шляпы»). В основном используют линзы, которые обеспечивают максимальное излучение в плоскости периметра линзы, но есть и класс линз, в которых пучок лучей может выходить с противоположной стороны под некоторым углом.

Если дать волю фантазии, то геодезические линзы могут являться прообразом двигателя летающей тарелки. Собирая энергию с большой площади и концентрируя ее в узкий пучок, выбрасываемый затем в определенном направлении с большой скоростью, можно создать своего рода «ракетный» двигатель, работающий на энергии, которой насыщено все околоземное и космическое пространство, включая энергию электромагнитных волн различных диапазонов и магнитных полей. Это может быть совершенно бесшумный двигатель, позволяющий резко маневрировать, меняя направление движения вплоть до противоположного, и обеспечивающий скорости, близкие к скорости распространения электромагнитных волн, т. е. близкие к световым. А фантастика ли это?

Гипотеза 4.2: Двигатель летающих тарелок может быть построен по принципу геодезической линзы Люнеберга. Он может использовать энергию электромагнитных и (или) других частиц-волн, включая и частицы-волны пока неосвоенных нами видов и частотных диапазонов.

Линза Максвелла [51], линза с центральной симметрией (она может быть и цилиндрической), выполненная из неоднородного диэлектрика, способна собирать лучи, выходящие из любой точки, расположенной на поверхности сферы, в диаметрально противоположную точку, и обратно (см. рис. 4.17, поз. 3 и 4). Она может «качать» энергию внутри некоего замкнутого пространства, обеспечивая ее расширение и сжатие («дыхание»). Линии равных коэффициентов отражения такой линзы представляют собой окружности. Если коэффициент преломления на внешней стороне линзы принять равным единице, то коэффициент преломления в центре линзы должен быть равным двум. Половинка линзы Максвелла преобразует расходящийся пучок лучей в параллельный.

Следовательно, половинка линзы Максвелла является уже открытой системой и делает примерно то же, что и параболическая антенна (кстати, соотношение сторон основного прямоугольника эллиптической параболы, о которой говорилось в предыдущем разделе, также равно двум). Две такие половинки, разнесенные на большое расстояние можно рассматривать как аналог пульсирующей Вселенной. Сравнение линз Максвелла и Люнеберга показывает, что коэффициент отражения в центре линзы Максвелла больше, чем линзы Люнеберга, т. е. при прочих равных условиях ее плотность в центре должна быть больше. Поэтому можно сказать, что с уменьшениемплотности линза Максвелла переходит в линзу Люнеберга, иззамкнутойсистемыпревращаетсявоткрытую.

Линза Микаэляна [32], [51] является частным случаем линзы Максвелла. Она не обладает центральной симметрией, а коэффициент преломления зависит только от одной (поперечной) координаты в декартовой системе координат.

Двухслойная линза [32] также относится к числу неоднородных линз, которые позволяют фокусировать лучи в определенной точке или еще больше рассеивать их (поз.7). В принципе, слоев может быть сколь угодно много.

Широконаправленные линзы [51] позволяют путем выбора соответствующего закона коэффициента преломления значительно расширить возможности линз из неоднородного диэлектрика, например, преобразовать расходящийся пучок лучей не в плоскую волну, а в еще более расширяющийся пучок (поз.8).

Линза Итона–Липмана - это линза из неоднородного диэлектрика с центральной симметрией, выполненная в виде шара или цилиндра. Закон изменения коэффициентов отражения в линзе подбирается таким образом, чтобы повернуть лучи от падающей на нее плоской волны в обратном или каком-либо другом заданном направлении (поз.9), создавая тем самым эффект отражения лучей в линзе за счет изменения коэффициента преломления. Не аналогичной ли ДН является прецессия земной (и не только земной) оси.

Коэффициент преломления в обычной линзе Итона-Липмана изменяется от бесконечности в центре до 1 на краю. Практически такую линзу реализовать нельзя, но можно центральное ядро линзы выполнить из материала с максимально возможным коэффициентом преломления. При замене внутренней части линзы на ядро с постоянным коэффициентом отражения рассеяние получится во всем секторе углов за исключением центральной части, Поэтому такая линза, выполненная в форме шара, имеет конусообразную диаграмму направленности с провалом центре.

Линза R - 2R [51] преобразует расходящийся из фокуса (точки расположения первичного источника) пучок лучей в параллельные лучи на выходе линзы и позволяет осуществлять качание луча путем перемещения источника по некоторой окружности. Линза состоит из двух частей, центральные сечения которых являются соответственно кругом радиуса R и пристыкованной к нему дугой радиуса 2R. Эту линзу (поз.10) можно рассматривать как шар, расположенный в круглой чаше, радиус которой в два раза больше радиуса шара.

Напомним, что радиусы описанной и вписанной окружности правильного треугольника также отличаются в два раза, а подобных линзе R - 2R «шаров», расположенных в «чашах» собственных полевых оболочек, можно, видимо, найти немало среди космических объектов.

Аналоги линзовых антенн - это любые объемные и относительно прозрачные для определенного диапазона частиц-волн тела соответствующей формы и размера. А таковыми являются все реальные тела нашего Мира. Плотность любого относительно обособленного реального тела отличается от плотности окружающей его среды, а само тело (однородное или неоднородное) всегда образовано из огромного количества неоднородностей и отличается пропускной способностью для частиц-волн разного вида и диапазона. Поэтому практически все СУЩЕЕ в той или иной степени является линзовыми антеннами, способными определенным образом направлять, концентрируя или рассеивая, частицы-волны того или иного вида и размера и даже создавать эффект отражения.

К линзовым антеннам можно отнести хрусталик глаза, каплю росы, алмаз и гравитационные линзы, обнаруженные в космосе. Неоднородными диэлектрическими линзами являются практически все шаровидные, эллипсоидальные и линзовидные космические объекты, включая планеты, звезды, шаровые скопления, шаровые, эллиптические и линзовидные галактики, а также центры спиральных галактик, так как все они имеют переменную, причем увеличивающуюся к центру плотность.

О природных антеннах оптического типа - зеркальных и линзовых далее будет более подробный разговор.

Логопериодические антенны [31], [38], [40] [49] - это в какой-то степени симбиоз вибраторных и спиральных антенн, рис. 4.18 (поз.1-4). Их основным свойством, как и всех широкоугольных антенн, является очень широкий рабочий диапазон. Они могут иметь самую разную конфигурацию и состоять из одного или двух полотен, расположенных в одной плоскости или под определенным углом друг к другу. Полотна логопериодических антенн, как правило, являются дополняющими друг друга до единого целого структурами. Принцип дополнительности [38] поясняется на рис. 4.18 (поз.5). Направленные свойства дополняющих друг друга структур («дырки» и «тела») одинаковы.

Природными аналогами логопериодических антенн являются ветки многих растений, особенно деревьев. Это позволяет листьям и хвое, расположенным на ветках соседних ярусов, улавливать солнечный свет, не затеняя друг друга.