"Друг Радио", №4, февраль, 1925 год, стр. 22-29.

ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ СУРРОГАТНЫЕ АНТЕННЫ.

Инж. Л. Б. СЛЕПЯН.

Содержание: 1. Как работают суррогатные антенны. 2. Как устраивать суррогатные антенны и приемники к ним. 3. Какие результаты могут дать суррогатные антенны.

Значительная часть радио-любителей больших городов раньше, чем решиться устроить себе наружную антенну, пытается испробовать какой-либо суррогат ¹) ее: осветительную сеть, телефонные провода, комнатную антенну, рамку. Это стремление вызывается большей частью дороговизной и сложностью устройства наружной антенны; суррогат же ее каждый любитель может устроить сам с весьма скромными затратами. Кроме того, для домов с большим числом квартир суррогатные антенны дают возможность гораздо большему числу любителей иметь у себя радио-прием без помехи друг другу.

Однако, суррогатные антенны дают, разумеется, более слабый прием, поэтому их можно применять лишь в благоприятных условиях. В каких случаях они все же применимы и как получить от них наилучшие результаты? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим, как работают всякие антенны и в частности суррогатные.

1. Как работают суррогатные антенны.

Наиболее правильно устроенная приемная антенна имеет достаточную горизонтальную часть (40—60 метров и более), которая высоко подвешена над свободной поверхностью земли (см. фиг. 1). Эту высоту подвеса, h_a, можно назвать действующей высотой антенны. Электромагнитные волны свободно скользят вдоль горизонтальной части и, доходя до снижающейся, поглощаются по всей ее высоте H_a. Но такую совершенную антенну можно обычно устроить лишь в провинции. В больших городах антенны нередко работают значительно хуже.

Фиг. 1. Правильно устроенная приемная антенна.

Представим себе антенну, подвешенную над крышами домов на некоторой высоте H_з над землей (см. фиг. 2). Здесь неправильно было бы считать за действующую высоту антенны, h_з, — ее высоту подвеса над землей. Дома со своими стенами и крышами связаны с землей и как бы составляют часть ее поверхности. Таким образом антенна частью скрыта между неровностями земли; работает преимущественно та часть ее высоты h_k, которая находится целиком поверх земли и связанных с нею предметов. Остальная часть антенны лишь немного прибавляет к этому основному действию. В зависимости от высоты установленных мачт или других пунктов крепления антенны, действующая высота ее будет 3—5 метров, редко больше. Это обычно составит ½ до ¹/₁₀ высоты подвеса ее горизонтальной части над землей. Следовательно, даже наружная антенна городского типа есть по существу суррогатная антенна.

Фиг. 2. Антенна городского типа.

Еще более скрыты внутри "земли" комнатные антенны. К последним следует причислить как осветительную сеть, так и собственно комнатные антенны. Относительно осветительной сети можно для простоты принять, что она как бы заканчивается у счетчика, считая, что счетчик не пропускает дальше токов высокой частоты. В таком случае осветительная сеть представит антенну с несколькими разветвленными проводниками, помещенную внутри дома (см. фиг. 3). Приемник для осветительной сети имеет небольшой конденсатор (c), через который он присоединяется к штепселю. Этот конденсатор не дает проникнуть в приемник городскому осветительному току, в то же время представляя лишь небольшое сопротивление для радиотоков высокой частоты. Его включение нисколько не изменяет общей картины, которая соответствует своеобразной антенне, скрытой внутри здания.

Но как же может работать такая внутренняя антенна? Не следует думать, что электромагнитные волны не проникают вовсе внутрь дома. Напротив, они лишь немного поглощаются кирпичными или деревянными стенами, крышами и т. п.; они проходят через дом, имея внутри него почти ту же силу, что и поверх домов, особенно более длинные волны. Дома со своими размерами в десятки метров являются лишь небольшими бугорками для электромагнитных волн, простирающихся в высоту на десятки километров и имеющих длину в сотни метров. То обстоятельство, что наша комнатная антенна спрятана внутри дома, не укрывает ее от действия электромагнитных волн: дом для них как бы прозрачен. Но тем не менее комнатные антенны не работают всей своей высотой h_з. Причина этого заключается в том, что электроматнитные волны, воздействуя на нашу антенну, действуют в то же время и на все окружающие предметы: стены, пол, потолок и проч. Каждая стена также является как бы антенной, но только очень плохой. Однако, она уже препятствует нашей антенне, действуя навстречу ей. Таким образом, действие нашей антенны ослабляется всеми окружающими предметами.

Фиг. 3. Осветительная сеть как суррогатная антенна.

Для наружной антенны, учитывая эти встречные действия, мы считались лишь со свободной высотой антенны (высота над крышей или свободным пространством). Но очень трудно учесть то "свободное" пространство, которое остается для нашей комнатной антенны. На основании практических данных можно приблизительно сказать, что действующая высота комнатных антенн составляет обычно от ¹/10 до ¹/20 их действительной высоты над поверхностью земли. Мы видим отсюда, что это действительно суррогатные антенны, но тем не менее в остальном сходные с обыкновенными антеннами.

Разновидностями комнатной антенны являются осветительная сеть и собственно комнатная антенна. Первую мы берем уже готовую; в разных квартирах сети сильно отличаются одна от другой, и к ним приходится приспосабливаться различно. Комнатные же антенны мы можем сделать независимо и устроить их с некоторым расчетом, лишь приноравливаясь к размерам помещения.

Фиг. 4. Комнатная суррогатная антенна.

Для устройства комнатной антенны подвешивают один или несколько проводов в одной или двух комнатах. Картина такой комнатной антенны будет сходна с той картиной, какую представляет осветительная сеть (см. фиг. 4). Лишь ее емкость будет значительно меньше емкости осветительной сети. Действующая высота также и по тем же причинам составит ¹/10—¹/20 часть действительной высоты подвеса над землей.

К числу суррогатных же антенн можно отнести и рамку, хотя лишь условно. Рамка суррогат антенны в том смысле, что она дает малую действующую высоту. Зато, с другой стороны, она обладает некоторыми преимуществами сравнительно с обычными антеннами и в силу этого нередко применяется в профессиональных приемных устройствах даже в тех случаях, когда нет препятствий к сооружению большой антенны.

В рамке встречные действия электромагнитных волн составляют основу ее действия. Электромагнитные волны, двигаясь в направлении стрелки (см. фиг. 5), встречают вертикальные провода aa и bb и вызывают в них одинаковые действия. В самой рамке эти действия направлены навстречу друг другу. Поэтому результат будет зависеть от разности в действии на проводники aa и bb. Эта последняя в свою очередь определяется разницей в силе электромагнитной волны в пространстве AA и BB.

Фиг. 5. Рамка в поле электромагнитных волн.

Дело в том, что сила поля электромагнитной волны не одинакова во всех частях: она изменяется вдоль нее, и длина волны есть длина, на которой эта сила проходит полное изменение. Чем больше расстояние между AA и BB, т. е. чем больше сторона ab, тем больше и разность действия электромагнитных волн на провода рамки. В результате сила действия электромагнитного поля на рамку зависит от высоты aa, от расстояния ab и от числа проводов — иначе от площади одного витка (aa × ab) и числа их. Действующей высотой рамки называют свободную высоту такой антенны, на которую электромагнитные волны воздействуют одинаково с рамкой. Эта высота равна

Для обыкновенных рамок это дает h_g между ½ и ¹/20 метра высоты, что составит ¹/20—¹/100 высоты подвеса обычной антенны. Мы видим, что в отношении действующей высоты рамка есть действительно суррогатная антенна.

Некоторый выигрыш в ней получается, однако, за счет того, что она имеет обычно гораздо меньшее сопротивление, чем антенна. Это увеличивает силу тока в ней и приводит к более острой настройке Кроме того, рамка имеет направленное действие: она принимает лучше всего электромагнитные волны, приходящие из направления вдоль ее плоскости. Электромагнитные волны, приходящие перпендикулярно, не действуют на рамку, так как для них не получается разности действий на провода aa и bb. Эта направленность и, следовательно, избирательность действия, а также острота настройки позволяют с помощью рамки легче отстраиваться от мешающих действий других радиостанций и атмосферы. В силу этого она и применяется в практике во многих случаях, несмотря на слабый прием.

2. Как устраивать суррогатные антенны и приемники к ним.

Рассмотрев и объяснив самое действие суррогатных антенн и их особенности, мы можем вполне сознательно подойти к вопросу: как надо устраивать эти антенны и какие приемники подбирать к ним.

Осветительную сеть приходится брать такой, как она есть. В большинстве случаев мы можем отнестись к ней как к антенне, имеющей большую емкость и значительное сопротивление (потери). Для нее можно считать от 8 до 15 см емкости на метр проводки. Это дает от 500 до 2000 см для обычной квартиры.

Фиг. 6. Присоединение приемника к осветительной сети через один или два предохранительных конденсатора.

Для того, чтобы городской осветительный ток не проходил в приемник, ставят между ним и штепселем предохранительный конденсатор, один или два, с выводом средней точки (см. фиг. 6). Второй случай не отличается существенно от первого. В обоих случаях действующая емкость нашей антенны уменьшается из-за последовательного включения емкости c₁ или c₂ и c₃. Хотя для обычных антенн это, вообще говоря, нежелательно, но в данном случае, в виду большей емкости нашей антенны, особенно для коротких волн, это не будет приводить к заметному ослаблению приема. Чем короче волна, тем меньше можно брать предохранительный (укорачивающий) конденсатор C. Для волн от 500 м до 1500 м емкость c может быть от 300 до 1500 см, в среднем будем считать около 1000 см. Действующая емкость нашей антенны-сети будет от 250 до 1000 см.

Фиг. 7. Схема простейшего приемника к осветительной сети.

Самый приемник для осветительной сети можно брать любого типа. Простейший будет заключать в себе катушку самоиндукции, в которой движком или переключателем берется такая часть, какая дает настройку на нужную волну (см. фиг. 7). В точках A и Б присоединяется детектор с телефоном или первая лампочка усилителя. При среднем диаметре 50-60 мм катушки будут содержать:

в зависимости от размера осветительной сети и подбора конденсатора c. Следует отметить, что, вообще говоря, осветительная сеть, в силу большой емкости и значительных потерь от близости стен, хотя и дает определенную и заметную настройку на данную волну, но эта настройка довольно тупая. Поэтому нередко не требуется тщательного подбора числа витков катушки самоиндукции или емкости предохранительного конденсатора.

Во всяком случае катушка самоиндукции указанного диаметра с числом витков до 100, снабженная движком или достаточным числом ответвлений (напр., 10—15), дает возможность по схеме фиг. 7 принимать и настраиваться на волны от 500 до 1500 м.

Кроме указанного простейшего (и вместе с тем лучшего) типа приемника можно пользоваться и всеми другими: напр., с переменным конденсатором, с вариометром и т. п., как по схеме "длинных волн", так и по схеме "коротких волн". Вполне возможно пользоваться и приемниками с усилителями всех типов. Пишущий эти строки пользовался, напр., приемником из двух катушек, перемещавшихся одна относительно другой. Это давало вариометр для настройки на требуемую волну. Далее применялся четырехкратный усилитель высокой частоты системы автора. При этом на осветительную сеть в Ленинграде (2-ой этаж) получался вполне хороший прием Московской радио-станции имени Коминтерна на волнах 1450 м и 3200 м. Можно было даже слышать передачу радио-станции в Сокольниках на волне в 1010 м.

Переходим теперь к собственно комнатной антенне. Она обычно дает несколько более спокойную работу, чем осветительная сеть, не представляет опасности проникновения городского тока в приемник и дает почти такие же результаты. Для коротких волн комнатная антенна больше подходит, чем обычная осветительная сеть.

Для устройства ее можно пользоваться звонковым проводом или другим медным проводом, а также антенным канатиком. Подвешивать ее следует на высоте 40—60 см под потолком и в расстоянии 1 или более метров от стен. Желательно взять полную длину провода не менее 20 метров и тем больше, чем больше основная волна, для приема которой предназначена антенна. 50 м есть предельная длина провода, которую возможно иметь лишь в редких случаях. Если протягивают не один провод в одну линию, а параллельно 2 или больше проводов, то желательно разводить их не меньше одного метра один от другого. Несколько проводов или соединяют в одном конце, или в середине, или устраивают зигзаг, или придают антенне иную форму в зависимости от местных условий (см. фиг. 8). Большого значения тот или другой тип не имеет. Меньше можно рекомендовать крестообразную форму антенны. Если антенну разбивают на 2—3 части, устраивая одну в одной, другую в другой комнате, то обе части соединяют одним проводом, пропуская его во втулке через дверь или стену.

Фиг. 8. Разные типы комнатных антенн.

Все точки подвеса антенны следует изолировать. Особой тщательности здесь, однако, не требуется.

Желательно все концы антенны не доводить до самых стен, а привязывать их на некотором расстоянии, при чем в этих точках можно пользоваться обыкновенными роликами, — один орешковый изолятор более чем достаточен.

Комнатная антенна отличается от осветительной сети своей небольшой емкостью. Для нее можно принять емкость в 5—10 см на один метр длины провода. Эта "удельная" емкость меньше при нескольких проводах, больше для одного и, кроме того, зависит от размеров комнаты, расстояния от стен и потолка и т. д. Полная емкость комнатных антенн достигает обычно 100—200 см.

Что касается приемников для комнатных антенн, то, разумеется, и здесь можно применять приемники всех типов. Опять-таки наиболее простым будет приемник с простой удлиннительной катушкой самоиндукции (см. фиг. 7). Однако, в виду малой емкости антенны, здесь более уместно применение параллельного конденсатора, но небольшой емкости (не более 500 см) при приеме более длинных волн. Настройка получается довольно острой, вполне сходной с настройкой для обыкновенных антенн.

При комнатной антенне можно с успехом применять и усилители всех типов, точно также как и для всякой антенны.

Фиг. 9. Простейший тип приемной рамки.

Рамочные антенны (рамки) значительно больше отличаются от обыкновенных антенн. В сущности они представляют собою лишь большие катушки самоиндукции. Для поддерживания проводов рамки устраивают разнообразные типы и формы основ, большей частью деревянных. Одна из простейших форм представлена на фиг. 9. Деревянная основа состоит из крестовины, скрепленной в середине, и имеет на углах треугольные надставки с канавками для укладки провода. Относительно размеров рамки можно сказать: чем они больше, тем лучше. Однако, величину рамки приходится ограничивать для того, чтобы она не загромождала слишком комнаты. В виду этого наибольшим размером любительской комнатной рамки приходится считать величину 1½ × 1½ метра, а средним и наиболее подходящим размером 1 × 1 метр. Самую рамку можно ставить на подставку, делая ее поворотной, подвешивать к потолку или к стене, если направление стены подходит к направлению на передающую станцию, которую желают принимать.

Число витков обмотки берут в зависимости от длины волны принимаемой станции. Мы рекомендуем брать это число с таким расчетом, чтобы полная длина взятого провода составила ¹/6—¹/15 (в среднем ¹/10) длины главной волны, какую желают принимать. Первое большее число берут для больших рамок, меньшее число для малых. При размере 1 × 1 м можно брать при волне

Если желают принимать несколько радио-станций, то обмотку делают из отдельных частей. Рекомендуем для обыкновенных условий делать обмотку из двух равных частей, напр, 10 и 10 витков, которые можно соединять вместе последовательно для более длинных (700—1500 м) или параллельно для более коротких волн (400—700 м).

Провод для рамки достаточно взять звонковый или иной диаметром около 1 мм. Витки следует укладывать не вплотную один к другому, а разводить их на некоторое расстояние, напр., 10—20 мм, один от другого.

Фиг. 10. Схема приемника для рамки.

В качестве приемника для рамки можно брать (и это проще всего) переменный конденсатор. К нему присоединяется детектор с телефоном или усилитель (см. фиг. 10). Можно применять и другие приемники, однако вообще приемники с вариометрами мало подходят для рамок. Если же пользуются приемником с переменным конденсатором, то лучше брать возможно меньшую добавочную самоиндукцию.

Укажем еще здесь на возможность комбинирования рамки с суррогатными антеннами. Наиболее простое соединение, какое можно рекомендовать, — это соединение рамки с заземлением. Оно заключается в том, что один конец рамки (и приемника) присоединяется к "земле", т. е. практически к трубе водопровода (см. фиг. 10 — пунктирное соединение). При этом рамка сохраняет свою прежнюю роль и кроме того становится небольшой комнатной антенной с весьма малой емкостью. Настройка приемника для той же волны при этом изменяется, а именно емкость конденсатора приходится уменьшить. Но, благодаря прибавлению антенного действия, получается заметное увеличение силы приема.

3. Какие результаты могут дать суррогатные антенны.

Эти результаты определяются той действующей высотой, какую дают суррогатные антенны.

Из приведенных выше данных видно, что суррогатная антенна дает действующую высоту в 5—10 раз меньше, чем наружная городская антенна. Антенна вполне совершенная дает в 15—20 раз (и выше) большую высоту. Отсюда следует, что расстояния, на которых применимы суррогатные антенны, в 5 раз (и более) меньше тех, на которых применяются наружные антенны.

Но это есть лишь общее заключение. Для более подробных указаний рассмотрим отдельно прием на кристаллический детектор и прием с усилителями.

При радио-станции мощностью 0,5—1 килв. (напр., Ленинградская широковещательная рация, Нижегородская, МГСПС в Москве) обычно получается хороший детекторный прием на среднюю городскую антенну в пределах города и его ближайших окрестностей, т. е. в радиусе до 10 километров. В провинции хороший прием на детектор получается на значительно больших расстояниях — до 100 км и больше. Но это обусловлено тем, что в провинции антенны бывают обычно гораздо лучшего качества, располагаясь над свободным пространством.

Для радиостанций более мощных радиус действия еще больше, напр., для рации им. Коминтерна в Москве в 3—5 раз больше указанных, для рации в Сокольниках в 2—3 раза.

На основании этих данных мы получаем обычно для суррогатных антенн границу удовлетворительного приема на детектор при передающих станциях средней мощности (до 1 килов.) уже в пределах самого города, напр., в Ленинграде около 2—3 километров от широковещательной станции. На больших расстояниях сила приема будет недостаточной. В Москве для раций меньшей мощности также радиус 2—3 километра, для мощных станций — всю Москву.

При этом для осветительной сети и комнатной антенны получается сильная зависимость от высоты этажа. Наши цифры относятся к среднему — 3-му этажу; для 5—6 этажа прием лучше, для 2-го и особенно 1-го радиус действия еще меньше. Для рамки прием почти не зависит от этажа, в котором она расположена. В верхних этажах она будет давать прием более слабый, в нижних почти одинаковой силы с комнатными антеннами, если размеры ее достаточны и действующая высота будет не меньше ¼—⅓ метра. В расстояниях 2—3 км от радио-станций средней мощности и 5—8 километров при большей мощности можно с успехом применять рамку для детекторного приема. Но, вообще говоря, преимущества ее используются главным образом при применении усилителей.

При комбинировании рамки с заземлением в средних и верхних этажах радиус ее применимости увеличивается в 1½—2 раза.

Применение приемников с усилительными лампами значительно увеличивает радиус применимости суррогатных антенн. Наиболее естественно применение к ним однолампового приемника, особенно регенеративного. При этом возможно слушать свою широковещательную станцию почти в любом месте того же города и почти независимо от этажа и других условий, пользуясь внутренней суррогатной антенной. Почти того же результата можно добиться и с рамкой достаточных размеров при применении одной лампы.

Большее число усилительных ламп может весьма сильно увеличить радиус действия для суррогатных антенн. Выше были указаны результаты, полученные автором настоящей статьи при приеме на осветительную сеть помощью четырехкратного усилителя. В конце лета прошлого года (1924 г.) во время испытаний в гор. Николаеве автор принимал там радио-телефонную передачу рации имени Коминтерна в Москве на небольшую комнатную антенну, устроенную в 3-ем этаже. Прием производился помощью 6-кратного усиления, при чем уже после первых четырех ступеней усиления (высокой частоты) он был достаточно ясный даже в дневное время.

Однако, следует заметить, что при применении усилителей редко пользуются суррогатными антеннами, за исключением рамок. При усилителях все устройство становится уже настолько дорогим и сложным, что установка антенны уже не представляет большого осложнения. Другая причина заключается в том, что при применении усилителей к суррогатным антеннам становятся сильно заметны местные мешающие действия. Эти действия обычно более заметны при суррогатных антеннах, так как в них значение заземления и паразитных токов, через него проникающих, больше, чем при наружных антеннах. Кроме того затухание их (особенно для осветительных сетей) обычно большое, что также приводит к большему влиянию мешающих действий. В этом отношении лишь рамка составляет исключение. Употребление двух лишних ламп позволяет покрыть ее недостаточную действующую высоту. Вместе с тем возможно использовать ее компактность, большую остроту настройки, направленность приема, — все качества, приводящие к более чистому приему. Поэтому из суррогатных антенн рамка почти одна применяется нормально на больших расстояниях.