В. Б. Востряков (2 АС)
Главное отличие антенны Герца от антенны Маркони состоит в том, что она симметрична, работает без земли или отдельного противовеса (противовес заменен второй симметричной частью антенны), и длина как антенны, так и противовеса строго определенны. По форме антенны Герца бывают горизонтальными (большей частью), наклонными, вертикальными или изогнутыми. В последнем случае между антенной Герца и антенной Маркони с отдельным однолучевым противовесом нет большой разницы, но в случае Герца длина как верхней части (самой антенны), так и нижней (противовеса) должны быть заранее рассчитаны.
В то время как в антенне Маркони все провода являются излучающими, — излучает и горизонтальная часть и провод, несущий ей энергию (снижение) и ввод с проводкой по дому, — в антенне Герца излучает лишь сама антенна — горизонтальная или вертикальная часть ее, расположенная далеко от всех поглощающих энергию предметов, а провода, несущие эту энергию (фидеры), делаются так, что они практически почти не излучают энергии, так что близость их к стенам и крышам не создает заметной потери излучения и не влияет на длину излучаемой антенной волны.
Распределение тока и напряжение на горизонтальной антенне Герца, возбуждаемой на основной волне, 2-й и 3-й гармониках показано на рис. 2 а, б и в. Как видно из рисунка, во всех этих случаях пучность напряжения получается на концах провода, а пучность тока для основной волны и третьей гармоники — по середине провода, а для второй гармоники — на ¼ длины от начала провода. Есть два способа возбуждения антенны Герца — током и напряжением. Это значит, что подводящие к антенне энергию провода, сами имеющие на концах пучности тока или напряжения, подводятся к соответствующим местам излучающей части (при питании током к пучности тока и при питании напряжением к пучности напряжения), т. е. в случае питания током, при основной волне и при 3-й гармонике — к середине излучающей части, при 2-й гармонике к точке, отстоящей на ¼ длины от начала; в случае же питания напряжением — к концу горизонтальной (или вертикальной) части.
Питание антенны Герца током может быть достигнуто, если в середину антенны, возбуждаемой на основной волне или третьей гармонике (а в случае 2-й гармоники — на ¼ длины провода) включить катушку, связанную с передатчиком. Антенна делится таким образом на две части: одна из них играет роль непосредственно антенны, другая — как бы противовеса для другой части. Но практически всегда бывает неудобно включать катушку связи прямо в антенну. Во-первых, в этом случае придется подводить антенный провод близко к стенам, крышам и т. д., что создает большие потери, во-вторых, почти всегда антенна располагается так, что горизонтальная или вертикальная часть ее находится на значительном расстоянии от передатчика. Поэтому часто применяют специальную проводку, соединенную с одной стороны с тем местом в горизонтальной части, где находится пучность тока, с другой — с катушкой связи антенны. Такая подводка называется фидером. Фидера обычно состоят из двух проводов совершенно одинаковой длины и расположенных по всей длине на строго одинаковом расстоянии друг от друга (это на практике достигается связыванием обеих ветвей через каждые 1½—2 метра эбонитовыми или другими изоляторами, имеющими вид палочек равной длины). Другими словами, они состоят из двух совершенно одинаковых проводов. Если такие два провода присоединить к концам катушки связи передатчика, то направления токов в них будут противоположны и поэтому излучать энергию они не будут, так как их излучение, благодаря полной симметрии и близости обоих проводов взаимно уничтожится. (На практике обе ветви фидера должны отстоять друг от друга на расстоянии в 25—30 см не больше.) Они будут лишь доставлять энергию горизонтальной части, которая и будет излучать ее. Присоединение верхних концов фидера к антенне Герца, питаемой током, показано на рис. 3. Как видно из рисунка, антенна делится пополам изоляторами (при основной волне и 3-й гармонике), и концы фидера присоединяются к двум внутренним концам горизонтальной части.
При питании напряжением фидеры подводятся к одному из концов горизонтальной части. Один из проводов соединяется с горизонтальной частью, другой — подвешивается на изоляторах (рис. 4).
Длина фидеров рассчитывается таким образом, чтобы при питании антенны током на концах фидера получалась пучность тока, а при питании напряжением — пучность напряжения. Распределение тока и напряжения на горизонтальной части и фидерах антенны Герца, питаемой током, показано на рис. 5.
В заграничной практике антенны Герца питаемые током, принято называть «Леви», питаемые напряжением — «Цеппелин».
Длина волны антенны Герца определяется лишь длиной излучающей горизонтальной или вертикальной части. При возбуждении антенны Герца (питаемой как током, так и напряжением) на основной волне длина провода излучающей части должна быть равна ½ длины волны («полуволновой Герц»); при возбуждении на 2-й гармонике длина провода должна быть равна длине волны («полноволновой Герц»), и при возбуждении на 3-й гармонике, длина провода равняется ³/₂ длины волны («полутораволновой Герц»). Антенны Герца обычно возбуждаются лишь на указанных гармониках, реже на более высоких, например 4-й, так как возбуждение на высоких гармониках, по последним исследованиям, признано нерациональным. Так, если длина горизонтальной части равна 40 м, то при возбуждении антенны на основной волне рабочая волна получится около 80 м, на 2-й гармонике — 40 м, на третьей — 27 м, на 4-й — 20 м и т. д. Но указанные цифры требуют маленькой поправки. Дело в том, что основная длина волны антенны получится вдвое больше длины горизонтальной части только при идеальных условиях.
На практике благодаря сравнительной близости земли к горизонтальной части основная волна получается не в 2 раза, а в 2,1 раза больше длины антенны. Так, при длине горизонтальной части в 40 м, почти всегда основная волна получится не 80, а 84 м, 2-я гармоника будет 42 м, а не 40 м и т.д.
При расчете антенны Герца эту поправку (2,1 вместо 2) надо всегда иметь в виду.
Расчет фидеров сводится к тому, чтобы на концах фидера, соединенных с антенной, при питании напряжением получилась бы пучность напряжения, а при питании током — пучность тока. Если этого не соблюсти, то отдача антенны будет малой, фидеры могут излучать и тогда все действие антенны нарушается.
Для соблюдения же этого условия, в случае питания антенны напряжением (независимо от того — на основной волне или на гармонике возбуждается антенна), фидер надо делать такой длины, чтобы удвоенная длина всей системы фидера (обеих ветвей вместе) равнялась бы длине рабочей волны или была бы в нечетное число раз больше ее. То есть при возбуждении антенны напряжением длина провода каждой ветви фидера должна быть равной ¹/₄, ³/₄, ⁵/₄ и т. д. рабочей волны. Например при волне в 40 м длина провода каждой ветви фидера должна быть или 10 м или 30 м, или 50 м и т.д. При волне 20 м — или 5 м, или 15 м, или 25 м и т. д.
В случае же питания антенны током, для того, чтобы на концах фидера, соединенных с антенной, получилась бы пучность тока, фидер надо делать такой длины, чтобы удвоенная длина всей системы фидера была бы вдвое или вообще в четное число раз больше (в 4 раза, в 6 раз и т. д.) рабочей волны. Для этого длина провода каждой ветви фидера должна быть равной ²/₄, ⁴/₄, ⁶/₄ и т. д. рабочей волны, т. е. при работе на волне в 40 м, в случае возбуждения током, длина провода каждой ветви фидера должна быть или 20 м, или 40 м, или 60 м и т. д. Таким образом, для работы на разных волнах при антеннах Герца нужны фидеры разной длины.
Но на практике можно и не придерживаться точно расчета длины фидеров для определенной волны. Длину фидеров надо знать лишь для ориентировки, а добиться того, чтобы на концах фидеров получилась бы нужная пучность тока или напряжения можно путем настройки фидеров конденсаторами, хотя это и сопряжено с некоторыми трудностями и связано с кропотливой настройкой. Обе ветви фидера представляют собой колебательную систему с определенной длиной волны. Эту длину волны всегда можно укоротить путем включения в каждую ветвь фидера последовательно переменных конденсаторов и удлинить включением переменного конденсатора параллельно катушке связи. Такая настройка фидеров позволяет также при антеннах Герца переходить с основной волны на гармоники ее при неизменной одной какой-нибудь длине фидера. Так, напр., в случае питания антенны напряжением при длине горизонтальной части в 40 м (основная волна 80 м), предположим, имеется фидер длиной в 25 м. При желании работать на основной волне длина фидера без добавочной настройки не подходит, так как не соблюдаются указанные выше соотношения. Но путем включения последовательно конденсаторов в обе ветви фидера или путем включения переменного конденсатора параллельно катушке связи, можно добиться того, что на концах фидера получится пучность напряжения. В случае питания антенн током, фидера, конечно, можно точно так же настраивать, как и в случае питания напряжением, чтобы получить на концах фидера пучность тока. Переменные конденсаторы обычно берутся емкостью до 250—500 см. Способ последовательного включения их показан на рис. 4, параллельного — на рис. 3; при последовательном включении они должны быть расположены на совершенно одинаковых расстояниях от катушки связи. На практике бывает трудно сделать обе ветви фидера вполне одинаковыми, — последовательные переменные конденсаторы в обоих ветвях фидера помогают настроить обе ветви фидера до полной симметричности, маленькой подстройкой одного из конденсаторов.
Резонанс волны контура передатчика с настройкой фидера и с рабочей волной, т. е. то обстоятельство, что указанные выше условия совпадают, определяется показанием амперметров, помещаемых в обеих ветвях фидера, обычно несколько дальше конденсаторов и также на одинаковых расстояниях (рис. 3 и 4). При резонансе амперметры должны давать максимальные и одинаковые показания. Разница в показаниях допускается не больше чем на 10%.
Если амперметры дают максимальные показания не на нужной, а на какой-то другой волне, то это значит, что длина горизонтальной части не подходящая, — ее нужно укоротить или удлинить.
Если амперметры дают на нужной волне разные показания, то это значит, что обе ветви фидера не идентичны и фидер излучает, так как распределение тока при этом получается неравномерное (рис. 5б). Тогда надо подстроить один из конденсаторов фидера до полной идентичности обеих ветвей.
Настройка на рабочую волну антенны Герца производится следующим образом. Определив рабочую волну по длине горизонтальной части (т. е. взяв основную волну или одну из гармоник), настраивают контур передатчика на эту волну. Затем, судя по размерам фидера, решают как включать конденсаторы последовательно и параллельно для того, чтобы настроить фидер. Связь с антенной при этом обычно берут средней, т. е. 1—2 см между катушками.
Включив передатчик, смотрят на показания амперметров, а переменные конденсаторы фидера постепенно вводят или выводят (при двух последовательных конденсаторах они вводятся или выводятся совершенно одинаково).
Когда настройка фидеров найдена, то ослабляют связь между катушками или расстраивают контур передатчика до тех пор, пока показания амперметров не упадут на 10—15%. Такая небольшая расстройка сильно помогает улучшению тона и постоянству волны. Параллельно с максимальными показаниями амперметров в фидере должен дать также максимальные показания и анодный миллиамперметр.
Если все в порядке, то настройка проверяется еще контрольным приемником. При правильной настройке антенны и фидеров, настройка приемника на эту волну, находящегося даже очень близко от передатчика, должна быть очень острой.
Не надо забывать, что показания амперметров в фидере ни в коем случае не являются показаниями тока в антенне, так что судя по показаниям этих амперметров, нельзя говорить, что сила тока в антенне равна стольким-то миллиамперам. Ток в фидере обычно бывает значительно меньше, чем в антенне. Узнать силу тока в антенне можно, лишь включив амперметр в пучность тока излучающей части. Конечно, в антеннах Герца, так же как и в антеннах Маркони, амперметры в фидерах можно заменить индикаторами — лампочками накаливания. Но в этом случае определение одинаковости показаний обоих индикаторов будет сильно затруднено; большую точность показаний — что как раз нужно в настройке антенны Герца — по свечению лампочки на-глаз определить очень трудно.
Из этого описания антенн Герца ясны и недостатки их; при условии совершенно точной длины провода излучающей части и более или менее точной длины фидера, часто в городских условиях, трудно сделать нужный тип антенны из соображений свободного места. Вообще антенну Герц значительно труднее сделать и настроить, чем антенну Маркони. Часто случается, что у любителя, рассчитавшего антенну Герц на волну, напр., 40 м, на практике получается другая волна. Большей частью это происходит от неправильного устройства и настройки фидеров, которые сами излучают и влияют на длину волны горизонтальной части. Но все это поправимо; гораздо хуже, что в антеннах Герца очень затруднен переход с волны на волну, и почти невозможна настройка их в узких пределах. Правда, как было сказано, возможен, путем сложной и кропотливой настройки фидеров, переход с основной волны; на 2-ю, 3-ю и т. д. гармонику, но эта возможность переходить с основной волны на любую гармонику остается лишь для антенн, питаемых напряжением. В антеннах же Герца питаемых током, с основной волны можно переходить лишь на нечетные гармоники (3-ю, 5-ю и т. д.), так как при четных гармониках в антеннах, питаемых током, пучность тока перемещается.
В антеннах Маркони этих недостатков нет; настройкой переменным конденсатором антенны, изменением формы и вида противовеса, применением вместо противовеса заземления и т. д. практически можно получить любую волну.
Зато у антенн Герца почти совершенно нет потерь, так как излучает лишь горизонтальная (или вертикальная) часть, находящаяся обычно далеко от всех поглощающих излучение предметов, и рассчитать ее для максимальной отдачи очень легко. На длину рабочей волны влияют лишь длина той же горизонтальной части и больше ничего.
Благодаря всему этому при антеннах Герца можно надеяться на большую дальность действия при той же мощности, чем при антеннах Маркони. Это подтверждает и опыт не только заграничных, но и некоторых советских любителей, перешедших уже к этим антеннам.
Даваемый В. Б. Востряковым рецепт устройства антенны Герца может быть очень интересен для наших коротковолновиков, которым при первых опытах в этом направлении полезно точно придерживаться указанных в статье размеров, так как это упрощает дело. Однако автор неправ, утверждая, что размер излучающей части антенны должен быть обязательно кратен полуволне. В действительности соотношение между длиною волны и длиною проводов излучаемой части может быть совершенно произвольным, а наиболее выгодное излучение получается, если каждый из этих проводов на 10— 20% больше, чем ½ волны. В этих случаях настройка фидеров делается несколько более сложной. Обратим внимание читателей также на следующее. Настройка при помощи амперметра — всегда вещь очень ненадежная, так как никогда нельзя гарантировать, что амперметр включен в пучности тока. Самым надежным способом является для антенны Герца настройка по лампочкам накаливания, присоединенным в пучности тока излучающих проводов; но для любителя и этот способ труден. Наиболее простым и очень надежным способом настройки во всех случаях является настройка по наилучшей отдаче генератора. Чем больше потребляется энергии генератором и чем при этом меньше накалены аноды ламп, тем, следовательно, больше энергии идет в антенну. Если антенны не находятся в слишком плохих условиях в отношении окружающих предметов, то всегда значительная часть этой энергии будет излучена.
1) Начало см. «CQ—SKW» № 4.