Устройство антенны является обычно первым делом радиолюбителя. И это первое дело имеет колоссальные последствия. Плохо сделанная антенна не дает возможности радиолюбителю услышать нужные ему передачи даже на очень приличный приемник и приводит его в уныние; хорошая антенна дает сразу прием даже при самом примитивном приемнике и толкает радиолюбителя на дельнейшее усовершенствование, так как ничто так не окрыляет, как успех. В виду важности вопроса о правильном устройстве радиосети, много лекций было посвящено антеннам. Автором этой статьи были такие лекции прочитаны и со станции им. Попова в Сокольниках, и со станции им. Коминтерна. Вопросы об антеннах предлагались радиолюбителями и на всех лекциях в аудиториях; среди вопросов, присланных для консультации по радио со станции им. Попова в Сокольниках, громадная часть была посвящена антеннам. Эта статья имеет своей целью закрепить те сведения, которые давались в отдельных лекциях и при радиоконсультации, и указать основные данные для расчета антенн.
Прежде чем перейти к расчетам, следует, однако, дать общие указания относительно устройства приемной антенны.
Что такое антенна?
Антенна есть провод, прикрепленный с одной стороны к приемнику, другой же стороной ни с чем электрически не связанный. Поэтому основой всякого устройства антенны является изоляция конца ее от всяких металлических предметов и даже от предметов, которые могут стать проводниками (напр., дерево, которое может стать мокрым и сделаться проводником). Хорошая изоляция конца антенны (лучше при помощи фарфоровых изоляторов) является непременным условием пригодности антенны. Кроме того, надо озаботиться, чтобы антенна на всем своем протяжении не касалась каких либо проводящих предметов (крыши, стены и т. д.), так как даже касанье при раскачивании ветром поведет за собой нерегулярную работу приемного устройства. Но не только касанье, но и близость антенны, особенно ее вертикальной части, к стене или крыше, ухудшает условия приема, как это будет об‘яснено далее; поэтому необходимо антенну, особенно ее снижающуюся часть, располагать на расстоянии не менее метра от стены и крыши. Действие передающей антенны заключается в том, чтобы излучать энергию в пространство, приемная же антенна должна эту энергию извлекать из пространства. И та и другая антенна работают тем лучше, чем выше они подвешены, чем больше их вертикальная (снижающаяся) часть. При этом количество снижающихся проводов, идущих параллельно друг к другу к приемнику, не играет роли. Из этого следует, что антенну следует по возможности подвешивать повыше и вертикальную часть делать из одного провода. Горизонтальная часть помогает действовать вертикальной части, но так как она сама не принимает энергии (или, точнее, почти не принимает), то нежелательно развивать слишком сильно горизонтальную часть сети. Не следует делать слишком сложных антенн. Антенны из многих проводов, антенны слишком длинные, никакой выгоды по сравнению с простыми антеннами не дают. Наоборот, они не дают возможности настраиваться на короткие волны и во многих случаях невыгодны (не говоря уже о том, что на устройство такой антенны тратится много лишнего провода, да и мачты для тяжелых антенн надо делать более солидными). Итак, простая антенна, по возможности высокая, хорошо изолированная и отодвинутая от стен и крыш, — вот то, что в соединении с хорошим заземлением нужно любителю. Мало-мальски пригодный приемник при такой антенне будет действовать превосходно и радиолюбитель сможет пойти дальше в развитии своего дела. В дальнейшем мы займемся подробностями, отдельными вопросами о расчете антенн, ограничившись здесь лишь общими соображениями; они казались нам столь важными, что, хотя большинство радиолюбителей их знает, мы сочли нужным их еще раз подчеркнуть.
Для ясного представления, что такое антенна, необходимо прежде всего выяснить разницу между антенной и замкнутым контуром, состоящим из емкости, самоиндукции и сопротивления и, наоборот, подчеркнуть, какое понятие мы переносим с замкнутого контура на открытый, (антенну). Основным таким понятием прежде всего является резонанс. О нем придется поговорить в первую очередь.
Если у нас есть замкнутый контур, состоящий из емкости, самоиндукции и сопротивления, то, зарядив конденсатор и давая ему возможность разряжаться через самоиндукцию с сопротивлением, мы увидим, что получатся затухающие колебания (силы тока и заряда конденсатора). Эти колебания будут собственными колебаниями контура и период их, т.-е. продолжительность одного колебания, выражается формулой Томсона:
| T0 = 2π √ LC ..........(1) |
где T0 — период собственных колебаний контура, выраженный в секундах. L — самоиндукция в генри, С — емкость, выраженная в фарадах.
Итак, мы видим, что контур может колебаться с собственным периодом, если мы дадим ему определенное количество энергии и предоставим его самому себе. Колебания собственные будут затухающими колебаниями с периодом T0, зависящим только от свойств самого контура (то же, что получается с маятником, который отвели от вертикального положения и предоставили ему колебаться). Можно, однако, заставить контур колебаться с любым периодом; для этого приложим к нему переменную электродвижущую силу, которая заставит силу тока в контуре колебаться с периодом этой электродвижущей силы (то же, если бы мы стали раскачивать маятник и заставляли бы его двигаться за нашей рукой с любым периодом). Эти колебания носят название вынужденных колебаний и бывают незатухающими. Наибольшего результата, однако, можно добиться тогда, когда период электродвижущей силы совпадает с собственным периодом контура, когда электродвижущая сила вызывает такие колебания, период которых равен собственному периоду данного контура. Контур тогда раскачивается легко, сила тока получается наибольшей.
Лица, знакомые с математикой, могут в этом убедиться из следующего рассуждения: пусть у нас имеется контур, состоящий из самоиндукции и сопротивления, причем сопротивление в дальнейшем мы будем считать не очень большим. Какой-нибудь генератор переменного тока, включенный в этот контур, дает определенную силу тока, тоже переменного. Амплитуда силы переменного тока определится из следующей формулы:
| I = |
E | ............ (2) |
| √R² + (ωL)² |
где I амплитуда силы тока в амперах, Е — напряжение у зажимов генератора в вольтах, R — сопротивление в омах, L — самоиндукция в генри, ω — так называемая "угловая частота", связанная с периодом соотношением
| ω = | 2π | ........... (3) |
| T |
Из формулы следует, что чем больше самоиндукция, тем меньше сила тока, точно также сила тока у меньшается с увеличением частоты (с уменьшением периода) электродвижущей силы, которую дает генератор. Можно, однако, уничтожить это вредное действие самоиндукции. Для этого необходимо вставить в контур емкость (конденсатор). Тогда емкость будет уравновешивать самоиндукцию и сила тока определится по формуле:
| I = |
E | ............ (4) |
|||
| √ | |||||
| R2 + (ωL — | 1 | )2 | |||
| ωC | |||||
Как видно из этой формулы, можно при помощи емкости уничтожить совсем действие самоиндукции. Это произойдет тогда, когда мы подберем емкость так, чтобы
| ωL = | 1 | ........... (5) |
| ωC |
Тогда сила тока будет равняться напряжению, деленному только на омическое сопротивление. В этом случае ток будет наибольшим. Этот случай и носит название резонанса напряжений или просто резонанса.
Резонанса можно достигнуть также оставляя неизменными самоиндукцию и емкость, но изменяя частоту электродвижущей силы (тогда будет меняться угловая частота ω) пока не получится соотношение (4). Для этого нужно подобрать ω равной:
| ω = |
1 | ............ (6) |
| √LC |
или период, равным:
| T = 2π √ LC ..........(7) |
Рассматривая эту формулу, мы замечаем, что это есть ничто иное, как знакомая нам формула Томсона для замкнутого контура. Таким образом, сила тока будет в контуре наибольшей, когда период приложенной электродвижущей силы совпадает с собственным периодом контура. Это и есть случай резонанса.
Итак, резонансом мы называем такой случай, когда навязанные (часто — приходящие извне) колебания имеют период, равный собственному периоду контура, т.-е. когда навязанные колебания переходят в собственные, но затухания нет, так как приходит энергия извне.
Явление резонанса широко используется в радиотехнике. Антенна представляет собой также колебательный контур, так как обладает емкостью и самоиндукцией. При помощи добавочной емкости и самоиндукции, включаемых в антенну, мы имеем возможность изменять собственный период колебаний антенны. Поэтому мы можем настроить антенну в резонанс. Это мы делаем и в передатчиках и в приемниках. В передающих станциях мы обычно возбуждаем колебания в каком-нибудь замкнутом контуре, а дальше уже связываем с этим контуром антенну. Для того, чтобы в антенне получить наибольшую возможную силу тока, мы ее настраиваем в резонанс на те колебания, которые происходят в замкнутом контуре — достигаем резонанса между открытым и замкнутым контуром.
В приемных установках мы точно так же настраиваем нашу антенну в резонанс на приходящие колебания — на электромагнитную волну, приходящую из пространства. При настройке в резонанс мы получаем наибольшую силу тока в нашем приемнике, и поэтому наибольшую слышимость. Итак, настройка в резонанс является основным явлением радиотехники и нам придется прежде всего познакомиться с тем, как можно настроить в резонанс антенну и как определить тот период, с которым колеблется антенна. В радиотехнике, однако, мы редко говорим о периоде колебаний, мы обычно прибегаем к термину "длина волны", и длиной волны мы характеризуем колебания в том или ином контуре.
Длина волны есть величина, связанная с периодом и поэтому может заменять его. Когда антенна излучает энергию в пространство, то эта энергия распространяется во все стороны со скоростью света. Быстропеременный ток (ток высокой частоты), проходящий в антенне, производит колебательное изменение электрических и магнитных свойств пространства, — то, что мы называем электромагнитным возмущением. Это электромагнитное возмущение распространяется со скоростью света и в течении одного периода проходит определенное пространство λ, которое и носит название длины волны. Длина волны, таким образом, есть пространство, проходимое электромагнитным возмущением в течении одного периода. Длина волны, как всякий путь, равняется произведению скорости на время, в течений которого пройден этот путь. В данном случае длина волны равняется произведению скорости света на период:
где с — скорость света.
Так как скорость света всегда одна и та же, то длина волны изменяется в зависимости от периода. Поэтому, чтобы определить собственные колебания в контуре, можно вместо того, чтобы говорить о периоде, сказать, что контур настроен на такую-то длину волны. Если сравнить выражения (7) и (8), то мы увидим, что длина волны, на которую настроен контур, зависит только от емкости и самоиндукции контура. Именно:
| λ = 2πc√ LC ..........(9) |
В этой формуле L выражено в генри, а С в фарадах. Мы обычно эти величины выражаем в сантиметрах, а длину волны в метрах. Тогда формула (9) принимает такрй вид:
| λмт = | 2π | √LсмCсм = 0,063 √LсмCсм... (9') |
| 100 |
Итак, для контура все получается просто. Нам предстоит сейчас разобрать, как определяется длина волны антенны, как ее можно изменять и какое различие в этом случае получается между антенной и замкнутым контуром.