С. Кин
В первой части статьи мы рассмотрели в общем виде вопрос об атмосферных помехах, предполагая, что каждая помеха представляет собой электрический толчок какой угодно формы. Единственное предположение, которое мы сделали, заключалось в том, что эти толчки быстро затухающие, т. е. что действие толчка прекращается гораздо раньше, чем успеют затухнуть вызванные этим толчком свободные колебания в приемном контуре. При этом одном предположении, не говоря ничего о форме толчка, оказалось возможным рассмотреть вопрос о действии помех на приемный контур и сделать из этого рассмотрения некоторые практические выводы.
Однако, как показывает более подробное рассмотрение, количество энергии, выделенной в приемном контуре атмосферным разрядом (а следовательно, и интенсивность помех), зависит от формы разряда (толчка). Мы попытаемся сейчас выяснить, как форма толчка сказывается на величине Еатм, а следовательно, и на интенсивности атмосферных помех.
Когда приходится иметь дело с процессами неправильной формы, в математике очень часто применяется специальный прием для рассмотрения этих процессов, который заключается в том, что неправильную зависимость (функцию) разлагают в ряд зависимостей (функций) более простой и правильной формы, с которыми удобнее производить математические операции. Так, например, почти всякую зависимость самого неправильного характера можно разложить в бесконечный ряд правильных синусоидальных зависимостей (функций) с различными периодами и рассматривают уже не исходную неправильную функцию, а весь бесконечный ряд («непрерывный спектр») синусоидальных функций. Амплитуды этих всех синусоид могут быть различны, и величина их будет зависеть от формы и характера исходной неправильной кривой. Амплитуда синусоиды какой-либо определенной из составляющих частот называется «спектральной интенсивностью» исходной неправильной функции при данной частоте. Если исходная функция имеет неправильную форму, но все же периодична и обладает каким-либо определенным постоянным или мало меняющимся периодом, то и спектральная интенсивность этой функции будет наибольшая для этого же самого периода. При переходе же к другим периодам, спектральная интенсивность функции будет быстро убывать. Если же исходная функция не имеет периодического характера или период ее очень быстро изменяется, то ее спектральная интенсивность будет очень мало меняться при переходе от одной синусоиды к другой, не очень отличающейся своим периодом от первой. Другими словами, если исходная функция не обладает определенным периодом, то спектральная интенсивность ее для близких частот остается одна и та же.
Если мы этот метод разложения в «непрерывный спектр» применим к случаю воздействия неправильного толчка на приемный контур, то окажется, что количество энергии, выделенное этим толчком в приемном контуре, зависит от спектральной интенсивности толчка при той частоте, на которую настроен приемный контур. Чем больше эта интенсивность, тем больше энергии выделяется в контуре. Так как спектральная интенсивность зависит от формы толчка, то значит именно в этом сказывается влияние формы толчка на величину Еатм.
Если форма толчка такова, что спектральная интенсивность при частоте, на которую настроен приемник, мала (т. е. толчок не обладает периодичностью, или период его очень далек от периода приемного контура), то и влияние помех мало. Если же при этой именно частоте спектральная интенсивность толчка велика (то есть толчок обладает периодичностью и частота его близка к частоте приемника), то и влияние помех сказывается сильнее.
Поэтому-то вопрос о спектральной интенсивности помех имеет большое практическое значение. Если бы удалось из наблюдения за помехами вывести определенные заключения об их спектральной интенсивности, то из этого можно было бы сделать заключение о том, на каких частотах следует работать, чтобы помехи сказывались меньше всего — это были бы те частоты, на которых спектральная интенсивность помех наименьшая. Однако, тех наблюдений, которые были сделаны до сих пор, недостаточно, чтобы сделать нужные выводы. Пока можно только утверждать, что на коротких волнах спектральная интенсивность помех меньше, чем на длинных, и поэтому коротковолновая радиосвязь в меньшей степени страдает от помех, чем длинноволновая.
Тот математический прием, который мы выше изложили — разложение неправильного толчка в бесконечный ряд синусоид, в случае рассмотрения вопроса о влиянии помех на приемный контур, приобретает вполне определенный физический смысл. Ведь при каком угодно толчке в приемном контуре возникают собственные колебания с той именно частотой, на которую этот контур настроен. При этом амплитуда колебаний определяется спектральной интенсивностью толчка при этой частоте. Если бы мы имели бесконечное число приемных контуров, настроенных на всевозможные частоты, то колебания, возникшие во всех этих контурах, и дали бы нам все вместе тот бесконечный ряд синусоид, в который разлагается вызвавший их толчок неправильной формы.
Чтобы закончить рассмотрение вопроса о влиянии формы толчка, укажем еще на следующее обстоятельство. Сделанный выше вывод о зависимости между затуханием и нечувствительностью к помехам, будет правилен только при том условии, что вблизи собственной частоты приемника спектральная интенсивность толчка остается постоянной на некотором участке в обе стороны от этой частоты. Если бы это условие не было соблюдено, то и наш вывод был бы неправилен. Однако, как показали наблюдения за помехами, это условие в действительности соблюдается, так как толчки или не обладают вовсе периодичностью, или период их гораздо больше тех, которым соответствуют частоты радиовещательных станций.
В первой части статьи мы установили, что нечувствительность приемного контура к помехам тем больше, чем меньше затухание приемника. Подробное рассмотрение приводит к более точному выражению этой зависимости, а именно: нечувствительность приемного контура к помехам обратно пропорциональна величине той площади, которая заключена между кривой резонанса этого контура и осью абсцисс (горизонтальной осью), т. е. обратно пропорциональна величине заштрихованной площади на рис. 1. При уменьшении затухания площадь эта уменьшается и во столько же раз увеличивается нечувствительность приемного контура к помехам.
Такое же рассмотрение, которое было сделано для обычного приемного контура, можно выполнить и для приемника со сложной схемой, т. е. состоящего из двух колебательных контуров. Оказывается, что нечувствительность такого приемника к помехам зависит от затухания обоих контуров. При этом для увеличения нечувствительности затухание в обоих контурах должно быть не только мало, но и одинаково. Кроме того оба контура должны быть, конечно, точно настроены на принимаемую частоту. Помимо всего этого нечувствительность сложной схемы к помехам очень сильно зависит от связи между контурами. При слабой связи нечувствительность в помехам примерно вдвое больше нечувствительности одного единственного контура. Если же связь между контурами установить наивыгоднейшую, то есть такую, при которой из первого контура во второй переходит наибольшее количество энергии, то нечувствительность к помехам уменьшается и оказывается равной той нечувствительности, которой обладает один из этих контуров сам по себе. Таким образом применение сложной схемы в случае сильных связей между контурами не дает никаких преимуществ в смысле борьбы с помехами. В случае слабых связей нечувствительность сложной схемы увеличивается, но зато вследствие ослабления связи — уменьшается сила приема. Выход из этого положения — это усиление колебания между первым и вторым колебательными контурами, т. е. другими словами — ламповый приемник с резонансным усилением высокой частоты. Такая схема обладает большей чувствительностью к помехам, чем обычный колебательный контур.
Таковы те основные меры, которые мы можем применять для увеличения нечувствительности самого приемника к атмосферным помехам. Но, увеличивая остроту настройки приемника и число колебательных контуров в нем, мы очень скоро наталкиваемся на новое затруднение. Чересчур острая настройка приемника неизбежно вызывает искажения при радиотелефонном приеме. Из двух зол приходится выбирать меньшее. В некоторых случаях, когда важна не художественность, а четкость передачи, может быть выгодно пойти на некоторые искажения приема вследствие очень большой остроты настройки, но зато уменьшить влияние атмосферных помех. Во всяком случае — одно средство борьбы с помехами — уменьшение затухания приемного контура и применение сложной схемы — всегда в распоряжении радиолюбителя. Вопрос о том, в каких случаях и до какой степени можно его применять, — это уже вопрос практический, который радиолюбитель должен разрешить на опыте.
Если принять во внимание, что сигналы передающей станции приходят в одном определенном направлении, а атмосферные помехи попадают в приемную антенну со всех сторон, то станет совершенно ясно, что применение направленных антенн должно уменьшить влияние атмосферных помех. Применяя направленную антенну, ориентированную на принимаемую станцию, мы нисколько не уменьшаем энергии приема, но делаем антенну нечувствительной к тем сигналам и помехам, которые приходят из других направлений. Это средство вполне действительно не только когда помехи попадают в приемную антенну равномерно со всех сторон, но и тогда, когда они приходят из некоторых определенных мест. Если направление на принимаемую станцию не совпадает с направлением на одну из тех областей, которая является очагом помех, то применение направленной антенны может дать заметное уменьшение помех. Если же направление на принимаемую станцию совпадает с направлением на один из очагов помех, то от применения направленной антенны нельзя ждать большого уменьшения силы помех. Но в общем направленные антенны являются одним из тех немногих надежных средств борьбы с помехами, которыми мы пока располагаем.
Однако устройство направленных антенн встречает большие практические затруднения, так как по своему устройству они весьма громоздки и дают одно определенное направление, изменять которое очень трудно. От всех этих недостатков свободны только приемные рамки, но их можно применять только в комбинации с чувствительными ламповыми приемниками.
Но все же, в некоторых случаях, когда нужно обеспечить регулярный прием одной единственной станции, имеет смысл применять направленные антенны. Из этого типа антенн наиболее доступной для любителей является антенна Бевереджа. Эта антенна представляет собой длинный проводник, подвешенный горизонтально на высоте нескольких метров над землей и направленный на ту станцию, которую эта антенна должна принимать. Однако для того, чтобы антенна Бевереджа обладала достаточно резким направленным действием, необходимо, чтобы ее длина была по крайней мере не меньше половины длины принимаемой волны, то есть например для приема станции имени Коминтерна эта антенна должна иметь длину не менее 700 метров. Такую длинную антенну далеко не всегда оказывается возможным подвесить.
Еще большими преимуществами в отношении уменьшения помех, чем антенна Бевереджа, обладают подземные антенны, представляющие собой также горизонтальный провод, уложенный в земле в направлении на принимаемую станцию. Помимо того, что они обладают направленным действием, подземные антенны менее чувствительны к помехам еще и потому, что защищены землей как экраном от электростатических воздействий, и значит нечувствительны в помехам электростатического характера. На подземную антенну действуют только электромагнитные волны, т. е. сигналы радиостанций и всевозможные толчки электромагнитного характера. Сила воздействия электромагнитных возмущений на подземную антенну зависит от того, на какой глубине эта антенна заложена и при этом влияние земли бывает различно для волн разной длины. Во всяком случае подземную антенну не следует закладывать слишком глубоко (глубже 1—1½ метров), так как вместе с ослаблением влияния помех будет заметно ослабляться и сила приема, особенно при приеме волн, относящихся к короткой части радиовещательного диапазона.
Итак, для борьбы с атмосферными помехами (а вместе с тем и со всеми другими электрическими толчками случайного неправильного характера) можно рекомендовать два пути.
Первый — это увеличение остроты настройки приемника либо при помощи промежуточного контура, либо путем улучшения электрических качеств приемного контура в приемнике, имеющем простую схему. Однако по этому пути нельзя итти как угодно далеко — предел ставится теми искажениями, которые неизбежно возникают при радиотелефонном приеме в случае очень острой настройки приемника.
Здесь будет уместно предостеречь наших читателей от одного возможного недоразумения. Как известно, в регенеративном приемнике при увеличении обратной связи уменьшается кажущееся затухание приемного контура и вместе с тем увеличивается острота его настройки. Поэтому на первый взгляд может показаться, что, увеличивая обратную связь, мы достигнем тех же результатов в отношении увеличения нечувствительности к помехам, как и в случае непосредственного уменьшения затухания приемного контура. Однако в действительности это не так. Ведь все наши рассуждения относились к обычному колебательному контуру без регенерации и были основаны на том, что энергия, выделяемая резким толчком в колебательном контуре, не зависит от затухания этого контура. Для контура с регенерацией это будет неверно, ибо чем сильнее обратная связь, тем больше энергии в приемном контуре выделится под действием толчка. Поэтому применение обратной связи не может дать тех преимуществ в борьбе с помехами, которые дает обычный колебательный контур без регенерации, но с очень острой настройкой.
Другой путь борьбы с атмосферными помехами — это применение направленных и в особенности подземных антенн. Однако и на этом пути встречается серьезное препятствие — сложность и дороговизна устройства антенны с резко выраженным направленным действием.
Других путей пока как будто не видно. Все попытки устранения атмосферных помех при помощи специальных схем (патентные обзоры всех стран буквально забиты «схемами, свободными от атмосферных помех») не дали никаких положительных результатов. И эти неудачи не случайны — причина их кроется в самой сути дела.
Ведь атмосферный толчок неправильной формы «раскачивает» любой колебательный контур. Можно сказать, что атмосферный толчок действует на колебательный контур (передает ему свою энергию) именно на той частоте, на которую этот контур настроен, то есть на частоте принимаемых сигналов. И вместе с тем каждый толчок располагает неисчерпаемым запасом всевозможных частот, начиная от самых низких и кончая самыми высокими. Так что какую бы частоту мы ни принимали, всегда будут существовать и атмосферные помехи, действующие именно на той же частоте. И поэтому отделить помехи от принимаемого сигнала и ослабить их, не ослабляя силы сигнала, невозможно. В этом заключается основная трудность борьбы с помехами. Повидимому, для устранения помех нужны какие-то более радикальные меры, какие-то принципиальные изменения в методах радиосвязи. Без этого помехи может быть и удастся ослабить, но не удастся устранить вовсе. Будем надеяться, что в конце концов радиотехника полностью с этой задачей справится.
1) Продолжение. Начало см. «Р. В.» № 8.
(стр. 226.)