"Друг Радио", №9-10, сентябрь-октябрь, 1925 год, стр. 7-13.

Об антеннах.

Р. В. Львович.

Антенна... Это красивое слово теперь известно не только специалистам и радиолюбителям. По русски — воздушный провод, воздушная сеть. Слово антенна заимствовано из морской терминологии и означает — рея. Другое его значение — щупальцы, усик (у насекомых). Раньше, у наших профессионалов — радио-техников слово антенна произносилось сравнительно реже, чем воздушный провод, теперь-же антенна, антенний провод — слова часто склоняемые даже детьми.

Под'езжая к большому городу, проезжая дачные поселки или жилые одиночные строения вблизи крупных центров, мы замечаем тут и там легкие мачты с навешенными на них проводами — любительские антенные устройства для приема лекций и концертов от радио-вещательных станций. Торчащая на крыше одинокого здания мачтенка у глухой железнодорожной станции как-бы говорит взору путешественника, что и это глухое место связано невидимыми нитями с далеким, шумным большим городом и, что в жизнь обитателей этих глухих уголков уже проникает луч городской культуры и вносит разнообразие в их убогое, серое существование. Антенна — это, так сказать, уши радио-приемного устройства, существенный орган его, и потому очень стоит заняться разбором свойств различных антенных устройств.

Первый, подвесивший провод к мачте, правда, для приема (регистрации) атмосферных разрядов был А. С. Попов. Маркони подвесил антенну для передачи сигналов на расстояние. Эти первые опыты подвески антенны для приема и передачи и составили эпоху в науке и технике, так как положили основание возникновению беспроволочного телеграфа.

Действительно, лишь связавши воздушные провода с уже существовавшими до Попова и Маркони приемниками и передатчиками электромагнитных волн (аппарат Бранли, аппараты Риги, Тесла), можно было установить беспроволочную связь. Из этого мы видим, что главнейшая заслуга изобретателей радио-телеграфа была простая и гениальная мысль вывести наружу металлические проводники и подвесить их возможно высоко.

Прежде чем подойти ближе к выяснению значения передающих и приемных антенн, заметим, что полное антенное устройство состоит из следующих элементов:

1) Мачтовое или башенное устройство для поддержки воздушной сети.

2) Собственно антенное устройство, или воздушная сеть — антенна.

3) Противовесное устройство, в частном случае — заземление.

Часто совокупность всех трех элементов называют наружным устройством станции, в отличие от передающих и приемных аппаратов, помещающихся внутри здания. Обыкновенно, это самая дорогая часть всей радио-установки, в особенности в передающих станциях, а потому дальнейшее усовершенствование в смысле удешевления радио-установок должно быть связано с удешевлением антенного устройства. В этом отношении введение рамки Брауна для приема имело существенное значение. К сожалению, для передачи применение рамок пока еще очень ограничено. Мы еще к этому вернемся, когда будем говорить о направляющих устройствах, а сейчас разберем некоторые теоретические вопросы для выяснения роли антенны в механизме передачи и приема радио-сигналов.

Для чего служит антенна?

Хотя на страницах этго журнала неоднократно писалось о назначении антенн, все-же укажу на двоякую роль антенны: как излучателя электромагнитных волн и, как поглощателя их для преобразования в электрические токи, воспринимаемые приемным аппаратом.

Вообще можно пользоваться одной и той-же антенной, как для передачи, так и для приема, лишь-бы изоляция была-бы достаточной, чтобы выдержать высокие напряжения при передаче. Так раньше и делали, теперь-же, при более или менее значительных установках для приема применяется специальная антенна, почему — увидим из дальнейшего.

Самый простой случай антенного устройства — это вертикальный металлический провод ¹) тем или иным путем подвешенный к мачте и хорошо заземленный. Весь провод начиная от земли должен быть изолирован, следовательно, подвешен к мачте при помощи изоляторов.

Такой провод, применяемый как передающая антенна, будет излучать электромагнитные волны равномерно во все стороны, а как приемная антенна воспринимать их одинаково, независимо от направления, по которому проходят волны. Это верно, если вблизи воздушных проводов никаких предметов ощутительных размеров по сравнении с выстою проводов, особенно металлических, не находится. Так как сам по себе провод вертикально стоять не может, а требует подвешивания, если не к мачте, то путем вспомогательных средств к высоким зданиям, то вышеуказанное условие вообще неосуществимо. Сама мачта или здание не могут быть ниже высоты провода и потому идеальный случай свободного вертикального провода на практике заменяется большим или меньшим приближением к нему.

Фиг. 1 изображает наипростейший теоретический случай заземленной антенны. Вертикальная струя воды — фонтан — пущенная из большого водоема, колодца, реки, моря, приблизительно, конечно, может иллюстрировать этот случай, если не обращать внимания на обратное падение струи, превратившуюся в брызги. Такие водяные антенны в некоторых случаях применялись. Однако, большое сопротивление такой струи, хотя бы и состоящей из соленой морской воды, электрическому току делает ее для практики мало пригодной.

Фиг. 1.

Итак, предположим, что в нашем вертикальном проводе (фиг. 1) циркулируют токи высокой частоты. Читатель уже имел случай ознакомиться в этом журнале со способами возбуждения токов высокой частоты в передающих антеннах. Напомним лишь о том, что для того, чтобы в передающей антенне могли возбуждаться токи, необходимо либо оставить внизу почти у заземления небольшой искровой промежуток (искровые, первые станции Маркони) замыкающийся искрой при колебаниях тока, и образующий своею проводимостью неметаллический путь для прохождения тока, либо включить в антенну несколько витков для связи с передатчиком.

Если самоиндукция этих витков мала по сравнению с самоиндукцией антенны, то ее можно не учитывать и рассматривать всю антенну как вертикальный сплошной провод. Такой провод в электрическом отношении имеет омическое сопротивление, емкость и самоиндукцию. Произведение из емкости и самоиндукции определяет собственную волну такой антенны. Зная самоиндукцию и емкость можно вычислить собственную длину волны антенны по формуле Томсона.

Длина волны в сантиметрах равна 6,28√емкость в сантим. × самоиндукция в сантим.

Знаками эта формула изображается так:

Для измерения волны в метрах следует полученную величину разделить на 100.

Если самоиндукция витков, необходимых для связывания антенны с передатчиком, значительна, то ее величину следует прибавить к самоиндукции провода.

Фиг. 1а	Фиг. 1б

Однако, собственную длину волны антенны можно найти и не зная ее емкости, ни ее самоиндукции. Теория показывает, что длина волны вертикального провода, заземленного, вчетверо больше длины самого провода, т. е. высоты его над землей; так что, если длина провода 20 метров, то собственная длина волны 80 метров. Самоиндукция (катушка) вводимая в провод, для связи с передатчиком или приемником, удлиняет волну антенны (фиг. 1-а). Для укорочения волны вводится в антенну емкость последовательно (конденсатор) (фиг. 1-б). Введение в антенну одновременно и емкости и самоиндукции может удлинить, укоротить или же оставить собственную длину волны без изменения, в зависимости от отношения величин емкости и самоиндукции (фиг. 1-в). Можно, наконец, параллельно введенной самоиндукции приключить конденсатор (фиг. 1-г). Если введенная самоиндукция велика сравнительно с собственной самоиндукцией провода, то включение емкости параллельно самоиндукции всегда удлиняет волну.

Фиг. 1в	Фиг. 1г

Наибольший ток в передающей антенне получится, если длина волны антенны, считая введенные самоиндукцию и емкость, будет равна длине волны передатчика. Наибольший ток в приемной антенне будет при совпадении длины приходящей волны с длиною волны антенны, включая введенные самоиндукции и емкости. Подгонка волн называется настройкой, а эффект увеличения тока в этом случае называется резонансом. При одной и той же установке, чем больше ток в антенне передающей или приемной, тем эффективнее действие устройства.

Однако, большие токи в передающей антенне еще не доказательство хорошего действия ее. Здесь важна так называемая действующая высота антенны. Что же это такое?

Вокруг проводника, в котором появляется электрический ток, возникает магнитное поле, распространяющееся в окружающем пространстве со скоростью света, т.е. 300.000 километров в секунду. Если проводник не замкнут, напр. вытянут в вертикальном положении, и достаточно длинен, то магнитное поле образует круги, центром которых служит каждая точка провода; в общем получаются цилиндры, осью коих служит сам вертикальный провод. Так как в передающей антенне циркулирует быстро переменный электрический ток, то электромагнитное поле, меняясь по величине и по направлению как и ток в антенне, распространяется по всем направлениям перпендикулярно к вертикальному проводу, при этом диаметры кругов (цилиндров) увеличиваются до безконечности, если не встречается по пути препятствий; сила поля уменьшается по мере удаления от провода. Энергия передающих аппаратов расходуется. В этом случае говорят: антенна излучает электромагнитные волны, излучает энергию.

Но не все антенны одинаково хорошо излучают энергию. Чем же определяется способность различных антенн наилучшим образом отдавать энергию, т. е. посылать ее на далекие расстояния, и отчего это ценное свойство зависит?

Дело в том, что способность антенн излучать энергию и посылать электромагнитные волны в пространство, где они воздействуют на приемное устройство, всецело зависит от формы антенного провода или совокупности проводов. Электрический ток в замкнутом проводе вызывает вне замкнутого контура лишь слабое магнитное поле и излучение энергии таким проводом-контуром весьма мало. Прямой вытянутый провод, образующий при прохождении в нем электрического тока круговое магнитное поле, при высокой частоте переменного тока излучает наибольшее количество энергии сравнительно с другими формами провода. Во всяком случае для излучения электромагнитных волн провод, несущий быстро-переменный ток не должен быть замкнут, не должен образовать замкнутого контура, а быть более или менее открытым. Свойство излучать энергию и составляет сущность применения антенн для беспроволочной связи.

Способность излучения зависит от длины провода (от высоты его над землей или противовесом) и от длины излучаемой волны, именно, от отношения этих двух величин. Способность эту, называемую "сопротивлением излучению" можно выразить числом и измерить омами (ом — единица сопротивления).

Фиг. 2.

Прямой вертикальный провод не во всех своих частях одинаково излучает энергию, потому что электрический быстро-переменный ток в проводе не везде одинаков. Изменение тока во времени можно наглядно изобразить некоей кривой называемой синусоидой (фиг. 2). Размах колебания, амплитуда тока, (наибольшее значение тока) в данный момент, однако, не во всех местах провода одинаково. У места заземления внизу оно наибольшее, наверху у открытого конца — тока вообще нет. Постепенное изменение амплитуды тока в данный момент можно изобразить графически (фиг. 3). Излучательная способность такого провода будет меньше, чем в том случае, когда бы ток был по своей наибольшей величине снизу и до верху одинаков, что физически невозможно. Но мысленно можно однако представить себе такой случай и заменить действительный провод воображаемым, более коротким, с равномерным в нем распределением наибольших значений тока в данный момент с тем условием, чтобы способность излучению была такая же, как у действительного провода. Высота такого воображаемого провода называется действующей высотою антенны. Из этого видно, что действующая высота всегда меньше действительной высоты провода, даже если этот провод строго вертикален. В этом случае действующая высота составляет лишь ⅔ действительной высоты (точнее — 2/π где π = 3,14).

Фиг. 3.

Теперь мы знаем, что такое действующая высота и можем вычислить сопротивление излучению вертикального провода, найдя предварительно его действующую высоту, т. е., взяв ⅔ всей длины. Нам еще нужно знать длину волны. Если в провод не введена значительная самоиндукция, а самоиндукцией витков для связи можно пренебречь, то как раньше было указано, длина собственной волны заземленного вертикального провода в четыре раза больше его длины.

Сопротивление излучению может быть вычислено по следующей формуле приблизительно:

Из этой формулы видно, что действующая высота и длина волны сильно влияют на способность излучения, зависящую от квадрата отношения этих величин. Способность излучения понижается при введении в антенну самоиндукции (волна удлиняется) и повышается при введении последовательно конденсатора-емкости (волна укорачивается). Для вертикального провода без введенных самоиндукции и емкости, собственная волна которого в четыре раза больше длины провода, сопротивление излучению найдем равным приблизительно 40 омам. (Если введенные самоиндукция и емкость компенсируют друг друга, то сопротивление излучению не меняется). На практике, однако, сопротивление излучению обычно значительно меньше, так как излучаемые волны обыкновенно длиннее собственной волны антенны.

Фиг. 4.

Для увеличения действующей высоты при заданной высоте мачт присоединяют к вертикальному проводу горизонтальную часть, направленную в одну какую-нибудь сторону от наивысшей точки вертикального провода или по обе стороны ее. В первом случае форма антенны называется Г—образной (фиг. 4) во втором случае Т—образной (фиг. 5). Прибавление горизонтальной части увеличивает собственную емкость всей антенной системы, увеличивает собственную длину волны и увеличивает действующую (эффективную) высоту. Распределение максимальных величин тока (амплитуд) в вертикальной части делается более равномерным (емкость как бы прибавляется к верхнему концу вертикальной части) и в смысле увеличения действующей высоты, антенна, состоящая из вертикальной и горизонтальной части равноценна вертикальной антенне большей высоты. Как горизонтальная, так и вертикальная части могут состоять из нескольких проводов. Увеличение числа проводов горизонтальной части увеличивает емкость антенны, но при условии что горизонтальные лучи находятся на расстоянии не менее 1 метра от соседнего луча. Число лучей может быть от 1 до 6 и более. Антенну со многими горизонтальными лучами называют также воздушной сетью. Собственная длина волны Г и Т—образных антенн, состоящих из нескольких лучей, больше четверной длины одного из проводов и может доходить до 8 кратной. (Для Т—образных антенн длиною провода антенны следует считать вертикальную часть одного из проводов плюс половину горизонтальной части).

Фиг. 5.

Форма антенн очень разнообразна. Г и Т—антенны требуют двух точек подвеса, двух опор, след., двух мачт. При одной мачте горизонтальную часть приходится заменить наклонной, оттянув ее при помощи тросса, веревки, через изоляторы вниз к низкому столбу или к колу в земле (фиг. 6). Действующая высота такой антенны меньше сравнительно с Г—антенной, излучение меньше, так как идущая к низу часть уменьшает излучение вертикальной части. К этому типу антенн относится и зонтичная антенна (фиг. 7).

Фиг. 6.

Прежде для станций небольших мощностей пользовались одной и той же антенной для передачи и приема, считая, что хорошая передающая антенна — хороша также для приема. Однако, теперь предпочитают для приема устраивать специальную антенну, состоящую лишь из одного единственного провода, подвешенного на тех же мачтах, что и передающая антенна. Это делается для того, чтобы емкость приемной антенны была возможно малой в целях ослабления атмосферных разрядов ²). Изоляция приемной антенны может быть слабее, чем передающей.

Нам еще следует побеседовать о любительских антеннах и иметь в виду главным образом, приемные антенны.

Фиг. 7.

Хорошее антенное устройство любителям материально не под силу, поэтому приходится установку упрощать насколько возможно. На крышах ставят невысокие легкие мачты, укрепляемые троссиками или же иногда просто пеньковыми канатиками. Обыкновенно, ставятся две мачты, к ним прикрепляются рейки, к концам которых на изоляторах подвешивается два кремне-бронзовых канатика, или просто два голых медных провода. От одного из концов проводников ведут два вертикальных или наклонных провода к приемному аппарату через окно. Противовесом (заземлением) служит обыкновенно водопроводная труба или же трубы центрального отопления. Для удешевления этого устройства очень часто мачты заменяют дымовыми трубами зданий, выбирая высокие дома, и между трубами подвешивают на изоляторах лишь один проводник, от которого ответвляют вертикальный провод и вводят его в окно. Рационально было бы при этом, чтобы подвешенная между зданиями, или между мачтами, на крышах часть антены была возможно горизонтальна; вообще, нужно избегать петель, так как в частях антенны, идущих туда и обратно, электродвижущие силы, наводимые приходящей волной, взаимно компенсируются и сила приема ослабляется. Если по местным условиям нельзя протянуть горизонтального провода и приходится его делать наклонным, то опускающуюся часть антенны ответвляют от места провода, лежащего вблизи более высокой точки подвеса. Важно чтобы под верхним проводом было бы свободное пространство, так как крыши, деревья, находящиеся вблизи провода поглощают энергию приходящей волны; вертикальная (опускающаяся) часть антенны не должна проходить слишком близко к стенам здания, или к водосточным трубам. Неблагоприятные условия, в смысле потерь, создаются там, где горизонтальную часть приходится подвешивать над тесным двором (колодцем), а снижающуюся часть вести внутри двора. Были случаи опускания антенного провода внутри лестничной клетки. Конечно, такое устройство крайне нерационально.

Вообще, любители, принимающие работу мощной передающей станции, или же местной радио-вещательной станции, часто пользуются, вместо антенны, всякими случайными проводами как напр.: телефонным проводом, проводами освещения и, даже, металлическими частями домашних вещей (кровать, лампа и т. п.). Интересный случай пришлось мне однажды наблюдать: подходя вечером к зданию ленинградской радио-вещательной станции, я заметил странную группу лиц, сидевшую на земле у водосточной трубы. Оказалось, что эти предприимчивые и остроумные "радио-зайцы", или в данном случае, скорее "радио-кроты", воспользовались водосточной трубой как антенной и включив между ней и землею детектор с присоединенным к нему телефоном, спокойно слушали концерт. Но конечно, водосточные трубы или кровати не следует считать образцовыми антеннами.

Скажем еще несколько слов о направленном приеме.

По поводу излучения передающих антенн было упомянуто о том, что вертикальный разделенный провод излучает электромагнитные волны равномерно во все стороны. Эти волны огибают земной шар и, встречая приемную антенну, наводят в ней электрические токи. Если приемная антенна состоит из вертикального заземленного провода, то безразлично, откуда волны поступают. Если-бы земля имела идеальную проводимость и не существовало-бы никаких препятствий, никаких отражений волн, то прибавление к вертикальному проводу горизонтальной части почти не нарушало-бы симметрии; горизонтальная часть не участвовала-бы в возбуждении электродвижущей силы — она увеличивала-бы лишь емкость системы. Однако, в действительности, прибавление горизонтальной части создает некоторую асимметрию и делает Г-образную антенну несколько неодинаково чувствительной ко всем направлениям. Г-образная антенна имеет небольшое направленное действие. Для хорошего-же направленного приема применяют особые устройства. Из них самое простое — рамка или рамочная антенна. О них, однако, на страницах этого журнала уже обстоятельно излагалось в №№ 4 и 7.

---

¹) Мы будем иметь ввиду сплошной голый медный провод, или кремнебронзовый кабель, обычно применяемый для антенн. (стр. 8.)

²) На это обстоятельство мною было указано в 1909 году и впоследствии теоретически обосновано («Вестник телеграфии и телефонии без проводов»). (стр. 11.)