Проф. М. А. Бонч-Бруевич
Коротковолновик-радиолюбитель редко может измерить ток в антенне своего передатчика. Однако, по существу, радиолюбитель не столько нуждается в измерении тока, сколько в возможности оценить качество своей настройки и определить, хотя бы приблизительно, какая мощностъ переходит в его антенну. Трудность измерения тока зависит не только от отсутствия в ассортименте любителя подходящих измерительных приборов, но и от целого ряда других обстоятельств. Эти последние делают затруднительными измерения тока и в профессиональных установках. Кроме того, само по себе измерение тока часто недостаточно для определения мощности в антенне и даже для определения качества самой настройки. В этой статье мы выясним причины упомянутых трудностей и укажем способы, при помощи которых легко ориентироваться в том, какой результат дает данная настройка передатчика.
В длинноволновой технике для измерения тока применяются тепловые приборы, в которых приняты некоторые предосторожности против значительной утечки тока через емкость прибора и против каких-либо неравномерных разветвлений его внутри прибора, вызванных неодинаковой самоиндукцией отдельных путей, на которые разветвляется ток. Так, например, в тех случаях, когда измерительный прибор требуется шунтировать, применяют не отдельный шунт, а ряд шунтов, расположенных симметрично по цилиндрической поверхности, причем шуты имеют те же геометрические размеры и делаются из того же материала, что проволока или пластинка, прогиб которой действует на стрелку измерительного прибора.
В коротковолновой технике шунтов избегают вовсе; измерительный прибор помещают в изолированный, а не металлический кожух (с целью уменьшения емкости) и стремятся уменьшить геометрические размеры вводов. При очень коротких волнах наибольшее затруднение создает скин-эффект в проволочке амперметра, которая подвергается нагреванию. Благодаря скин-эффекту прибор, отградуированный постоянным током, показывает несколько больше при быстропеременных токах, так как сопротивление проволочки оказывается увеличенным. Однако, если даже располагают вполне выверенным для высокой частоты прибором, все же его показания не могут непосредственно дать полное представление о том, что происходит в антенне. При длинных волнах прибор, включенный у заземления, находится всегда в пучности тока, и, зная ток в этом месте, можно вычислить ток в любой точке антенны. При коротких волнах даже небольшие провода, идущие от прибора к заземлению, а равным образом в некоторой части провода самого заземления представляют собой часто значительные самоиндукции. Вследствие этого измеренный амперметром ток может значительно отличаться от действительного тока в пучности. Это особенно резко сказывается в любительских установках, в особенности, когда передатчик помещается в одном из верхних этажей дома и когда заземлением служит отопление или водопровод. Если любитель располагает каким-либо амперметром или каким-нибудь другим индикатором тока (например, маленькой лампочкой) и если он настроил свою антенну по максимуму тока, то это совсем не значит, что в антенну в этот момент отдается передатчиком наибольшая мощность. Вполне возможно, что вследствие соотношения размера антенны и размера заземляющего устройства наибольшая мощность будет отдаваться как раз в тот момент, когда амперметр показывает минимальную величину тока в месте его включения. При работе на гармониках такие случаи могут быть особенно частыми.
Более полное суждение о работе антенны может быть получено тогда, когда в данной точке измеряется не только ток, но и напряжение. Другими словами, когда в антенну включено два индикатора: «антенный амперметр» и «антенный вольтметр», как это показано на рис. 1. Если бы каждый из этих приборов включать последовательно в различные точки антенны, имеющей, в простейшем случае, вид прямолинейного провода, и отмечать величину их отклонений в этих точках, то результат такого опыта можно было бы изобразить в виде графика — рис. 2, где вдоль по длине провода L в различных точках поставлены перпендикуляры, на которых отложены показания того и другого прибора в этих точках. Этот график показывает, что увеличение напряжения соответствует уменьшению тока и обратно. Картина, изображенная на этом графике, соответствует случаю, когда в проводе располагается стоячая волна. Однако, в действительности при наличии излучения дело не ограничивается только одной стоячей волной, и поэтому распределение, указанное на графике, может быть правильным только для антенны с малым излучением, например, для лехеровой системы. В антеннах с большим излучением кроме стоячей волны имеется еще так называемая «бегущая» волна или «волна питания», которая в более или менее значительной степени может изменить картину распределения тока и напряжения.
Для того, чтобы уяснить себе роль «бегущей» и «стоячей» волны представим себе, что мы возбуждаем не электрические волны в проводах, а материальную волну в натянутом шнуре. Это поможет нам потом, по аналогии, представить себе и электрическую картину. Если мы возьмем шнур достаточной длины и закрепим его на одном конце, а другой возьмем в руку и натянем его, то в случае резкого движения рукой мы отчетливо видим, как по шнуру побежит волна, добежит до неподвижно закрепленного конца, и, отразившись оттуда, побежит обратно. Если мы не будем повторно приводить шнур в колебание, то после нескольких отражений от обоих концов волна затухнет и станет незаметной. Если мы будем давать ряд повторных импульсов с определенным ритмом, рассчитанным таким образом, чтобы каждый последующий импульс в противоположном предыдущему направлении начинался в тот момент, когда, предыдущая волна дошла до противоположного края, то все созданные нами волны будут существовать в шнуре, постепенно затухая. Так как на середине провода прямые и отраженные волны будут встречаться одна с другой, то здесь получится наибольшее раскачивание шнура, и мы будем иметь картину колебания шнура в «полуволне» (рис. 3), аналогичную колебанию провода на его основном тоне. Если мы будем давать импульсы вдвое чаще, то взаимодействие встречных волн создаст в середине точку, которая будет находиться почти в состоянии покоя, в то время, как наибольшая амплитуда получится в расстоянии одной четверти длины шкура от его обоих концов. Это будет колебание на второй гармонике. Таким же образом можно получить колебания на высших гармониках, применяя все более учащенные ритмы раскачиваний шнура.
При поверхностном взгляде может представиться, что рис. 3, который мы умышленно дали в упрощенном виде, соответствует наблюдаемому явлению. В действительности же мы забыли здесь про одно важное обстоятельство: между закрепленным концом и тем концом, который мы держим в руке, имеется существенная разница в том отношении, что в то время, как закрепленный конец находится в неподвижности, конец, который мы держим в руке, приводится в движение. Движение, даваемое рукой, поддерживает колебания в шнуре, так как им мы компенсируем потерю энергии на трение и излучение. Рука является источником энергии и создает в проводе колебательные движения, накладывающиеся на движения, создаваемые отражающимися волнами. В неподвижности остается только закрепленный конец шнура, так как дальше точки его закрепления энергия не распространяется. Все же остальные «неподвижные» точки только кажутся неподвижными, а в действительности испытывают колебания, обусловленные прохождением через них той энергии, которая идет на пополнение упомянутых выше потерь. Больше всего энергии должно пройти в самом начале шнура, около руки, так как здесь находится источник энергии, питающей весь шнур. В ближайшем узле тока А (рис. 4) движение все еще велико, так как через эту точку проходит энергия, идущая на питание остальной части шнура. В точках В и С это движение соответственно меньше. Таким образом, мы видим, что в шнуре необходимо различать два движения: одно из них образуется стоячей волной, а другое образуется «волной питания» или, как ее иногда называют, «бегущей» волной. Соотношение между величиной обеих этих волн зависит от величины затухания. Нетрудно представить себе, что если мы возьмем резиновый шнур, то при самом небольшом движении рукой, т. е. при самой незначительной амплитуде «бегущей» волны, мы можем получить значительную стоячую волну. В то же время шнур, сделанный из очень мягкого материала, обладающего большим затуханием, может почти не дать стоячей волны, хотя раскачивания его и будут очень велики.
Совершенно та же картина получается в проводах, несущих в себе колебательный ток. Если затухание мало, как, например, в колебательном контуре, лишенном нагрузки, то бегущая волна ничтожна по сравнению о стоячей и, практически, мы можем думать только об одной стоячей волне. В проводах, работающих гармоникой, затухание уже значительнее и поэтому величина бегущей волны может быть также значительной по сравнению с стоячей, особенно, если работа идет на высших гармониках. В специальных антеннах бегущая волна может быть вполне сравнимой или даже превышает, стоячую. Естественно, что при этом амперметр и вольтметр, включенные в различные точки антенны, дадут не ту картину, которая была изображена на рис. 2, а картину, изображенную на рис. 5. При наличии достаточных технических средств оказывается, что удобнее всего мерить мощность не при помощи тока стоячей волны, а при помощи тока бегущей волны, помещая амперметр не в точке, где ток имеет максимум, а в той точке, где он имеет минимум. Это как раз противоположно тому, что, как известно, делается обычно в длинноволновой технике.
Из сказанного ясно, что в любительских условиях измерение силы тока не только трудно, но и не дает часто возможности правильно судить о работе установки. Поэтому гораздо правильнее контролировать свою работу по режиму генератора. Этот метод в более точном оформлении применяется также для определения мощности больших технических установок. Миллиамперметр, показывающий величину анодного тока при постоянном напряжении на аноде, регистрирует всякое изменение потребляемой мощности. Если анодное напряжение известно, то произведение анодного тока на это напряжение непосредственно дает мощность. Эта мощность расходуется частью в самом передатчике, т. е. главным образом на анодах ламп, а частью перекачивается в антенну. Если изменить настройку передатчика при постоянной связи с антенной, то анодный ток вблизи резонанса испытывает изменения, показанные на рис. 6 жирной линией1; пунктиром на том же рисунке указана мощность, развивающаяся при этом в антенне. Характер этих кривых незначительно изменится, если одновременно с настройкой несколько меняется связь с антенной, что почти всегда имеет место в любительских установках. Характерным является то, что анодный ток от некоторой своей начальной величины сначала растет, затем падает, испытывает некоторый минимум, снова поднимается и снова принимает величину, близкую к начальной.
Достаточно надежная настройка может быть получена, если передатчик отрегулирован таким образом, что анодный ток имеет величину среднюю между максимальной и минимальной, причем точка настройки находится между этими максимумом и минимумом. При сильной связи между антенной и генератором и при сравнительно малом декременте антенны, приведенная выше картина может не иметь места вследствие так называемого явления «затягивания», сопряженного со срывом колебаний и с перескоком на другую волну. Если почему-нибудь предпочитают работать на таком режиме, то для определения мощности, отдаваемой в антенну, может служить соотношение между потребляемой передатчиком мощностью и мощностью, рассеиваемой в лампах. Степень накаленности анодов в этом случае дает указание той мощности, которая рассеивается в лампе. Другими словами, настройка передатчика тем лучше, чем больше потребляется энергии и чем ниже температура анодов. При некотором навыке мощность, рассеиваемую на анодах, можно довольно успешно оценивать на глаз. Для этого предварительно нужно поставить лампы в такие условия, при которых колебания отсутствуют и вся мощность ложится на лампы. Задавая, например, различные положительные смещения на сетку лампы и наблюдая потребляемую при этом мощность, можно получить некоторые навыки в отношении оценки режима ламп.
1 Конечно при условии, что лампа работает в нормальном генераторном режиме. (стр. 123.)