"CQ-SKW", №17, сентябрь 1929 год (приложение к "Радио Всем", №17), стр. 131-133

А. Пистолькорс.

О НАПРАВЛЕННОМ ДЕЙСТВИИ ОДНОПРОВОДНЫХ АНТЕНН

Направленное действие

Под направленным действием мы подразумеваем способность антенны излучать энергию в пространство неравномерно, в одних направлениях больше, в других меньше. Наглядную картину направленного действия антенны дают так называемые диаграммы или кривые направленного действия, подобные изображенной на рис. 1. Здесь легко сравнить количество энергии, излучаемое под различными углами. Так, проведя две прямые под углом в 20° и в 60°, мы видим, что кривая отсекает в первом случае больший отрезок (ОА), во втором — меньший (ОВ); это значит, что под углом 20° излучается энергии больше, чем под углом 60° и при этом во столько раз больше, во сколько первый отрезок больше второго (в нашем случае в 2,7 раза).

Рис. 1.

В настоящее время на коротковолновых станциях, служащих для коммерческой передачи, применяются исключительно направленные антенны, концентрирующие всю энергию в узкий пучек, направленный к месту нахождения приемной станции. Достигается это путем устройства сложной антенны, состоящей из отдельных проводов, расположенных на известных расстояниях друг от друга.

Радиолюбители коротковолновики не применяют антенн такого типа. Их антенны состоят обычно из одного провода, расположенного горизонтально или под некоторым углом к горизонту; мы будем называть такие антенны однопроводными. Однако очень немногие коротковолновики обращают внимание на то, что всякая антенна, а в том числе и однопроводная является по существу направленной, т. е. излучает неодинаково в разных направлениях. Ясно, что знать направленные свойства своей антенны коротковолновику полезно в двух отношениях: во-первых, он может эти свойства соответствующим образом использовать для целей передачи; во-вторых, зная эти свойства, он может сделать ряд ценных наблюдений, касающихся распространения волн в земной атмосфере; подробнее об этом скажем далее.

Симметричный вибратор

Нормальной коротковолновой антенной можно считать симметричный вибратор, т. е. провод длиной в полволны, на котором ток распределяется, как показано на рис. 2. Эта антенна имеет также и ряд других названий, как-то: диполь, (Гертца) и т. п. Все более сложные антенны составляют обычно из симметричных вибраторов, соответствующим образом расположенных. И в радиолюбительской практике вибратор является одной из наиболее распространенных антенн.

Рис. 2.

Направленное действие вибратора представлено на рис. 3. Кривая здесь показывает, что сильнее всего вибратор излучает в плоскости перпендикулярной проводу (это так наз. экваториальная плоскость). Излучаемая энергия постепенно убывает с увеличением угла излучения и когда этот угол становится равным 90°, т. е. в направлении вдоль вибратора, излучаемая энергия делается равной нулю. Как видим, симметричный вибратор излучает далеко не одинаково во все стороны.

Рис. 3.

Распределение тока вдоль сммметричного вибратора таково, что на нем устанавливается одна стоячая полуволна тока с пучностью тока посредине и узлами на концах. В этом случае о вибраторе мы говорим, что он работает основной волной в отличие от случаев, когда ток распределяется вдоль провода иначе. В самом деле, когда провод достаточно длинен, на нем может уложиться более чем одна стоячая полуволна тока. Так, на рис. 2 представлен провод, на котором укладывается 5 полуволн (стрелки здесь показывают направление тока в разных частях провода в какой-нибудь момент). О таком проводе, на котором укладывается более чем одна полуволна, мы говорим, что он работает гармоникой. Так, в нашем примере (рис. 2) провод работает (или колеблется) пятой гармоникой. При работе гармоникой направленные свойства антенны становятся более резкими. Излучение в экваториальной плоскости вообще ослабевает, а при четных гарминиках 2-й, 4-й и т. д. и совсем пропадает. Антенны, работающие гармониками, излучают главную часть энергии под некоторым углом к экваториальной плоскости. Так, при работе второй гармоникой наибольшая часть излучения направлена так, как показано на рис. 3. Здесь угол наибольшего излучения равен 30°. С увеличением номера гармоники направление наибольшего излучения все более отклоняется от экваториальной плоскости вверх. Это наглядно показано на рис. 4, где приведены направления наибольшего излучения для работы различными гармониками (от 2-й до 6-й). Кроме этого основного излучения, антенны, работающие гармоникой, имеют и ряд других более слабых лучей, на которых мы здссь останавливаться не будем.

Рис. 4.

Обратим внимание читателей на то, что главная часть энергии излучается по направлению наибольшего излучения кругом вдоль всего провода, так что получается нечто вроде конуса (см. рис. 3). Эти особенности в излучении антенн, работающих гармониками, следует помнить, особенно [...]¹) которые [...] распространения радиоволн вдоль земли, к чему мы сейчас и переходим.

Распространение волн вдоль земли

В настоящее время передача короткими волнами вдоль земли рисуется следующим образом. На некоторой высоте над землею находится проводящий слой атмосферы, входя в который радиоволны меняют свое направление и в зависимости от угла получается, что [...] (рис. 5). Наибольшим отражением и обладает луч ГД, идущий ближе всего к поверхности земли. Лучи с небольшими углами излучения возвращаются на землю все ближе и ближе к передающей станции с возрастанием угла. Мы подходим, наконец, к лучу ГБ, который находится уже на границе мертвой зоны; ближе к передатчику слышимость пропадает. Угол излучения, соответствующий этому лучу, называется критическим. Радиоволны, излучаемые под несколько более острыми углами, идут по путям, указанным пунктиром, и могут (как луч ГК) возвращаться на землю и на более далеких расстояниях по сравнению с горизонтальным лучем. Вообще же при дальнейшем увеличении угла излучения радиоволны уже могут совсем уйти за пределы земной атмосферы. Таким образом наибольшей дальности радиопередачи мы можем ожидать прежде всего, когда угол излучения равен 0 (горизонтальный луч) и отчасти при углах, несколько больших критического. Критический угол определяет также и ближайший предел слышимости. Угол этот меняется в зависимости от волны; примерная величина его для различных волн показана на рис. 6. В общем, чем короче волна, тем он меньше, следовательно, тем больше мертвая зона и тем больше энергии теряется при излучении вверх. Однако определить ширину мертвой зоны, зная угол, не представляется возможным, так как она зависит не только от его величины, но и от высоты проводящего слоя атмосферы; а высота эта постоянно меняется в зависимости от времени дня и года.

Рис. 5.

Нарисованная картина радиопередачи позволяет обратить внимание как на направленное действие антенны вообще, так и на угол наибольшего излучения в частности. Правильным выбором типа антенны и ее наклона можно добиться наилучшего использования излучаемой энергии.

Рис. 6.

Заметим однако, что на практике приходится сталкиваться с влиянием земли, которая участвует двояким образом. Во первых она [...] лучи, [...] ослабляет или даже попросту [...] горизонтальный луч, если не принять специальных мер. Во вторых, [...] частично отражая от себя радиоволны и тем искажая диаграмму излучения. Единственный способ избавиться от этих помех со стороны земли — это поднять повыше антенну.

Рис. 7.

Подводка питания к такой антенне не должна иметь излучения, т. е. лучше всего ее сделать в виде Лехеровой системы. Для этой цели можно предложить также и другой метод, который осуществлен в так наз. антенне с верхним излучением (рис. 7). Здесь А — симметричный вибратор, выполненный и виде цилиндрической антенны из нескольких проводов и обладающий поэтому малым волновым сопротивлением². Ниже идет одиночный провод, соединяющий вибратор с генератором. Так как волновое сопротивление его значительно больше, то ток в питающем проводе будет гораздо слабее, чем в основном вибраторе. Хотя этот провод и будет представлять антенну с гармониками, но ввиду небольшой величины тока потери на излучение в нем будут невелики, и основное количество энергии будет излучено диполем А, кривая для которого уже известна из рис. 1. Такая антенна обладает преимуществами при передаче на большие расстояния. Как видим, вибратор не излучает вверх, где энергия все равно уходила бы за пределы атмосферы. Максимум излучения — в экваториальной плоскости: около поверхности земли эта часть энергии съедалась бы; здесь же вследствие того, что диполь поднят, этого нет и возможно осуществить передачу горизонтальным лучем (ГД на рис. 5), что как раз и необходимо для дальней радиопередачи. Помещая наверху вместо диполя цилиндрические антенны других размеров, можно работать и гармониками, используя их [...] излучение без помех со стороны земли.