Проф. М. А. Бонч-Бруевич
Напомним нашим читателям, что направленное действие антенн получается вследствие сложения в пространстве волн, излучаемых отдельными антеннами. Так, например, положим, что мы имеем 4 вертикальные антенны а, б, в, г (рис. 1), расположенные по одной линии на расстоянии полволны одна от другой. Положим, что в некоторый момент волна от антенны «а» дошла до точки В. Так как волна распространяется с одинаковой скоростью во все стороны, то, очертив из точки а, как из центра круг радиусом Ва, мы получим границу волны в данный момент времени.
Если во всех антеннах а, б, в, г электрические колебания происходят с одинаковой интенсивностью и в равной фазе, то соответствующая волна, излученная антенной «б», в тот же момент времени окажется на расстоянии Ва от антенны «б». Граница ее в этот момент определится окружностью, проведенной радиусом Ва, но из точки «б», как из центра.
Такие же окружности, проведенные из точек «в» и «г», дадут границы соответствующих волн в тот же момент от антенн «в» и «г». Уже теперь можно видеть на рисунке, что в направлении А волны от всех 4 антенн приходят таким образом, что действие их взаимно усиливается.
Нанесем теперь на том же рисунке границу следующей по времени полуволны, которая излучена антеннами вслед за первой полуволной, при чем заметим, что если первая полуволна была положительная, то вторую полуволну мы должны считать отрицательной.
Очевидно, что вторая полуволна от антенны «а» не успеет дойти до точки В на расстоянии полуволны и следовательно граница ее должна быть проведена радиусом на полуволны меньше чем Ва.
Проведя окружности, соответствующие границам отрицательных полуволн, вышедших из антенн а, б, в, г, мы получим распределение в пространстве положительных и отрицательных полуволн, образующих вместе одну целую волну.
Теперь нетрудно видеть на рисунке, что в направлении А отрицательные полуволны также все складываются, усиливая друг друга, в то же время как в направлении В отрицательные полуволны накладываются на положительные и следовательно здесь действие их взаимно уничтожается.
Весьма поучительно было бы для наших читателей воспроизвести самим подобного рода рисунок для значительно большего числа антенн, например для 8 антенн, вычерчивая при этом положительные волны одним цветом, напр. красным, а отрицательные волны другим, напр., черным.
Если вычертить таким образом большое число следующих друг за другом полуволн, то получается чрезвычайно любопытная картина распределения излучения, причем в этой картине отчетливо выступит так называемый главный луч, идущий в направлении, перпендикулярном линии, по которой расположены антенны, и ряд слабых боковых лучей, идущих под различными углами к этой линии.
Необходимо заметить, что чем больше взято антенн, или, как говорят, чем длиннее база (расстояние между крайними антеннами), тем более будет сужение главного луча и тем больше будет число боковых лучей. Описанная система антенны носит название синфазной, так как токи во всех антеннах регулируются таким образом, чтобы они в любой момент во всех антеннах были одинаковы и шли в одном направлении.
Если такая антенна снабжена «зеркалом», т. е. дополнена рядом таких же антенн, находящихся сзади первого ряда приблизительно на расстоянии ¼ волны, то все излучение направляется в сторону, обратную расположению зеркала (рис. 2).
Синфазная антенна является в настоящее время наиболее распространенной антенной. Рассмотренное расположение излучения относится к плоскости, перпендикулярной направлению самих антенн. В данном случае оно относится к горизонтальной плоскости, так как антенна расположена в вертикальной.
Аналогичным же образом можно рассмотреть, как распределяется излучение в пространстве. Не вдаваясь в подробности, мы укажем только, какой характер имеет это излучение при синфазной антенне. Для этого положим, что рис. 3 изображает собой часть сферы над землей, имеющую очень большие размеры по сравнению с размерами антенны.
Если бы мы, двигаясь по поверхности этой сферы, обследовали силу приема в разных ее точках и заштриховали это там, где сила приема больше, оставляя ее незаштрихованной там, где прием совершенно отсутствует, то получилась бы картина, изображенная на рис. 3.
Как видно из этого рисунка, главный луч при синфазной антенне ограничен двумя параллельными дугами аа1 и бб1, причем наибольшей силы он достигает вблизи поверхности земли. Главный луч может быть еще более сконцентрирован в направлении, параллельном горизонту, если применить антенну, у которой вертикальные провода имеют длину, большую чем полволны, но при этом ток в них остается одного и того же направления.
Практически синфазная антенна осуществляется, напр., антенной Маркони, где ряд вертикальных антенн расположен одна от другой на расстоянии полволны. Каждая из антенн состоит из нескольких (напр. 3-х) проводов, длиной по полволны каждый, и таким образом общая высота вертикали получается в 1½ длины волны. Для того чтобы сохранить направление токов во всех вертикалях одинаковым, между проводами абв (рис. 4) вставлены катушки L, которые поглощают в себе ½ длины волны. Питание всей системы антенн происходит при помощи фидерных проводов Ф, заключенных в металлические заземленные трубы с целью избежать излучения от этих проводов.
Синфазная антенна системы Татаринова, примененная на линии связи Москва—Ташкент, состоит из двух Лехеровых систем, а,а1, б,б1 (рис. 5), которые питаются подводящими проводами Ф, представляющими собой также Лехерову систему. Стоячая волна, которая получается в такой системе, располагается таким образом, что на конце Лехеровой системы, огражденной так называемыми мостами, образуется пучность тока. Вдоль по проводам Лехеровой системы получаются в определенных точках пучности напряжения, к которым и присоединяются вертикальные провода.
Для получения синфазной антенны вертикальные провода присоединяются в пучность напряжения таким образом, чтобы в каждый момент на нижних концах этих проводов получились бы напряжения одного знака, а на верхних концах другого знака, как это видно на рис. 5. Такая антенна может быть сделана также «многоэтажной», т. е. вертикальные провода могут быть сделаны длиною больше чем полволны. Для этого необходимо дополнитъ антенну еще одной Лехеровой системой, к которой и присоединить второй «этаж» вертикальных проводов, как это показано пунктиром.
Антенна Татаринова может быть также превращена в антенну «переменно-фазную», т. е. такую, у которой токи в двух соседних проводах идут не в одном направлении, а в противоположных, или, иными словами, у которой токи в двух соседних проводах находятся в противоположных фазах. Для этого достаточно присоединить все вертикальные провода к одному проводу Лехеровой системы.
При помощи рассуждений аналогичных тому, которое было приведено выше, легко показать, что переменнофазная антенна будет направлять излучение не в сторону, перпендикулярную своей плоскости, а вдоль по линии расположения антенн.
В пространстве излучение переменно-фазной антенны оказывается расположенным несколько иначе, чем излучение синфазной антенны. Если мы изобразим это распределение по тому же способу, как сделали это выше, т. е. обозначим штриховкой силу приема на сфере большого радиуса, в центре которой расположена наша антенна, то получается картина, показанная на рис. 6.
Из этого рисунка видно, что такая антенна дает главный луч конического вида.
Антенны, применяемые в Америке, сходны с антенной Татаринова.
Во Франции применяется антенна Ширекса, которая схематически изображена на рис. 7, она представляет собой провод, работающий гармоникой, изогнутой зигзагом. Легко понять, что если углы зигзагов сделать очень острыми, то такая антенна сильно приблизится к антенне с вертикальным синфазным вибратором, но только расположенным не на расстоянии полуволны, а на очень близком расстоянии. Наоборот, если такую антенну растянуть в прямую линию, то получится единичный горизонтальный провод, работающий гармоникой.
Когда зигзаг имеет угол, близкий к прямому углу, то действие антенны очевидно представляет собой нечто среднее между действием горизонтального провода, работающего гармоникой, и действием синфазной антенны. Как известно, провод, работающий гармоникой, дает излучение под различными углами в своей оси. Так же и антенна Ширекса дает излучение не только как обычная синфазная аатенна, но еще в перпендикулярном главному лучу направлении, в виде некоторого дополнительного вредного рассеивания. Однако влияние этого рассеивания сравнительно не велико. Антенна Ширекса может быть сделана также многоэтажной (рис. 8).
В Германии применяется антенна Мейснера, которая состоит из ряда горизонтальных проводов ABCD длиной в полволны каждый и помещенных между этими проводами катушек L, в которых теряется полволны (рис. 9).
Питающий ток подводится Лехеровой системой к одной из катушек. Когда в такой антенне возбуждены колебания, то на каждом из проводов ABCD укладывается полволны, и в каждой катушке укладывается также полволны. Так как провода и катушки чередуются, то когда, например, положительные полуволны располагаются на проводах, то отрицательные располагаются в катушках, и наоборот. Ток в проводах в каждый момент всегда течет в одну сторону, а ток в катушках — в противоположную.
Распределение излучения такой антенны на сфере большого радиуса, в центре которого расположена антенна, показано на рис. 10. Как видно, оно существенно отличается от распределения излучения предыдущих антенн именно в том отношении, что такая антенна излучает под всеми углами к горизонту одинаково.
Для очень коротких волн Мейснер применяет особые параболические зеркала, которые суживают пучок вертикальной плоскости до желаемого угла и позволяют посылать излучение под любым, заранее выбранным, углом в горизонту.
Мейснер говорит в противоположность Маркони, что наиболее выгодным оказывается посылать излучение не вдоль земной поверхности, а приподнимая его на довольно значительный угол. Развитием антенны Мейснера является антенна, разработанная автором и Татариновым, изображенная на рис. 11. Она состоит из вертикальных труб Т, расположенных попарно и образующих опоры антенны.
Этами трубами поддерживаются горизонтальные провода ABCD, являющиеся излучающими антеннами. С целью поглотить полволны (для чего у Мейснера служат катушки) те же вертикальные трубы, которые являются стойками, использованы в качестве Лехеровой системы, перекрытой мостами М.
Такая антенна имеет то преимущество, что она позволяет, не изменяя своей конструкции, в довольно широких пределах изменить длину волны путем передвижения мостов. Вторым ее преимуществом является отсутствие изоляторов в пучностях напряжений, которые в случае гололеда вызывают значительные потери.
Эта же антенна может быть устроена несколько иначе, а именно, с заменой жестких труб мягкими проводами, закрепленными на изоляторах.
В таком виде она может быть осуществлена и в любительских условиях.
Подробное практическое описание такого устройства мы дадим в одном из следующих номеров.