М. Л. Волин.
Прежде чем перейти к описанию типов антенн, употребляющихся для передачи и приема коротких волн, необходимо выяснить, какие требования приходится пред'являть к этим антеннам. Новейшая теория, подтвержденная недавно произведенным в Америке опытом Пикара, утверждает, что дальнодействие коротких волн получается только волнами, идущими не параллельно земной поверхности, а направленными косо вверх.
Волна, попадая в верхние электропроводящие слои атмосферы (слой Хивисайда), или (черт. 1) отражается от них, подобно световым лучам от зеркал, или постепенно переломляется так же, как переломляется световой луч, переходя из одной среды в другую (черт. 2). Из чертежей 1 и 2 видно, что и в том и в другом случае от передающих антенн требуется, чтобы они посылали волны не параллельно земной поверхности, а под некоторым углом α к горизонту.
С другой стороны, приемные антенны должны быть так же приспособлены к приему не горизонтальной волны, а волны, спускающейся сверху под некоторым углом β.
Известно, что простая вертикальная заземленная антенна имеет собственную основную волну, равную учетверенной длине провода. Такая антенна имеет максимальное напряжение (пучность напряжения) и нулевой ток (узел тока) на своем конце и максимальный ток и нулевое напряжение у заземления. На черт. 3 показано распределение тока (кривая J) и напряжения (кривая E) для антенны, работающей на основной волне. Стрелками на чертеже показано излучение энергии в пространство, происходящее параллельно земной поверхности.
Кроме основной волны, каждый вертикальный заземленный провод имеет еще любую нечетную высшую гармоническую равную 4/3, 4/5, 4/7 и т. д. длины основной волны. Например, провод длиной в 50 метров имеет кроме основной волны равной 4 · 50 = 200 метров еще волны равные 200/3 = 67, 200/5 = 40, 200/7 = 28,5 и т.д. метров. Распределение тока и напряжения для 3 гармоники показано на черт. 4. В этом случае узлы и пучности тока и напряжения размещаются не только на концах провода. Лучевая диаграмма для той же антенны показана на черт. 5, из которого видно, что хотя некоторое количество энергии излучается антенной и в горизонтальном направлении, главное же излучение происходит косо вверх. Обе части излучения разделены нулевой зоной, имеющей направление около 30° к горизонту.
Еще более интересная картина получается при работе на другой, более высокой гармонике. Здесь излучение энергии происходит несколькими лучами, имеющими различное направление.
В начале настоящей статьи мы уже видели, что электромагнитные волны, подобно световым, обладают свойством отражения. Так же, как в обыкновенном световом прожекторе, за источником света ставится параболическое зеркало, дающее лучам определенное направление и можно путем отражения заставить электромагнитную энергию излучаться в определенном направлении. Только короткие волны позволяют практическое применение явления отражения. Причины этого кроются в том, что для длинных волн размеры зеркал были бы настолько грандиозными, что о них практически не может быть и речи.
Способов устройства таких направленных антенн для коротких волн существует очень много. Примером рефлектора могут служить проводники, расположенные по параболе, в фокусе F которой помещена передающая антенна (черт. 6). Иногда эти проводники заменяют проволочной сеткой, иногда их разбивают на участки, соединяемые друг с другом конденсаторами и т. д. Подробное описание направленных антенных устройств выходит за пределы настоящей статьи.
Конечно, любителю незачем гнаться за сложными устройствами с направленным действием, благо он почти всегда работает CQ1) и ему совершенно безразлично, куда идут его волны. Самым простым и вполне достаточным антенным устройством для любителя будет вертикальная антенна, работающая на 3, 5 или 7 высшей гармонической. Да, вообще, еще неизвестно, имеют ли смысл описанные направленные передающие антенны. Все произведенные до сих пор опыты не дали каких-либо определенных результатов и часто случалось, что станция с рефлектором бывала лучше слышна позади рефлектора, нежели в том пункте, на который рефлектор был направлен.
Поставим на пути волны нормальной длины, распространяющейся параллельно земной поверхности, прямой провод, могущий принимать любое положение в пространстве. Сила приема на этот провод будет максимальной, если провод вертикален. При поворачивании провода так, чтобы он принимал положения 1—3, показанные на чертеже 7 — сила приема уменьшается и при горизонтальном проводе (положение 3) доходит до нуля. Если же волна не горизонтальна, а спускается наискось сверху — максимальный прием получается на проводе не вертикальном, а составляющем угол в 90° с направлением волны (черт. 1 пунктирная антенна).
Таким образом для наивыгоднейшего приема короткой волны необходимо знать угол β под которым она спускается на приемный пункт2). Упомянутые в начале настоящей статьи опыты Пикара имели целью выяснить этот угол β. Опыты были поставлены следующим образом: на верхушке специально построенной деревянной башни, высотой 7 метров, был установлен приемник с прямолинейной антенной, могущей вращаться по вертикальной и горизонтальной оси, т.-е. принимать любое положение в пространстве. На эту антенну принимались различные станции, при чем каждый раз она устанавливалась так, чтобы прием получался максимальный. Положение антенны в этом случае и определяло угол β, под которым волна попадает в приемный пункт. В результате исследований Пикару удалось выяснить следующее: для всех волн короче 100 метров и для всех расстояний больших 50 километров угол β остается большим 45°, колеблясь в пределах от 45° до 80°. Для волн порядка 40 метров (от 7 до 8 миллионов периодов в секунду) изменение угла β с увеличением расстояния такое: на расстояниях больших 1000 километров β остается приблизительно постоянным и равным 60°. С уменьшением расстояния угол β начинает увеличиваться и на расстоянии 200 километров доходит до 80°. С дальнейшим уменьшением расстояния β начинает опять уменьшаться и вблизи передатчика падает до нуля градусов. Последнее может быть об'яснено тем, что на очень малых расстояниях прием происходит не от отраженной или преломленной волны (черт 1 и 2), а от прямой волны, идущей параллельно земной поверхности.
Практическим результатом изложенных опытов будет следующее: пользоваться вертикальной антенной для приема коротких волн не имеет смысла. Горизонтальная антенна будет для всех случаев (за исключением расстояний меньших 50 километров) значительно выгоднее, на том основании, что угол β остается все время большим 45°. Горизонтальные приемные антенны устраиваются обыкновенно без заземления, а с противовесом, являющимся продолжением самой антенны (черт. 8 и 9). Длина каждого крыла около 10 метров. Собственная волна ее 40 метров. Включение антенны в приемник такое же, как при длинных волнах, т.-е. с параллельным конденсатором при волнах длиннее 40 метров (схема "длинные волны") и с последовательным конденсатором для волн короче 40 метров (схема "короткие волны").
При устройстве горизонтальной антенны необходимо иметь в виду, что такая антенна обладает направленным действием и лучше всего принимает с тех сторон, на которые направлены ее крылья.
1) Всем, всем.
2) Для упрощения изложения принимаем волну поляризованной в вертикальной плоскости, хотя это правильно не во всех случаях.