Инж. А. Н. Попов.
Чтобы покончить с излучением1), нам нужно еще разобрать ту количественную связь, которая существует между излученным полем и явлениями, происходящими в антенне. Другими словами: нужно выяснить, как зависит величина излученного поля от рабочих условий антенны.
Ранее мы говорили, что в свободной волне напряжение электрического поля Е равно по величине напряжению магнитного поля Н. Это справедливо в том случае, когда Е и Н измерены каждое в определенных единицах2). На практике Е обычно выражают в иных единицах, именно в вольтах на метр или, еще чаще, в микровольтах (т. е. миллионных долях вольта) на метр. Н — всегда выражается в гауссах. Один гаусс соответствует такому полю, которое дает одну силовую линию на кв. сантиметр поверхности.
В практических единицах мы имеем:
где Е — напряжение эл. поля в вольтах на метр. Н — напряжение магн. поля в гауссах.
Благодаря наличию такого простого соотношения мы можем охарактеризовать величину излученного поля любой его составляющей: либо Е, либо Н. Ниже мы дадим зависимость между Е и рабочими условиями антенны.
Прежде всего очевидно, что излученное поле будет тем больше, чем больше сила тока в антенне и ее высота. Это общий закон электричества, по которому производительность тока (в отношении внешнего поля) определяется произведением тока на его длину. Длиной же тока обычно является длина провода, по которому он идет. Здесь, однако, возникает следующий вопрос. Когда мы имеем постоянный ток, т. е. ток, одинаковый по всей длине провода, то произведение, определяющее напряжение магнитного поля, будет равно просто силе тока, измеренной прибором в любом месте цепи, на длину провода. В антенне же, как мы знаем, ток меняется по ее длине. Что же здесь войдет в интересующее нас произведение?
Тут нужно поступить так. Разделить всю длину антенны на маленькие кусочки (чем больше, тем лучше) и, зная распределение тока в ней, вычислить произведение тока в каждом кусочке на его длину, а потом все эти произведения сложить. Этот способ подсчета основан на том, что на маленькой длине провода антенны ток почти не меняется, так что его можно считать одним и тем же. Подтвердим наши рассуждения примером.
Положим, что длина вертикального заземленного провода равна 90 метрам и сила тока в пучности равна 1 амперу; тогда для силы тока в различных местах нашей антенны получится следующая таблица:
| Высота над землей в метрах | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
| Сила тока в амперах | 1,00 | 0,99 | 0,94 | 0,87 | 0,77 | 0,64 | 0,50 | 0,34 | 0,17 | 0,00 |
Мы видим, что на куске между 30 и 40 метрами ток меняется на 0,10 А, т. е. на 10%. На высоте в 31 м он будет равен 0,86 А; таким образом, на длине в 1 м между 30 и 31 м он изменится только на 1%. Поэтому, если разбить антенну на куски хотя бы в ½ м длиной и произвести описанную операцию, приняв за силу тока на кусочке его среднее значение в нем, то результат будет достаточно точный.
Особым математическим приемом, который называется интегрированием, мы получаем сумму этих произведений сразу, без отдельных вычислений; для этого нам достаточно знать лишь высоту антенны и распределение тока вдоль по ней.
Очевидно, что полученная таким образом величина будет меньше, чем произведение из силы тока в пучности на высоту антенны, так как ток в пучности наибольший, а дальше он уменьшается. Однако силу антенного тока всегда измеряют в пучности. Поэтому очень удобно для расчетов заменить нашу антенну некоторой фиктивной антенной, где бы сила тока повсюду была равна току в пучности, а высота h1 была бы меньшая и именно такая, чтобы произведение высоты на ток равнялось тому произведению, которое вычислено для действительной антенны3).
Рис. 1. Геометрическая и действующая высота прямолинейного провода.
Эта высота h1 называется действующей высотой антенны, она-то и входит во все расчеты излученного поля. Для отличия, действительная высота антенны называется геометрической (h геом.). Так как действующая высота зависит от распределения силы тока, то она будет различна для различных антенн. Вот некоторые примерные цифры:
прямолинейный провод: h1 = 0,64 h геом.; то же с удлинительной катушкой: h1 = 0,5 h геом.; Т-образная антенна: h1 = h геом. (См. рис. 1.)
После того как мы выяснили понятие действующей высоты, вернемся к перечислению величин, определяющих излученное поле.
Так как очевидно, что по мере удаления от излучающей антенны волна захватывает все большее и большее пространство, — ее энергия убывает, а вместе с тем убывает и напряжение излученного поля. Таким образом Е будет уменьшаться с расстоянием.
Наконец еще одна величина определяет силу излучения, именно рабочая длина волны. Чем короче волна, тем больше излучение. Это общий закон всех вибраторов: излучение увеличивается вместе с частотой. Для случая антенны, это явление можно несколько уяснить себе следующим рассуждением. Отшнуровывание силовых линий и образование свободной волны идет за счет конечной скорости распространения электромагнитного поля. Можно представлять себе дело таким образом, что поле, образовавшееся около провода, втечение ¼ периода не все успевает вернуться к нему за другую ¼ периода. Часть его (ближайшая) возвращается, другая отрывается и уносится в пространство. Очевидно, что чем скорее будет меняться состояние излучающего провода, тем труднее будет полю успевать вернуться, тем большая часть его будет отрываться; иначе говоря, тем больше будет излучение.
Отсюда ясно, почему для радиотехники нужна высокая частота. Хотя в известной доле излучение свойственно многим системам, даже и при низкой частоте, но что-либо ощутимое, годное технически, мы можем получить только при очень быстрых колебаниях4).
Итак, мы получили представление о работе антенны и излучении. Теперь нужно перейти к промежуточным звеньям, которые подводят энергию к антенне. Мы уже знаем, что воронкой для вливания энергии в антенну является удлинительная катушка. Однако, по разным соображениям, энергия в форме тока высокой частоты подводится к ней часто не прямо, а через ряд контуров (цепей). Кроме того нам нужно будет ознакомиться с генераторами высокой частоты. Во всех этих случаях необходимо знание свойств различного рода контуров, в особенности колебательных. К ним-то мы и перейдем в следующий раз.
1) См. "РВ" № 12.
2) Одно — в электро-статических, другое — в электро-магнитных.
3) Математически это пишется так:
где I — сила тока в пучностн, h1 — высота фиктивной антенны, (ih)k — произведение кусочка высоты антенны на соответствующую силу тока, ∑ — знак суммы.
4) Формула напряжения электрического поля Е в вольтах на метр такова:
где λ — рабочая длина волны в метрах; h1 — действующая высота сети в метрах; d — расстояние данного места от передающей антенны в метрах; I — сила тока в пучности в амперах.
Для примера решим такую задачу. На передающей станции геометрическая высота Т-образной антенны равна 100 м, эффективная сила тока (в пучности) равна 60 А, рабочая длина волны 1 500 м; одределить напряжение электрического поля в 50 км от передатчика. Так как для Т-образной антенны h1 = hгеометр., то мы должны взять h1 = 100 м, d = 50 * 1 000 = 50 000 м.
10-3 обозначает тысячные доли вольта, или милливольты. Мы получили таким образом 30 милливольт, или 30 000 микровольт. На расстоянии в 100 км мы имели бы 15 милливольт. Как увидим дальше, зная Е и высоту приемной антенны, мы можем определить получающееся в ней напряжение. Так, если эта высота будет 10 м, то напряжение на ней для нашего примера будет 30 * 10 = 300 милливольт, или 0,3 вольта.
Найдем теперь напряжение магнитного поля:
или один микрогаусс.
Так как мы взяли эффективное значение силы тока, то для Е и Н мы нашли также эффективные значения. Амплитудное Е будет равно эффективному, умноженному на 1,41.
Обычно все расчеты ведут на электрическое поле, так как его выражение наиболее наглядно.
Следует заметить, что приведенная формула — это формула для поля вибратора Герца, причем среда, в которой распространяются волны, считается идеальным диэлектриком. Для действительных условий распространения волн вдоль земной поверхности нужно ввести некоторые поправки; о них речь будет дальше.