Антенна

Антенна

АНТЕННА, устройство для излучения или же для улавливания энергии электромагнитных волн. Соответственно назначению различают отправительные и приемные антенны; основное различие в устройстве их заключается в придании отправительной антенне большей емкости, для вмещения больших запасов колебательной энергии, и большей высоты, обеспечивающей наивыгоднейшее внешнее действие.

Отправительные антенны. Процесс излучения отправительной антенны (колебательный процесс) не представляет принципиальной разницы с колебательным процессом в вибраторе Герца. Вибратор Герца впервые удалось преобразовать в технический излучатель, т. е. в отправительную антенну, расположив вибратор вертикально и заменив одну из его половин заземлением. В настоящее время антенна представляет обычно односторонний вибратор, вторая половина которого заменена противовесом или же заземлением.

Применяются также, хотя и весьма редко, антенны в виде двустороннего симметричного вибратора. С электрической точки зрения антенна эквивалентна замкнутому колебательному контуру, образованному самоиндукцией антенны La, емкостью относительно земли Са и сопротивлением Rа (фиг. 1).

Колебательный контур

Такой контур способен колебаться с частотой

Такой контур способен колебаться с частотой

т. е. антенна имеет собственную длину волны

Антенна имеет собственную длину волны

(формула Томсона), где λа, La и Са — все в см. При вычислении по этой формуле пользуются динамическими значениями La и Са, определяемыми следующим образом: 1) динамическая емкость антенны - емкость, которая при равномерном распределении вдоль антенны наибольшего существующего в ней потенциала восприняла бы тот же заряд, который имеет данная антенна; 2) динамическая самоиндукция антенны - самоиндукция, при которой с равномерным распределением вдоль антенны наибольшей существующей в ней силы тока получается тот же магнитный поток, что и в действительности. Статические емкость и самоиндукция соответствуют случаю равномерного (стационарного) распределения напряжения и силы тока; при собственной длине волны для вертикального заземленного провода

antenna 4

Зависимость собственной длины волны антенны от ее геометрии, размеров (длины проводов сети антенны) выражается т. н. волновым коэффициентом, величина которого зависит от типа и конструкции антенны. Для антенны, состоящей из одного вертикального заземленного провода, волновой коэффициент k= 4, и т. о. собственная длина волны антенны равняется ее учетверенной геометрической длине: λ = kl = 4l. Наивыгоднейшее внешнее действие антенны зависит от ее действующей высоты, зависящей от типа и конструкции антенны. Площадь, ограниченная осью одностороннего вибратора и кривой тока, имеющей узел у конца вибратора и пучность в середине его, заштрихованная на фиг. 2, носит название площади тока.

Площадь, ограниченная осью одностороннего вибратора и кривой тока, имеющей узел у конца вибратора и пучность в середине его, носит название площади тока

В этом случае высота hd прямоугольника, основание которого равно пучности тока I0, а площадь равна площади тока, и называется действующей высотой антенны. Для прямолинейной вертикальной антенны действующая высота hd = 2h/π; вообще для любого типа антенн hd = αh, где α - коэффициент формы антенны.

Конструкции антенн отличаются большим разнообразием, но в общем сводятся к следующим основным типам. Вертикальная антенна, - состоящая из прямолинейного вертикального провода, подвешенного к одной опорной точке (мачте). Волновой коэффициент  k = 4. Коэффициент формы антенны при собственной длине волны α = 2/π = 0,63; тот же коэффициент при включении в провод удлинительной катушки равен α = 0,5. Г-образная антенна (фиг. 3), состоящая из вертикального провода (снижение) и горизонтальной части, подвешенной на двух или более мачтах.

Г-образная антенна, состоящая из вертикального провода (снижение) и горизонтальной части, подвешенной на двух или более мачтах

Снижение - от одного из концов горизонтальной части; k≈ 4,5—5; при широких антеннах k ≈ 5—7; α ≈ 0,8. Т-образная антенна (фиг. 4), состоящая из горизонтальной части и снижения, взятого от середины горизонтальной части; k ≈ 5—6; α ≈ 1.

Т-образная антенна, состоящая из горизонтальной части и снижения, взятого от середины горизонтальной части

Зонтичная антенна (фиг. 5), состоящая из вертикального провода и наклонных лучей, спускающихся с верхнего его конца под углом (обычно ~60°); k - около 6—10; α - около 0,75.

Зонтичная антенна

Перечисленные выше типы далеко не исчерпывают всех конструктивных возможностей; существуют также: земные, подземные, подводные, конденсаторные, замкнутые, многократные, волновые и целый ряд направленных, а также суррогатные антенны, применяемые наравне с приведенными типами как для целей передачи, так и для приема (см. ниже - Приемные антенны). Коротковолновые приемные и отправительные антенны устраиваются или направленного типа, или в виде Г- и Т-образной антенны, или в виде наклонного одиночного провода.

Опорными точками для подвеса проводов антенны служат специально устанавливаемые мачты или даже металлические башни решетчатой и иной конструкции. Для передвижных радиостанций употребительны мачты из стальных труб (часто телескопические, выдвижные одна из другой) и деревянные; неподвижные радиостанции имеют или деревянные мачты, или металлические (причем последние бывают двух категорий: свободно стоящие и на оттяжках). Высота подвеса современных отправительных антенн достигает 250 м (Сент-Ассизская станция вблизи Парижа) и даже 300 м (Эйфелева башня). В Москве на б. Шаболовской радиостанции (Большой Коминтерн) для антенны воздвигнута башня оригинальной конструкции по проекту инженера Шухова.

Провода антенн изолируются от мачт системой специальных антенных изоляторов, качество которых д. б. тем более совершенно, чем выше прилагаемое к антенне напряжение электрического тока. Современные изоляторы мощных радиостанций выдерживают до 120 kV рабочего напряжения при разрывном усилии в 15 т. В качестве материала для проводов антенны применяется т. н. антенный канатик, состоящий из свитых вместе нескольких бронзовых проводов. Применение многожильного канатика обусловливается стремлением уменьшить электрическое сопротивление проводов антенны путем увеличения общего периметра, так как вследствие явления скин-эффекта сопротивление провода токам высокой частоты обратно пропорционально не площади поперечного сечения, а периметру проводника.

Количество энергии, вмещающееся в антенну, зависит от ее емкости и приложенного потенциала и выражается (для незатухающих колебаний) формулой W = Ca∙V02/2, где Са - динамическая емкость антенны и V0 - амплитуда приложенного потенциала. При желании увеличить энергию можно повышать потенциал, но лишь до некоторого предела, после которого происходит перегрузка антенны, выражающаяся в стекании электричества с ее концов (явление короны). Поэтому дальнейшее увеличение энергии достигается увеличением емкости антенны. Современные мощные станции имеют емкость антенны до 50000 см, причем провода такой антенны покрывают площадь более 1 км2. Антенна радиостанции Рио-де-Жанейро, имеющая назначение поддерживать связь с Европой, занимает поле длиной 2,5 км и шириной около 0,4 км. На фиг. 6 изображена антенна мощной радиовещательной станции в Лангенберге (Германия).

Антенна мощной радиовещательной станции в Лангенберге (Германия)

Величиной, характеризующей интенсивность излучения отправительных станций, является момент тока - произведение из силы тока антенны (в амперах), взятого в его пучности, на действующую высоту в метрах. Момент тока выражается в метрамперах и для радиостанций, поддерживающих связь трансокеанскую, достигает нескольких сот тысяч метрамперов; антенный ток на таких радиостанциях доходит до 600—1000 ампер. Наравне с этим термином также употребительно выражение «мощность в антенне», которая определяется как Id2∙Ra, где Ra - сопротивление антенны; на больших радиостанциях мощность в антенне - порядка сотен kW.

Для определения емкости антенны существует ряд методов, из которых наиболее точными являются методы профессора Шулейкина и профессора Хоу. В практике для расчета статической емкости Г- и Т-образных антенн пользуются наиболее употребительными формулами - Мейснера и Остина, применяемыми: первая - для антенн, состоящих из небольшого числа проводов, и вторая - для антенн с большим числом параллельных проводов. Формула Мейснера:

Формула Мейснера

где С - емкость антенны, b– ширина сети, h - высота подвеса над землей и I - длина горизонтальных проводов (все величины выражены в см). При l/b > 5 она дает преувеличенное значение емкости, при l/b < 5 - преуменьшенное. Формула Остина:

Формула Остина

где s - площадь горизонтальной проекции сети в см, h - высота подвеса в см, b- ширина сети в см и С - емкость в см. Емкость вертикальной части антенны в один канатик определяется:

Емкость вертикальной части антенны в один канатик определяется

где r – радиус канатика; емкость горизонтальной части антенны в один канатик:

Емкость горизонтальной части антенны в один канатик

размеры и емкость - в см, логарифмы натуральные. Отсюда полная С = Сверт. + Сгор. Кроме вычислений, существует несколько методов непосредственного измерения емкости антенны (см. Радиоизмерения).

Самоиндукция (статическая) антенны вычисляется точно так же по сложным формулам; приближенно можно пользоваться формулой для случая одного прямолинейного провода:

Самоиндукция (статическая) антенны

где L - самоиндукция, I - длина провода, d - его диаметр (все величины в см). Ее же можно определить, зная Сверт. и Сгор., таким способом: Lверт. = l2/Cверт. см  и Lгop. = l2/Cгор. см и полная L = Lверт. + Lгор..

Собственную длину волны антенны на практике рассчитывают, исходя из длины проводов и волнового коэффициента. Она же измеряется непосредственно волномером, для чего в антенне тем или иным способом возбуждаются колебания и с ее контуром связывается контур волномера. При настройке волномера в резонанс с колебаниями антенны искомая длина волны антенны отсчитывается согласно градуировке волномера. Изменение длины волны антенны достигается изменением ее самоиндукции или емкости. Увеличение длины волны («удлинение антенны») производится включением или добавочной самоиндукции, в виде антенной удлинительной катушки L1, или антенного вариометра, включаемых последовательно с собственной самоиндукцией La (динамическая), или добавочной емкости С1, приключаемой параллельно к собственной емкости антенны. Са (динамическая) относительно земли, или же, чаще всего, и тем, и другим, способом одновременно (фиг. 7).

antenna 15

В этом случае длина волны антенны определяется суммарным значением емкостей и самоиндукций и равна

Длина волны антенны определяется суммарным значением емкостей и самоиндукций

Уменьшение собственной длины волны антенны («укорочение антенны») достигается последовательным включением антенного конденсатора С1 (фиг. 8), благодаря чему суммарная емкость антенны уменьшается по формуле

antenna 17

Кроме полезной потери энергии на излучение, определяемой по формуле: Риз. = 1579(hd/λ)2∙Id2, где Id- действующая сила тока (в амперах) в пучности антенны, существует целый ряд вредных потерь в антенне, величина которых характеризует полезное действие антенны (отдачу антенны).

Уменьшение собственной длины волны антенны («укорочение антенны») достигается последовательным включением антенного конденсатора С1

Вредные потери слагаются из потерь на Фуко токи и Джоуля тепло, потерь на утечку вследствие несовершенства изоляции, на диэлектрический гистерезис и потерь на явление короны, возникающее при очень высоком потенциале у концов антенны. Коэффициент полезного действия антенны определяется из отношения η = Rиз/Ra, где R - «сопротивление излучения» - величина, характеризующая потерю энергии на излучение, и Rа — полное сопротивление антенны, характеризующее сумму всех вредных потерь и потери на излучение; Raколеблется от 50 Ом (малые) до 0,5 Ом (мощные радиостанции). Коэффициент полезного действия современных антенн достигает 40—60%.

Предохранение антенн от ударов молнии существенно не отличается от такого же предохранения обычных воздушных токонесущих проводов через предохранительный искровой промежуток, соединенный с заземленным прямым и по возможности коротким проводом. Кроме того, антенны имеют т. н. грозовой переключатель, б. ч. в форме однополюсного рубильника, выключающий из антенны соединенные с ней приборы и непосредственно замыкающий антенну на землю.

При помощи особого расположения проводов можно получить излучение или прием энергии преимущественно только в определенных направлениях; такие антенны называются направленными антеннами. Однако некоторым направленным действием обладает излучение, и вообще всякой антенне (кроме тех, которые симметричны относительно любой вертикальной плоскости, проходящей через главную точку опоры, например - вертикальный провод, зонтичная с большим числом лучей и т. д.). Направленное действие Г-образной и земной антенны обусловливается особой формой этих антенн и электрическими свойствами поверхностного слоя земли, проводимость которого для получения направленного действия д. б. мала. Поэтому над хорошо проводящей почвой направленное действие таких антенн исчезает. Направленное излучение Г-образных антенн происходит преимущественно в плоскости антенны, в направлении, показанном сплошной стрелкой на фиг. 9.

Направленное излучение Г-образных антенн происходит преимущественно в плоскости антенн

Характеристика направляющего действия Г-образной антенны, полученная экспериментальным путем, представлена на фиг. 10, где на векторах, указывающих направление, отложены значения силы тока в приемной антенне (направление на передающую антенну совпадает с вектором 0°).

Характеристика направляющего действия Г-образной антенны

Земная антенна - соединенные в одну систему две Г-образные антенны, расположенные невысоко (1,5—2 м) над поверхностью земли. Направляющее ее действие выражено еще более ясно, чем для Г-образной антенны. Применение указанных антенн для целей приема обнаруживает аналогичное же направленное действие, причем для Г-образных антенн максимум силы принимаемых сигналов будет в случае поступления их с направления, указанного на фиг. 9 пунктирной стрелкой.

Многократная антенна, употребляемая в мощных передающих станциях, - антенна, соединяющаяся с заземлением через катушки самоиндукции более чем в одной точке, причем катушки эти берутся с таким расчетом, чтобы их общее индуктивное сопротивление было равно тому, которое необходимо для получения желаемой длины волны антенны. Такая антенна представляет собою Г-образную сеть, заземленную в нескольких точках через катушки самоиндукции (фиг. 11; при такой антенне общее сопротивление ее падает в n раз по сравнению с обычной Г-образной антенной (n - число снижений). Эта антенна предложена Александерсоном.

Многократная антенна

Приемные антенны. Приемные антенны предназначаются для поглощения (улавливания) энергии, излучаемой отправительными антеннами. Приемные антенны ныне встречаются двух категорий: резонансные и апериодические. Если на приемную антенну, представляющую колебательный контур определенной частоты, воздействует какая-либо переменная ЭДС, то развиваемый ею ток будет иметь максимальное значение в том случае, когда частота приходящей ЭДС будет равна частоте контура, т. е. когда приемная антенна настроена в резонанс с приходящими колебаниями. Значение тока в случае резонанса ограничивается величиной сопротивления приемной антенны, и этой величиной определяется способность антенны к избирательности, т. к. приходящие колебания, не находящиеся в резонансе с приемной антенной, будут возбуждать в ней токи неизмеримо меньшей величины, чем колебания, на частоту которых антенна настроена. Сила тока в приемной антенне, возбужденная приходящими колебаниями, по формуле Остина определяется:

Сила тока в приемной антенне, возбужденная приходящими колебаниями, по формуле Остина определяется

где Iпр. - сила тока в приемной антенне в амперах, hnep. - действующая высота отправительной антенны в км, hnp. - действующая высота приемной антенны в км, Id. - действующая сила тока в отправительной антенне в амперах, d - расстояние между приемной и отправительной станциями в км, λ - длина волны отправительной антенне в км и Rпр. - сопротивление приемного устройства (антенны, приемника и заземления) в омах. Т. о. сила тока в приемной антенне, а, следовательно, и возможность приема, увеличивается с действующей высотой антенны (hпp.) и обратно пропорциональна ее сопротивлению; эти условия и ложатся гл. обр. в основу конструкции приемных антенн.

Повышение геометрической высоты приемной антенны, увеличивая ее действующую высоту, увеличивает вместе с тем и способность антенны к воспринятию зарядов атмосферного электричества; токи, возникающие в результате разрядов последнего, проходят по антенне и создают помеху приему (см. Атмосферные помехи). Вследствие этого при выборе геометрической высоты приемной антенны приходится принимать компромиссное решение, и высота подвеса приемных антенн в современных станциях не превышает в общем 25—30 м, достигая в отдельных случаях 75 м. Аналогичным образом, в смысле увеличения помехи со стороны атмосферных разрядов, действует и большая емкость антенн, вследствие чего в конструкциях антенн применения большого числа проводов, параллельных земле, избегают. В маломощных станциях нередко отправительная антенна вместе с тем служит и приемной антенной, но для ответственного приема такое объединение функций антенн не применяется. В радиолюбительской практике применяют простейшие из описанных выше типов антенн (Г-образные и Т-образные), причем число проводов антенн берут больше двух. Расчеты и данные, приведенные выше для отправительных антенн, в равной мере применимы к этим антеннам при использовании их для радиоприема.

Суррогатные антенны в большинстве применяются в радиолюбительской практике в условиях невозможности установки нормальной приемной антенны. В качестве суррогатной антенны может служить любой проводник достаточных размеров, например, водосточная труба, домовая крыша, металлическая кровать, даже растущее дерево и пр. К числу суррогатных антенн относятся т. н. комнатные и чердачные антенны, устанавливаемые в соответственных помещениях по типу нормальных антенн. Кроме того, в качестве антенны могут быть использованы провода телефонных и электрических сетей. В случае присоединения приемника к токонесущим сетям, включение производится через т. н. разделительный конденсатор, назначение которого - пропустить в приемник токи только высокой частоты и задержать основные токи сети.

Подземная антенна - уложенный в земле на глубине 50—80 см тщательно изолированный горизонтальный провод. Такая антенна оказывается в высокой степени свободной от мешающего действия атмосферных разрядов. Часто изоляция подземной антенны осуществляется прокладкой ее провода в гончарных или иных трубах.

Рамки и замкнутые антенны в значительной степени избавлены от помех со стороны атмосферного электричества, что, наряду с их явно выраженным направленным действием и портативностью (рамки), составляет их преимущество при приеме перед открытыми антеннами. Замкнутая антенна представляет собою контур большой площади с малым числом витков, обычно подвешенный к той или иной наружной сетевой опоре или опорам; рамки - малой площади, большого числа витков, обыкновенно передвижные и поворотные, устанавливаемые внутри зданий. Конструктивно рамка выполняется в виде больших размеров катушки самоиндукции той или иной формы (фиг. 12) и представляет колебательный контур незначительной емкости, с весьма большой самоиндукцией.

Конструктивно рамка выполняется в виде больших размеров катушки самоиндукции той или иной формы

По сравнению с открытой антенной сила приема на рамку очень мала (на замкнутую антенну - больше, чем на рамку), вследствие небольшой величины воспринимаемого ею электромагнитного поля приходящей волны. Действующая высота рамки и замкнутой антенны hd = 2πs/λ, где λ - длина принимаемой волны и s - действующая площадь рамки, равняющаяся площади одного витка, умноженной на число витков. Т. о. при λ = 300 м и рамке площадью 1,5 м2, с девятью витками, действующая высота определится всего в 0,283 м. Естественно, что в условиях приема на рамку требуется особо чувствительное приемное устройство. Собственная длина волны рамок приближенно определяется по формуле: λ = (4,5—5,5)∙l, где l- полная длина провода. Для намотки рамок применяется обычный антенный канатик или же особый провод, т. н. лицендрат, часто ацетатовый провод, представляющий шнур, состоящий из большого числа отдельных весьма тонких жил, изолированных ацетатовым лаком. Для наивыгоднейшего приема рамки и замкнутые антенны должны быть расположены так, чтобы их пересекало наибольшее число силовых линий поля приходящей волны. Поэтому рамка и замкнутая антенна ставятся в вертикальной плоскости в направлении передающей станции. Станции, расположенные под прямым углом к плоскости рамки, рамкой и замкнутой антенной практически приниматься не будут.

Замкнутые антенны применяются в настоящее время часто для целей ответственного приема и отличаются по свойствам от рамок значительно большей действующей высотой. Такие антенны чаще всего имеют формы, представленные на фиг. 13.

Замкнутые антенны

Волновой коэффициент одновитковой замкнутой антенны равен приблизительно 2,3—2,7. Точный расчет самоиндукции замкнутых антенн весьма сложен; в наиболее простом виде, в случае одновитковой антенны любой формы, самоиндукция (для высокой частоты) определяется по формуле Баженова:

В случае одновитковой антенны любой формы, самоиндукция (для высокой частоты) определяется по формуле Баженова

где l- периметр замкнутой антенны, r- радиус провода, аk- поправочный коэффициент, зависящий только от l/√s (где s - площадь замкнутой антенны); аk = 2,45 для замкнутой антенны в форме круга, для которого l/√s= 3,54; аk = 3,33 для замкнутой антенны в форме прямоугольного равнокатетного треугольника, для которого l/√s= 4,83, и т. д.

В установках профессионального радиоприема часто встречается волновая антенна, изобретенная Бевереджем (или антенна бегущей волны).

В установках профессионального радиоприема часто встречается волновая антенна, изобретенная Бевереджем (или антенна бегущей волны)

Это горизонтальная антенна (фиг. 14), длина которой того же самого порядка по величине, как длина волн, подлежащих приему от корреспондентов; волновая антенан обладает сильно направленным действием.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.