Антенна

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

Отправительные антенны. Процесс излучения отправительной А. (колебательный процесс) не представляет принципиальной разницы с колебательным процессом в вибраторе Герца (смотрите). Вибратор Герца впервые удалось преобразовать в технический излучатель, то есть в отправите л ьную А., расположив вибратор вертикально и заменив одну из его половин заземлением. В настоящее время А. представляет обычно односторонний вибратор, вторая половина которого заменена противовесом (смотрите) или же заземлением (смотрите). Применяются также, хотя и весьма редко, А. в виде двустороннего симметричного вибратора. С электрической точки зрения А. эквивалентна замкнутому колебательному контуру, образованному самоиндукцией A AL_a., емкостью относительно земли Са. и сопротивлением Ва. (фигура 1). Такой контур οποί

собен колебаться с частотой f_a ^ hz~/—— >

^iKl/L_a.C_a.

то есть А. имеет собственную длину волны С_а. (формула Томсона), где λ_α-, L_a. и С_а.—все в см. При вычислении по этой формуле пользуются динамич. значениями L_a-и С_аш, определяемыми следующим образом: 1) динамич. емкость А.— емкость, которая при равномерном распределении вдоль А. £ наибольшего существу-

ющего в ней потенциа-υυυυυυυυυυ _ла восприняла бы тот же заряд, к-рый имеет _1_£- данная А.; 2) динамич. “ самоиндукция А. — самоиндукция, при которой с равномерным распределением вдоль А. 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 2 2

провода Cg_UH ~^стат. “ ^‘дин.⁼~^^стат.

/?«,

-_чДДЛ^ллАА/-

Фигура 1.

Зависимость собственной длины волны А. от ее геометрии, размеров (длины проводов сети А.)выражаетсят. н. волновым к о э ф-фицие нтом, величина которого зависит от типа и конструкции А. Для А., состоящей из одного вертикального заземленного провода, волновой коэфф. к—4, и т. о. собственная длина волны А. равняется ее учетверенной геометрии. длине: Х=к1 =

=41. Наивыгоднейшее внешнее действие А. зависит от ее действующей высоты, зависящей от типа и конструкции А. Площадь, ограниченная осью одностороннего вибратора и кривой тока, имеющей узел у конца вибратора и пучность в середине его, заштрихованная на фигуре 2, носит название площади тока. В этом случае высота lid. прямоугольника, основание которого равно пучности тока /₀, а площадь равна площади тока, и называется действующей высотой А. Для прямолинейной верти-

кальной А. действующая высота ho.—— h;

Фигура 2.

вообще для любого типа A. hd.=*h_t где я—коэффициент формы А.

Конструкции А. отличаются большим разнообразием, но в общем сводятся к следующим основным типам. Вертикальная А.,—состоящая из прямолинейного вертикального провода, подвешенного к одной опорной точке (мачте). Волновой коэфф. к=4. Коэфф. формы А. при

собственной длине волны я——=0,63; тот же коэффициент при включении в провод удлинительной катушки равен «=0,5. Г-образная А. (фигура 3), состоящая из вертикального провода (снижение) и горизонтальной части, подвешенной на двух или более мачтах. Снижение—от од-

ч>

Фигура 4.

Фигура 3.

ного из концов горизонтальной части; к^ ^4,5—5; при широких А. к ^5—7; а ^ 0,8. Т-образная А. (фигура 4), состоящая из горизонтальной части и снижения, взятого от середины горизонтальной части; к^5—6; α ^ 1. Зонтичная А. (фигура 5), состоящая из вертикального провода и наклонных лучей, спускающихся с верхнего его конца под углом (обычно si 60°); к — около 6—10; а — около 0,75. Перечисленные выше типы далеко не и с ч ерпывают всех конструктивных возможностей; существуют также: земные, подземные, подводные, конденсаторные, замкнутые, многократные, волновые и целый ряд направленных, а также суррогатные А., применяемые наравне с приведенными типами как для целей передачи, так и для приема (смотрите ниже—П р и-емные А.). Коротковолновые приемные и отправительные А. устраиваются или направленного типа, или в виде Г- и Т-образной А., или в виде наклонного одиночного провода (смотрите Волны короткие).

Опорными точками для подвеса проводов А. служат специально устанавливаемые мачты

(смотрите Мачты антенные) 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 (при чем последние бывают двух категорий: свободно стоящие и на оттяжках). Высота подвеса современных отправитель-ных А. достигает 250 метров (Сент-Ассизская станция вблизи Парижа) и даже 300 метров (Эйфелева башня).

В Москве на б. Шаболовской радиостанции (Большой Коминтерн) для А. воздвигнута башня оригинальной конструкции по проекту инж. Шухова.

Провода А. изолируются от мачт системой специальных антенных изоляторов, качество которых должен быть тем более совершенно, чем выше прилагаемое к А. напряжение электрического тока. Современные изоляторы мощных радиостанций выдерживают до 120 kV рабочего напряжения при разрывном усилии в 15 тонн В качестве материала для проводов А. применяется т. н. а н т е н-ный 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 (смотрите) сопротивление провода токам высокой частоты обратно пропорционально не площади поперечного сечения, а периметру проводника.

Количество энергии, вмещающееся в А., зависит от ее емкости и приложенного потенциала и выражается (для незатухающих колебаний) формулой W=^-C_aY₀², где

Од. — динамич. емкость А. и V₀ — амплитуда приложенного потенциала. При желании увеличить энергию можно повышать потенциал, но лишь до нек-рого предела, после которого происходит перегрузка А., выражающаяся в стекании электричества с ее концов (явление короны). Поэтому дальнейшее увеличение энергии достигается увеличением емкости А. Современные мощные станции имеют емкость А. до 50 000 см, причем провода такой А. покрывают площадь более 1 км². А. радиостанции Рио-де-Жанейро, имеющая назначение поддерживать связь с Европой, занимает поле дл.

2,5 км и шир. ок. 0,4 км. На фигуре 6 изображена А. мощной радиовещательной станции в Лангенберге (Германия).

Величиной, характеризующей интенсивность излучения отправительных станций, является момент ток а—произведение из силы тока А. (в амперах), взятого в его пучности, на действующую высоту в м. 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 А. Наравне с этим термином также употребительно

Фигура 6. Т-образная антенна мощной радиовещательной станции в Лангенберге (Германия).

выражение «мощность в антенне», которая определяется как Τοβα.> ^гД^е Ра.—^со_противление А.; на больших радиостанциях мощность в А.—порядка сотен kW.

Для определения емкости А. существует ряд методов, из которых наиболее точными являются методы проф. Шулейкина и проф. Хоу. В практике для расчета статич. емкости Г- и Т-образных А. пользуются наиболее употребительными ф-лами—Мейснера и Остина, применяемыми: первая—для А., состоящих из небольшого числа проводов, и вторая — для А. с большим числом параллельных проводов. Формула Мейснера:

(Ь+2 Τι)1 т.

, где С — емкость А., о — ширина

4 π]i

сети, h — высота подвеса над землей и I — длина горизонтальных проводов (все величины выражены в сж). При ^ >· 5 она дает преувеличенное значение емкости, при £ <5 — преуменьшенное. Формула Остина:

С-^0,36^ +0,08|l+0,015-Ij, где s —

площадь горизонтальной проекции сети в см², h — высота подвеса в см, b — ширина сети в сантиметров и С—емкость в см. Емкость вертикальной части А. в один канатик определяется: Сверт.=——, где г — радиус

g в е р ш.

канатика; емкость горизонтальной части А.

у. leap.

в один канатик: Сгор. =--; размеры

21п и емкость — в см, логарифмы натуральные. Отсюда полная С=Сверт.- ~Сгор. Кроме вычислений, существует несколько методов непосредственного измерения емкости А. (смотрите Радиоизмерения).

Самоиндукция (статическая) А. вычисляется точно так же по сложным ф-лам; приближенно можно пользоваться ф-лой для случая одного прямолинейного провода: L=2Zj^ln --1], где L — самоиндук ция, I — длина провода, d — его диаметр (все величины в см). Ее же можно определить, зная Сверт. и Сгор., таким способом: Сверти I² I²

= ~- сантиметров и Leap.—7^— сантиметров и полная L=

Сверт. Сгор.

= Сверт. + Сгор. ·

Собственную длину волны А. на практике рассчитывают, исходя из длины проводов и волнового коэфф-та. Она же измеряется непосредственно волномером (смотрите), для чего в А. тем или иным способом возбуждаются колебания и с ее контуром связывается контур волномера. При настройке волномера в резонанс с колебаниями А. искомая длина волны А. отсчитывается согласно градуировке волномера. Изменение длины волны А. достигается изменением ее самоиндукции или емкости. Увеличение длины волны («удлинение А.») производится включением или добавочной самоиндукции, в виде антенной удлинительной катушки С_г, или антенного вариометра (см.

Вариометр), включаемых последовательно с собственной самоиндукцией С_а, (динамич.), или добавочной емкости С+ приключаемой параллельно к собственной емкости А. С_а_ (динамич.) относительно земли, или же, чаще всего, и тем и другим, способом одновременно (фигура 7). В этом случае длина волны А. определяется суммарным значением емкостей и самоиндукций и равна

Я=2 nV {С_г+С_а_) (СИ- С_а.)· Уменьшение собственной длины волны А. («укорочение А.») достигается последовательным включением антенного конденсатора С_г(фигура 8), благодаря чему суммарная емкость С С

А. уменьшается по фл-е С= ^а· *-·

%. + Ci

Кроме полезной потери энергии на из-

Фигура 7.

лучение,=1 579

р=из,

определяемой по формуле:

Pq, где 1_д — действующая сила тока (в амперах) в пучности А., существует целый ряд вредных потерь в А., величина которых характеризует полезное действие А. (отдачу А.). Вредные потери слагаются из потерь на Фуко токи (смотрите) и Джоуля тепло (смотрите), потерь на утечку вследствие несовершенства изоляции, на диэлек-трич. гистерезис и потерь на явление короны, возникающее при очень высоком потенциале у концов А. Коэфф. полезного дей-

Ствия А. определяется из отношения

Са. где Р_из.—«сопротивление излучения»—величина, характеризующая потерю энергии на излучение, и Р_й.—полное сопротивление А., характеризующее сумму всех вредных потерь и потери на

Фигура 8.

излучение; Р_а> колеблется от 50 Ω (малые) до 0,5 Ω (мощные радиостанции). Коэффициент полезного действия современных А. достигает 40 — 60%.

Предохранение А. 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, А. имеют т. и. грозовой п е р е к л ю ч а т е л ь, б. ч. в форме однополюсного рубильника, выключающий из А. соединенные с ней приборы и непосредственно замыкающий А. на землю.

При помощи особого расположения проводов можно получить излучение или прием энергии преимущественно только в определенных направлениях; такие А. называются направленными А. Однако нек-рым направленным действием обладает вообще всякой А. (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 А. обусловливается особой формой этих А. и электрическ. свойствами поверхностного

Направление наивыгодн. излучения

Направление наивыгодн. приема

Фигура 9.

слоя земли, проводимость которого для получения направленного действия должен быть мала. Поэтому над хорошо проводящей почвой направленное действие таких А. исчезает. Направленное излучение Г-образных А. происходит преимущественно в плоскости А., в направлении, показанном сплошной стрелкой на фигуре 9. Характеристика направляющего действия Г-образной А., получен

ная экспериментальным путем, представлена на фигуре 10, где на векторах, указывающих напра-)⁹«· вление, отложены значения силы тока в приемной А. (направление на передающую А. совпадает с вектором 0°). Земная А.— соединенные в одну систему две Г-образные А., расположенные невысоко (1,5—2 м) над поверхностью земли. Направляющее ее действие выражено еще более ясно, чем для Г-образной А. Применение указанных А. для целей приема обнаруживает аналогичное же направленное действие, причем для Г-образных А. максимум силы принимаемых сигналов будет в случае поступления их с направления, указанного на фигуре 9 пунктирной стрелкой.

Многократная А., употребляемая в мощных передающих станциях, — А.,

Фигура 11. Многократная антенна (станции Ныо-Брунсвик, С.-А. С. Ш.).

соединяющаяся с заземлением через катушки самоиндукции более чем в одной точке, причем катушки эти берутся с таким расчетом, чтобы их общее индуктив. сопротивление было равно тому, к-рое необходимо для получения желаемой длины волны А. Такая

А. представляет собою Г-образную сеть, заземленную в неск. точках через катушки самоиндукции (фигура Ш; при такой А. общее сопротивление ее падает в п раз по сравнению с обыч. Г-образной А. (и—число снижений). Эта А. предложена Александерсоном.

Приемные А. Приемные А. предназначаются для поглощения (улавливания) энергии, излучаемой отправительными А. Приемные А. ныне встречаются двух категорий: резонансные и апериодические (о последних, применяемых только при приеме, подробнее см. Радиоприем). Если на приемную А., представляющую колебательный контур определенной частоты, воздействует какая-либо переменная эдс, то развиваемый ей ток будет иметь максим, значение в том случае, когда частота приходящей эдс будет равна частоте контура, то есть когда приемная А. настроена в резонанс с приходящими колебаниями (смотрите Резонанс). Значение тока в случае резонанса ограничивается величиной сопротивления приемной А., и этой величиной определяется способность А. к избирательности, т. к. приходящие колебания, не находящиеся в резонансе с приемной А., будут возбуждать в ней токи неизмеримо меньшей величины, чем колебания, на частоту которых А. настроена. Сила тока в приемной А., возбужденная приходящими колебаниями, по формуле Остина определяется:

_т _2ГП-hnep.hnp.Id. _Λο,β ^Л

^Jnp-~ Rnp.d.X ^е

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

Повышение геометрия, высоты приемной А., увеличивая ее действующую высоту, увеличивает вместе с тем и способность А. к воспринятью зарядов атмосферного электричества; токи, возникающие в результате разрядов последнего, проходят по А. и создают помеху приему (смотрите Атмосферные помехи). Вследствие этого при выборе геометрия. высоты приемной А. приходится принимать компромиссное решение, и высота подвеса приемных А. в современных станциях не превышает в общем 25—30 м, достигая в отдельных случаях 75 метров Аналогичным образом, в смысле увеличения помехи со стороны атмосферных разрядов, действует и большая емкость А., вследствие чего в конструкциях А. применения большого числа проводов, параллельных земле, избегают. В маломощных станциях нередко отправите л ьная А. вместе с тем служит и приемной А., но для ответственного приема такое объединение функций А. не применяется. В радиолюбительской практике

Т. Э. τη. I.

применяют простейшие из описанных выше типов А. (Г-образиые и Т-образные), причем число проводов А. редко берут больше двух.Расчеты и данные,привед. выше для отправит. А., в равной мере применимы к этим А. при использовании их для радиоприема.

Суррогатные А. в большинстве применяются в радиолюбительской практике в условиях невозможности установки нормальной приемной А. В качестве суррогатной А. может служить любой проводник достаточных размеров, например водосточная труба, домовая крыша, металлич. кровать, даже растущее дерево и прочие К числу суррогатных А. относятся т. н. комнатные и чердачные А., устанавливаемые в соответственных помещениях по типу нормальных А. Кроме того, в качестве А. могут быть использованы провода телефон, иэлектрич. 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 А.— уложенный в земле на глубине 50—80 сантиметров тщательно изолированный горизонтальный провод. Такая А. оказывается в высокой степени свободной от мешающего действия атмосферных разрядов. Часто изоляция подземной А. осуществляется прокладкой ее провода в гончарных или иных трубах.

Рамки и замкнутые А. 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 А. Замкнутая А. 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 (фигура 12) и представляет колебательный контур незначительной емкости, с весьма большой самоиндукцией. По сравнению с открытой А. сила приема на рамку очень мала (на замкнутую А.— больше, чем на рамку), вследствие небольшой величины воспринимаемого ей электромагнитного поля приходящей волны. Действующая высота рамки и замкнутой А.

Фигура 12.

hd.~

2 ns

где λ — длина принимаемой волны и s—действующая площадь рамки, равняющаяся площади одного витка, умноженной на число витков. Т. о. при λ=300 метров и рамке площадью 1,5 м², с девятью витками, действующая высота определится всего в 0,283 метров Естественно, что в условиях приема на рамку требуется особо, чувствительное приемное устройство. Собственная длина волны рамок приближенно определяется по ф-ле: Я=(4,5—5,5)1, где I — полная длина провода. Для намотки рамок применяется обычный антенный канатик или лее особый провод, т. н. л и ц е н д р а т, часто а ц е т а-товый провод, представляющий шнур, состоящий из большого числа отдельных весьма тонких жил, изолированных ацетато-вым лаком. Для наивыгоднейше -го приема рамки и замкнутые А. должны быть р а сположены так, чтобы их пересекало на _{фиг 13}

иболыпее число силовых линий поля приходящей волны. Поэтому рамка и замкнутая А. ставятся в вертикальной плоскости в направлении передающей станции. Станции, расположенные под прямым углом к плоскости рамки, рамкой и замкнутой А. практически приниматься не будут.

Замкнутые А. применяются в настоящее время часто для целей ответственного приема и отличаются по свойствам от рамок значительно большей действующей высотой. Такие А. чаще всего имеют формы, представленные на фигуре 13. Волновой коэффициент одновитковой замкнутой А. равен

Приемник

^асз щи

Н аправление

_ приходящей

~1 волны жшвшгммгж“*

Фигура 14.

приблизительно 2,3 — 2,7. Точный расчет самоиндукции замкнутых А. весьма сложен; в наиболее простом виде, в случае одновитковой А. любой формы, самоиндукция (для высокой частоты) определяется по формуле Баженова: L=2 11 In ^ —a_kj, где

I — периметр замкнутой А., г—радиус провода, а_к — поправочный коэфф., зависящий только от (где s — площадь замкнутой У s

А.); а_к=2,45 для замкнутой А. в форме круга, для к-рого=3,54; а_й=3,33 для

У s

замкнутой А. в форме прямоугольного рав-нокатетпого тр-ка, для которого -^==4,S3,

и т. д. (все величины в см, логарифмы натуральные).

В установках профессионального радиоприема часто встречается волновая А.,

изобретенная Бевереджем (или А. бегущей волны). Это горизонтальная А. (фигура 14), длина которой того лее самого порядка по величине, как длина волн, подлежащих приему от корреспондентов; волновая А. обладает сильно направленным действием.

Лит.: Шулейкип М. В., Распространение электромагнитной энергии, М., 1923; Петровский А. А., Радиосети, Л., 1924; Берг А. И., Общая теория радиотехники, Л., 1925; Скрин-кий Н. А., Радиотехника, Конспект лекций, Л., 1926; Баженов В. И., Расчет замкнутых антенн, «Телеграфия и телефония без проводов», 43, Н.-Новгород, 1927. Н. Пастушенко.