> Техника, страница 88 > Ультракороткие волны

Ультракороткие волны

Ультракороткие волны (УКВ), электромагнитные волны, длина которых короче т. н. короткой (нижней) границы (или «критической волны») диапазона коротких воли (смотрите), то есть волны короче примерно 7,5 м; по международному соглашению (См. Несущая волна) к категории У. в относятся волны с А> 10 m(J <(. <t 30 000 kHz). Диапазон У. в часто подразделяют далее на диапазон метровых волн, дециметровых и т. д.

Распространение У. в Как правило, не соблюдающееся только в совершенно исключительных случаях, У. в не преломляются, в слое Хевисайда-Кенелли и поэтому не дают тех дальностей, к-рыми отличаются волны короткие. Наблюдающееся загибание У. в часто вполне м. б. объяснено диффракцией электромагнитных волн вокруг земного шара или теми же причинами, к-рыми объясняются явления рефракции в метеорологии, оптике (убывание коэф-та преломления с высотой вследствие убывания плотности воздуха, а м. б. и влажности). Теория распространения коротких волн дает для короткой границы А„ соотношение

Ч=Const Ш,

f max

где N—число ионов (собственно электронов) в 1 см³, a h—высота, соответствующая данному N. Т. к. и N и h подвержены различного рода изменениям, то и величина А„ не м. б. какой-то вполне неизменной величиной. Поэтому в случае каких-либо возмущений в слое Хевисайда-Кенелли короткая граница принципиально может сдвигаться в сторону еще более коротких волн, подобно тому как ночью она сдвигается в сторону волн длинных. В этом отношении мы имеем пока лишь крайне скудные опытные данные. Однако нет оснований ожидать сколько-нибудь регулярного прохождения волн короче

7,5 метров Эти последние проходят слой Хевисайда-Кенелли, лишь незначительно поглощаясь и весьма мало отклоняясь от своего пути. Основное отличие излучающих устройств У. в от антенн для длинных волн, присущее, хотя и в меньшей степени, уже и устройствам коротких волн, заключается в подъеме антенных устройств У. в над землей на высоты, соизмеримые с длиной волны, а иногда и значительно превышающие ее. Кроме того предположение относительно преобладания токов проводимости над токами смещения, справедливое при длинных волнах (где обычно е₃ 4(, удовлетворяется в области У. в лишь для случая морской воды и метровых волн и совсем не удовлетворяется как для более коротких волн, так и для распространения У. в на твердой почве. Т. о. для У. в значительной мере типичным является преобладание токов смещения над токами проводимости, то есть неравенство ε₂ (s₂—ди-

электрич.коэф. почвы, σ₂—проводимость почвы, с—скорость света).

Электрич. поле У. в точке приема можно рассматривать как результат сложения полей двух лучей—прямого и отраженного от поверхности земли. Очевидно, что путь отраженного луча (построенного по обычным правилам геометрии. оптики, что справедливо при не слишком малых расстояниях от передатчика и не слишком большой величинеа₂А) длиннее пути прямого луча. Кроме того в зависимости от угла падения луча (определяемого расположением излучающего вибратора и точки приема) и свойств «почвы», от которой происходит отражение, амплитуда и фаза отраженного луча отличаются от амплитуды и фазы для прямого луча и определяются при помощи коэф-тов отражения Френеля, известных из оптики. При наличии проводимости эти коэф-ты комплексны. Теория дает ф-лы, по которым можно произвести вычисление поля излучения У. в различных случаях; это поле, вообще говоря, имеет лучистую картину, детали к-рой, и в частности углы наклона отдельных лучей, определяются расположением излучающего устройства и электрич. постоянными почвы. Электрич. поле вертикального элементарного диполя определяется выражением

Е_г — А j/" 1 + р + 2f cos · sin б) · cos³ θ,

. 1·;0π2 η „.

где А=——. Если величина тока дается в А,

а длина ί в м, то Е получается в У/м. Горизонтальная слагающая электрич. поля горизонтального элементарного диполя равна:

Ε_φ= -Α^ ί 1 + F²+2Fcos(i*- · sin б) · sin φ,

где f и F — коэф-ты отражения Френеля соответственно для перпендикулярного и параллельного земле расположения электрич. вектора (оси диполя), h—высота диполя над землей, Θ—угол падения луча, φ—азимутальный угол, отсчитываемый от оси диполя (при горизонтальном его расположении). Для горизонтального диполя поле горизонтальной слагающей Е максимально в направлении, перпендикулярном к оси диполя. Но горизонтальный диполь дает еще и вертикальную слагающую, поле которой имеет максимум на продолжении оси диполя. Увеличение высоты излучающего устройства над землей увеличивает э’лектрич. поле, т. к. оно вызывает «пригибание» лучей к земле; подъем приемного устройства также усиливает прием, т. к. приводит к «углублению его в луч». На фигуре 1 и 2 даны примеры зависимости Ε_ζ вертикального и Ε_φ горизонтального диполей от У для случая распространения излучения над «чисто диэлектрической почвой» (σ₂=0). На фигуре 1 и 2 кривая 1 рассчитана

90° 8(7° 70° 60° 50° 40° 30°

для 7ι/Α=0,25, кривая 2 для 1ι/λ=0,5, кривая 3 для 7г/А=0,75 и кривая 4 для h/А=1. Опыт в общем хорошо согласуется стеоретич. выводами. Для наиболее распространенного случая связи на У. в., когда расстояние значительно больше высот обоих пунктов над землей, удобно пользоваться упрощенной ф-лой

Е=2А^ У/м,

где h и z—высоты обоих пунктов над землей в м, d—расстояние между ними в м. Это выражение, одинаково пригодное как для вертикальных, так и для горизонтальных диполей, дает удов-

90° 80° 70° 60° 50°

летворительное совпадение с экспериментальными данными и вполне может применяться для ориентировочных расчетов. Для случаев,

когда 1 (например морская вода при А>4м),

ε-2,0

приведенные ф-лы непригодны, и следует поль-зоваться более сложными выражениями, к-рые наряду с диэлектрик, коэф-том учитывают еще проводимость морской воды. Точные ф-лы настолько сложны, что числовой обработки их до сих пор не произведено. Однако, как показывает сравнение с опытом в тех случаях, когда подъем передатчика не очень велик, с вполне достаточным приближением можно пользоваться ф-лами теории Зоммерфельда, выведенными для диполя, расположенного у самой поверхности земли. Что же касается более коротких волн, то для них I становятся меньше, вследствие чего законы передачи над морем приближаются к таковым для суши. Волны порядка Д<1 метров распространяются над морем (на близких расстояниях) в основном почти так же, как над идеальным диэлектриком. Приведенные формулы (и иные, относящиеся к тому же циклу основных посылок) относятся к плоской бесконечной «земле». Изучаемый в настоящее время факт загибания У. в за горизонт (на λ порядка 5 м—до расстояний, превышающих расстояние до горизонта в 3—4 раза; на дециметровых волнах—ок. 2 раз) позволяет на основании сличения опытного материала с соответствующими теоретич. кривыми прийти к выводу, что в ряде случаев закон распространения вполне достаточно объясняется теорией диффракции электромагнитных волн при их распространении вокруг земного шара. Но часто этого недостаточно, тогда повидимому можно объяснить факты загибания за горизонт рефракцией в сравнительно низких слоях атмосферы (смотрите выше). Количественно последний вопрос еще не разобран. Качественно за последнюю гипотезу говорит главк, обр. уменьшение слышимости на нек-ром расстоянии от передатчика (примерно линия горизонта) с последующим подъемом ее при увеличении расстояния. Этот факт, аналогия которого с явлениями при распространении коротких волн бросается в глаза, не м. б. объяснен иначе, как возвращением луча к земле из атмосферы. В настоящее время будущее теории распространения дециметровых волн представляется до известной степени повторением пути,к-рый прошли волны короткие; только вместо слоя Хевисайда-Кенелли здесь появляется слой, почти непосредственно прилегающий к земле; преломление лучей в нем по всей вероятности можно объяснить одним^-градиентом плотности воздуха. Нет оснований думать, что в распространении дециметровых волн играет существенную роль ионизация.

Излучение У. в.В качестве излучающих устройств для метровых волн с успехом применяются различные комбинации настроенных вибраторов, отличающиеся от употребляемых для коротких волн своими электрич. данными и геометрии, размерами. В каждой излучающей системе следует различать «активные» (питаемые) вибраторы и «пассивные» (не питаемые) вибраторы, или «отражатели». У метровых волн вибраторы чаще всего имеют длину, близкую к ~. При передаче дециметровых волн замечается тенденция приближать излучающий вибратор по размерами «идеальному диполю», тогда как отражающие вибраторы часто, наоборот, имеют длину, которая значительно превосходит

Л 1

- или даже

Незначительная длина У. в позволяет с гораздо большим удобством, чем при более длинных волнах, применять различные направляющие («сгущающие поле») устройства, так как основное требование, чтобы хорошая направ ляющая система была по своим размерам значительно больше длины волны, очевидно тем легче выполнить, чем короче волна. На наиболее коротких волнах (порядка 10—20 см) с успехом применяются направляющие параболические зеркала, конструируемые наподобие оптических зеркал или же в виде параболических цилиндров. На более длинных волнах соответствующие зеркала оказываются слишком громоздкими, и там применяются системы дискретных·—активных и пассивных—вибраторов [«бимы»—лучевые антенны (смотрите) наподобие коротковолновых]. Простейшим из таких устройств· является пара из активного и пассивного вибраторов. Последний м. б. расположен или сзади активного вибратора, со стороны,противоположной главному направлению излучения («рефлектор»), или спереди вибратора («директор»). Рефлектор несколько длиннее основного вибратора, директор—несколько короче. Наивыгоднейшее фокусное расстояние параболич.

зеркал F=Практически достаточно удобные зеркала, при растворе 1,5—2 м, увеличивают напряженность электрич. поля на фокальной оси примерно в 3 раза при λ si 50—60 см. Связь вибраторов с приемнопередающей аппаратурой обычно осуществляется при помощи фидерных устройств. Настройка их достигается или путем подбора длины фидера (смотрите) и расстояния между проводниками (или же отношения 0 трубок, составляющих фидер), или при помощи специальных переходных высокочастотных трансформаторов, или же обоими способами сразу. Сопротивление излучения вибратора, определенное экспериментальным путем, оказалось порядка 70 Ω, что дает возможность производить грубую оценку излучаемой мощности по» току в вибраторе. На фигуре 3 дана диаграмма

излучения (в горизонтальной плоскости) излучающего устройства, разработанного во Всесоюзном электротехнич. ин-те (ВЭИ), состоящего из одного питаемого вибратора, одного рефлектора и четырех директоров, отличающихся друг от друга своей настройкой. Основные соотношения размеров этой системы, выраженные в долях λ, показаны на фигуре 4, где Р−рефлектор, В— вибратор, Д—директоры, аб—направление излучения. Получение больших направленностей вдоль земли связано с применением сложных систем с несколькими питаемыми вибраторами, поднятыми для увеличения дальности действия на возможно большую высоту, что в случае метровых волн приводит к довольно громозд-

ким сооружениям. Опыты показали, что зеркала для дециметровых волн не обязательно выполнять в виде сплошных металлич. листов и что хорошие результаты дают зеркала, которые делают собранными из отдельных вибраторов. Применявшийся ранее при работах с дециметровыми волнами способ помещения внутри зеркала вместе с вибратором также генерирующей и приемной ламп сейчас заменяется более удобным способом, при к-ром высокочастотная энергия к вибраторам или от них (к приемникам) канализируется при помощи фидеров. Последние позволяют канализировать без ощутимых потерь энергию на расстоянии до нескольких м. Достаточно строгий теоретич. разбор сложных «сгущающих» устройств по сравнению с аналогичной оптич. задачей осложняется тем фактом, что все элементы этих устройств имеют размеры,

-тja

Й2/Л-

-0,3λ-ί

-0,32λ-

Фигура 4.

соизмеримые с длиной волны, и находятся друг от друга на расстояниях, незначительных по сравнению с длиной волны.

Генерация У.в. К лампам,предназначенным для генерирования метровых волн, приходится предъявлять довольно жесткие требования, которые гл. обр. сводятся к получению большой крутизны характеристики S, необходимой для облегчения условий самовозбуждения, малых внутренних емкостей, коротких вводов достаточного сечения, строгой идентичности (т. к. емкости ламп входят в схему как «емкости контура») и хорошего вакуума. Теория и опыт показывают, что для Я >2 метров времени пролета электронов можно не учитывать; но при более коротких волнах оно уже должно приниматься во внимание. Из длинноволновых ламп достаточно хорошо работают лампы типов: УБ-107, УО-104, УК-30 и некоторые другие. Для генерирования мощностей порядка 10 W пригодны лампы ВЭИ-1 и ГКВ-4 («Электрозавода»), для мощностей порядка 20 W—лампы ГК-5, для 200 — 300 W — ВК-500 и для.2 — 3 kW—Г-120 с водяным охлаж-дением (з-да «Светлана»). Для Ь дециметровых волн применя-

а ются или обычные лампы (Ж-9,

Р-5, Ж-3) или же специаль-"х ные, а также «разрезные» маг-) нетроны (смотрите). Генерирование ___.__ метровых волн легко достига ет I ется теми же методами, что а и для длинных волн,—путем

1 соответствующих изменений

_Г параметров контуров. При таких больших частотах обратная связь осуществляется Фигура 5. обычно при помощи внутри-электродной емкости анод-сетка. Предельная частота, к-рую можно получить с таким способом генерации, определяется тем обстоятельством, что емкость С колебательного контура не м. б. меньше соответствующей емкости лампы, и следовательно увеличение частоты может идти только за счет уменьшения самоиндукции L увеличению частоты кладется также предел либо конструкцией лампы (самоин

Фиг. дукция вводов) либо—обычно еще до достижения определяемого из этих соображений предела—невозможностью удовлетворить условиям» самовозбуждения при малых L и больших С. Увеличение крутизны способно до известной. степени компенсировать это обстоятельство, благодаря чему форсирование накала обычно позволяет укорачивать волну.

На фигуре 5 показана одна из наиболее распространенных схем, представляющая собой модификацию обычной трехточечной схемы (смотрите). Вследствие трудностей точного определения различных величин, фактически входящих в подобные схемы, точность совпадения расчетных и опытных данных обычно не превышает 70—80%. Наибольшая полезная мощность, получаемая при применении ламп типа Г-120 на волне ~5 м, не превышает 3 kW при кпд=60%. При укорочении длины волны мощность падает, и при волнах порядка λ=3,5 метров колебания срываются. Лампы Г-145 с крутизной ок. 2 mA/V позволяют доходить до Λ si,5 м, но е довольно незначительной мощностью.

Все высокочастотные элементы схем обычно· выполняются из жестких проводников с хорошей поверхностной проводимостью (например посеребренных). Связь с антенной осуществляется помощью витков связи, индуктивно - емкостно связанных с генератором и присоединенных к фидеру. Для увеличе-V ния полезной мощности служат сложные комбинированные схемы, состоящие из нескольких одноламповых схем. Все эти схемы в зависимости от их характера делятся на два класса—синфазные и многофазные. Общеизвестные двухтактные схемы (смотрите Пуш-пулл) представляют собой частный случай многофазных схем и отличаются хорошей устойчивостью в работе, которая обусловливается отсутствием токов высокой частоты в подводящих проводах. Однако рациональное построение двухтактных схем с мощными лампами связано со значительными конструктивными трудностями, которые наряду с возникающей необходимостью удвоения эквивалентных сопротивле- ний колебательных контуров понижают кпд. схемы, доводя его примерно до 35%. Поэтому в этих случаях иногда целесообразно применение синфазных генераторных схем^ Основной особенностью синфазной схемы (фигура 6), представляющей собой параллельное соединение двух одноламповых схем (фигура 5), является анодный контур, выполняемый в виде соленоида из двух половин, которые для получения суммарного эффекта в катушке связи навиты в противоположном направлении. Опыты с та-

Фигура 7.

юими схемами показали их хорошее эксплоата-щионное качество и сравнительно высокий кпд «(порядка 60%). На фигуре 7 изображен общий вид синфазного генератора на лампах Г-120,

₍ разработанного ВЭИ. Полезная мощность этой установки равна 4—6 kW при волнах длиной i=4 4-6 ж. Что касается модуляции генераторных схем, то она может осуществляться всеми обычными методами.

Вопрос о стабилизации частоты (смотрите) до недавнего времени не имел особенной остроты, т. к. при малом развитии У. в станций можно было удовлетворяться приемом на суперрегенеративные приемники (смотрите Суперрегенератив-ный прием), обладающие весьма тупой кривой резонанса. В настоящее же время в связи с развитием У. в сети оказался необходимым переход на супергетеродинный прием (смотрите), вследствие чего вопрос о стабильности частоты приобретает особую остроту. Он находит свое наиболее удачное решение в применении в качестве •стабилизатора турмалина, а также систем .с распределенными постоянными (сплошных и .дискретных). Применяемая иногда стабилизация при помощи кварца с последующим умножением частоты (смотрите) требует сложной регулировки многих цепей и не всегда себя оправдывает.

стях на метровых волнах необходимо связано с многокаскадным усилением на высокой частоте, что значительно усложняет установку. Внешнее оформление передающих станций принципиально ничем не отличается от оформления обычных радиоприборов. На фигуре 8 показана схема 15-W радиостанции, дававшей на лампах ГК-5 при опытной эксплуатации в г. Крапивне в 1932 г. с вертикальным вибратором, поднятым на 20 м, хороший прием на суперрегенератор на расстояниях до 25 км (при λ=6 м). Переносные радиостанции (Я=4,5 4-5,5 м, лампы УБ-107) с вибратором, поднятым на 3 м, дают надежную связь на расстояниях порядка 4—5 км. Станция на лампах БК-500, установленная в центре Москвы, с направляющей системой (фигура 4), поднятой на высоту 22 м, давала коммерч. прием на расстоянии 45 км (Я =6 ж). Приемник был снабжен аналогичной направляющей системой, поднятой на высоту 20 м, система связывалась с приемником при помощи фидера из двух параллельных проводов. Передатчик, собранный с лампой ГКВ-4 с горизонтальным вибратором, расположенным на высоте 6 метров над поверхностью моря при приеме на горизонтальный вибратор, поднятый на 2 метров над морем, давал уверенный прием на расстояниях до 45 км при расстоянии до горизонта, равном 18 км.

Генерация дециметровых волн производится способом наложения на сетку срав нительно большого положительного потенциала, причем анод находится при малом (+) или нулевом потенциале (Баркгаузен-Курц, 1919 г.); волна определяется гл. обр. напряжением сетки (смотрите также Объемный заряд), причем для оптимальных настроек Л^гЕ_д=Const. Этот способ, к к-рому следует отнести и способ обычного (то есть не «разрезного») магнетрона, дает наиболее короткие волны (до немногих см), но лишь малую мощность—порядка max. 1,5 W. По другому способу генерация дециметровых волн осуществляется т. н. «разрезным магнетроном» (магнетрон, анодный цилиндр которого разрезан на две равные части с включенным между ними колебательным контуром). Он характерен тем, что волна определяется преимущественно ко- ™ лебательным контуром. Этим ф_Иг. 9. последним способом без труда получаются мощности порядка нескольких десятков W на волнах порядка 50 см, с кпд порядка 204-30%. В настоящее время уже разработаны типы радиопередатчиков с разрезными магнетронами (работы «Soci6t6 Franchise Radio Electrique» за 1933 г.). Для получения необходимого магнитного поля в схемах таких радиопередатчиков применяются как устройства с электромагнитами, так и с соленоидами. Излучающие устройства не представляют собой каких-либо особенностей. Однако в этих схемах даже в первом приближении фидер нельзя рассматривать отдельно от колебательного контура. С зеркалом в виде параболоида вращения (раствором в 3 м) ВЭИ в 1932 г. удалось при А=33 сантиметров осуществить связь на расстоянии 17 км. Во Франции в 1931 году осуществили связь через Ламанш на 30 км на λ— 18 сантиметров при мощности - 0,5 W (в обоих случаях генерация колебаний по методу Баркгаузена-Курца). Иа фигура 9 дана схема передающей станции с двойным рефлектором, где а—параболич. рефлектор,

б—полушаровой рефлектор, в — диполь, е — волномер, ж — питание передатчика. Маркони отмечает связь на расстоянии в 200 км. при поднятии передатчика на высоту в 750 метров и приемника на 340 метров.

Прием У. в Для приема метровых волн применяются суперрегенеративные приемники; на фигуре 10 и 11 показаны общий вид и схема одного из таких приемников .· Наличие у этих приемников характерного шума и их сравнительно малая избирательность заставляют усиленно вести разработки других приемных устройств, гл. обр. супергетеродинных, применение которых даст возможность увеличения числа одновременно работающих У. в станций до предела, определяемого из тех же соображений, что и в остальной радиотехнике. Приемники дециметрового диапазона пока мало разработаны и все работают по существу на принципе суперрегенерации и гл. обр. с генерацией по схеме Баркгаузена. Особенность этого метода приводит к тому, что рабочая настройка

осуществляется несколько необычным способом, а именно регулировкой питания генераторной лампы. Однако высказываются взгляды о возможности построения супергетеродинов и для таких волн. Возможны также (и естественны) приемники с использованием генераторных схем, в которых частота определяется контуром.

Применение У. в Большой интерес, предъявляемый к У. в., основывается гл. обр. на возможностях получения сравнительно больших направленностей при относительно малых геометрии. размерах установок и применением быстродействующей передачи, интерес к которой особенно обострился в связи с развитием телевидения (смотрите). Применение У. в дает удачное решение вопроса о местном радиотелевещании,

связи с движущимися объектами (дирижабли, самолеты, речные и морские суда, поезда, проходящие мимо станций, и др.); конструкции таких радиостанций имеют много общего с неподвижными установками У. в Применение направленного излучения помимо связи дает возможность решать такие сложные задачи, как например «слепая» посадка самолета в тумане (смотрите Радиомаяк), которая в конечном счете производится по показаниям прибора, помещенного в кабине летчика и включенного в цепь приемника. Следует также отметить физиологич. действие У. в В настоящее время имеется ряд указаний на возможность успешного излечения злокачественных опухолей, обезболивания при операциях, усиления роста клеток, уничтожения вредителей с. х-ва и др.

Лит.: Анцелиович Е., Ультракороткие волны, 2 изд., М., 1933; Петров Н., Ультракороткие волны, Л., 1932; Введенский Б. иАренберг А., Распространение ультракоротких волн, Москва, 1934; Введенский Б. и Аренберг А., Обзор работ по генерированию метровых волн, М.—Л., 1933; Связь на ультракоротких и дециметровых волнах, «Труды научно-исследовательских ин-тов связи», М., 1932, вьш. 7 (обширная библиография). А. Аренберг и Б. Введенский.