Мини-лекции. Антенны. Первое знакомство

   Так уж получилось, что из-за хронической бедности я увлёкся радиотехникой и не просто так, а через радиолюбительство! Хотя до последнего времени увлечением была(и мечтой) авиация. На уровне моделирования, конечно. Всё это оказалось в нужное время в книге «В помощь юному технику» Детгиз 1952. В самом начале летающие модели, потом плавающие и в самом конце ПРОСТЕЙШИЕ КОНСТРУКЦИИ ПО РАДИО! Это уже были пятидесятые... Не смотря на мои усилия мой детекторный аппарат так и не заработал! Не было головных телефонов (наушников), детектора. Но начало всё-таки было положено... Откройте книги для начинающих не только тех доисторических, но и даже девяностых (Борисов В.Г. и Ю.М. Отряшенков., «Юный радиолюбитель».) и почти в каждой обнаружите вот такую картинку рис.1! Может не совсем один в один, но всё же? Это, немного подредоктированная из той же книги «Юный радиолюбитель» за 1992 г. Эта книга долгожитель... Ведь первое издание было ещё в 1951 г.! С чего же начинается Родина?! А вот радиолюбительство того времени начиналось именно с детекторного приёмника. А для его работы была необходима именно такая большая антенна и хорошее заземление. И всё потому, что работал он чисто от сигнала радиостанции. Вдобавок не требовал никакого питания. И последующие, более сложные конструкции тоже хотели именно таких антенн... Что говорили авторы книг?.. Правильно! Высоту подвеса 10-15 метров и длину 20-40 метров. И вообще чем длиннее, тем лучше! А, от чего же отталкивались авторы втирая нам всё это? Разберёмся...

   Отрезок прямого провода (стержня) называется вибратор. Нет, это не игрушка для взрослых, тем более, что он вообще не вибрирует... Иногда его ещё называют диполь, от греческого di «два» + polos «полюс». А причём здесь та антенна, как бы из деревни? Так она же и есть тот же вибратор... На рис.1а Вы видите джентльменский набор формул. Для тех, кто всё это видит впервые, намекаю! Первая, (слева-направо), резонансная частота колебательного контура. Вторая, длина волны (ламбда, лямбда) в соответствие с резонансной частотой f0. Третья, добротность Q качественная характеристика колебательного контура. Чем она больше, тем качественнее контур. И последнее, все эти величины напрямую зависят от L и C.

   Догадываюсь, что Вы задаётесь вопросом о том какая связь между контуром и этой антенной? Самая непосредственная! Антенна и есть контур! Его ещё иногда называют ОТКРЫТЫМ. Колебательный контур это катушка индуктивности и плюс конденсатор. Антенна эта та же катушка, только вот какая-то зараза растянула её так, что превратила в обычный провод! Провод это проводник тока и земля худо-бедно, как оказалось, тоже. А это и есть КОНДЕНСАТОР! Кстати контура могут быть как параллельные рис.4, так и последовательные рис.3.

   Так почему же антенна должна быть длинной и подвешена высоко?! Подвешена высоко здесь всё понятно. Нет, не для того чтобы как в сети поймать больше рыбы, а чтобы она (антенна) отдавала как можно больше энергии. Ведь для детекторного приёмника это вопрос жизни и смерти! Догадываетесь, к чему это я? Правильно! Длина антенны должна соответствовать длине волны, для которой самое благоприятное условие. Вам же хорошо когда размер, скажем обуви соответствует вашему?! Вот и с антенной тоже самое. И для того, чтобы антенна-вибратор хорошо завибрировала она должна как минимум иметь длину в полволны! То есть полуволновой вибратор! Более подробно о нём будем говорить в следующей мини-лекции, а пока?..

   Вернёмся в далёкие пятидесятые... Самые ходовые, народные радиоприёмники были: «Москвич», «АРЗ», и ближе к шестидесятым «Стрела», «Волна». На, что они были рассчитаны? На приём Длинных и Средних волн. А это два диапазона: Средние, от 200 метров до 550 и Длинные от 750 метров до 2000! Да, знатоки начнут уточнять... Да, на самом деле существовали более точные цифорки, но на шкалах в большинстве случаев показывали кругленькие цифры, ближайшие к граничным. В смысле пользователи в основном слушали, а не вылавливали точные значения длин волн. Вот реальные границы диапазонов: Длинные от 723 метра до 2000. Средние, от 187 метра до 577! А, что же между ними, между длинными и средними? Правильно, промежуточные (служебные). Про все, все я не знаю, но в прошлые времена их использовали для передачи сигналов SOS морскими судами наверное?!

   Так о чём это я? А о том, что детекторные приёмники должны были охватывать все частоты (длины волн) от и до. Поэтому существовала настройка на нужные частоты. Вот только незадача, антенна случайной длины и высоты подвеса. А, ёмкость конденсатора и индуктивность антенны входили в состав самого приёмника и между прочим соответственно влияли на его параметры. В том числе и на избирательность как следствие влияния величины добротности контура + антенны. Посмотрите на формулу рис.1а (пурпурного цвета). Добротность Q в свою очередь зависит от r - сопротивления потерь и главное, соотношения индуктивности и ёмкости контура + антенна. На рис. 13 Вы видите зависимость полосы пропускания контура + антенна при двух добротностях Q = 50 и Q = 100. Рассматривайте каждый вариант в отдельности. Для Q = 50 полоса частот красная, а для 100, зелёная. Прочувствуйте разницу?!

   Вернёмся к длине антенны и почему авторы книг настойчиво советуют делать антенны как можно длиннее? Антенна как вибратор должна быть как минимум равна длиной в полволны. Из всех диапазонов самая короткая волна 187 метров. А, полволны стало быть 93,5 м. Для самой длинной (2000 м.) полволны,- 1000 м.! Как же быть? А, никак! Делайте как можно длиннее. Классическая схема контура на рис.4. Просто для перестройки ставят переменный конденсатор. Вот только стандартными перестроиться с 187 метров на 2000 одним махом не получалось и приходилось делать разбивку на поддиапазоны. На рис.11 мой первый детекторный. Собранный ещё в далёком, 1956 году.

   Настройка осуществлялась ползунком, изменением индуктивности. Так ещё при катушке с расчётом на длинные волны, я мог слушать и средние и короткие волны. Но есть одно но?! Это уменьшение индуктивности при неизменной ёмкости антенна-земля! С увеличением частоты (уменьшения длины волны) добротность уменьшается и стало быть уменьшается избирательность. На рис. 12 показаны разные варианты самодельных контуров в отличие от традиционных... Индуктивность меняется с помощью двух катушек, когда два магнитных потока либо складываются либо наоборот вычитаются. Такое устройство называется ВАРИОМЕТР от латинского variare «изменяться» и плюс с греческого metron «мерка». И напоследок о промышленном детекторном приёмнике «Комсомолец». Сразу бросается в глаза три катушки индуктивности, куча гнёзд для подключения антенн, две пары гнёзд для детектора (Д). Перестройка приёмника на разные частоты (волны) производится с помощью сердечника из АЛЬСИФЕРА, сплава мелкого порошка железа, кремния и алюминия. Думаю, что всё это придумано для дешевизны, доступности населению страны. Так-как качество антенн и заземления могут быть случайными, то и сделаны были многочисленные варианты коммутации контуров самого приёмника.

   На рис.7 Вы видите радиолюбительскую антенну на 80 метровый диапазон. И длина в полволны так ещё 40,71 метра. Антенна почти такая же как и наша Г-образная. Почему такая точность должна быть выдержана в изготовлении? Потому-как антенна (полуволновой вибратор) есть резонансная система (вибратор), практически открытый контур. А длина l-40,71 и есть резонансная длина и стало быть отдача антенны как на передачу, так и на приём максимальная. Антенна для нашего же детекторного увы и ах! Не далека, а очень далека от идеала! Нам ничего не остаётся как принимать всё это как есть?!

   До сих пор мы с Вами говорили только о проблемах с настройками на работающую станцию и уровне сигнала. Но ни слова о том, что разные станции могут находиться на разных не только расстояниях от нас, но и сигнал может прийти с разных направлений! И, что с того? А с того то, что любая антенна обладает далеко немаловажным параметром! Каким? ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ. Или сокращённо ДН. Наиболее наглядно и для понимания этого, ДН показана в полярных координатах (системе). Для двоечников на рис.9а пояснение. Две координаты: угол от 0 до 360° и длина радиуса окружности. Как строится ДН на плоскости (земли). Намечается центр в котором и располагается наша антенна. На одинаковом расстоянии от центра ходит по окружности с антенной-центром будущей ДН, хонурик. Если антенна излучает сама то у хонурика в руках измерительный приёмник. Если же приёмная антенна, то передатчик. Одним словом измеряется уровень сигнала. Совершается один круг и при разных углах относительно начала отсчёта делаются замеры. И далее строится диаграмма. Вообще-то на практике диаграмма делается нормированной. Берётся самый большой показатель и его принимают за единицу. Все остальные замеры естественно меньше единицы при отношении к максимальному.

   Затем все замеры соединяют линией и получается ДН! Вот на рис.9b ДН ненаправленной антенны. Почти идеальная окружность. На рис.9с наоборот чётко просматривается максимум в направлении под углом в 90°. На рис.10 ДН более сложной антенны и ДН имеет не один максимум, а целых 8! Плюс столько же минимумов, доходивших до нуля! Самый большой максимум называется основной лепесток. Красные, боковые, а синий, задний лепесток. На главном лепестке проведены метки 0,5 и 0,7. На плоскости ДН это окружности-уровни сигнала в 0,5 и 0,7 от максимума главного лепестка. Такие ДН довольно часто встречаются в литературе они конечно наглядны. Но для расчётов не очень удобны. Вот поэтому всю эту каракатицу изображают уже в декартовой системе координат рис.8. В верху рисунка ДН в полярной системе координат, внизу в декартовой.

   Но, кроме ДН в горизонтальной плоскости существуют ещё в вертикальной и в пространственной, сферической. На рис.6 сферическая диаграмма антенны излучателя в виде точки. На поверхности сферы уровень сигнала везде одинаковый! С вертикальными диаграммами и не только, мы познакомимся в следующей мини-лекции.