Трохи про радіо

Світ пронизаний радіохвилями. Уяві представляється, що в площинах антен, як в реях вітрильних фрегатів, посвистує вітер далеких мандрівок. Слово «антена» в латинській мові – термін ентомологічний. Воно означає вусик або щупальце комахи. Ми простягаємо антени в простір, в «ефір», і виловлюємо потрібні нам передачі, сигнали, музику.

«Людський організм не має ще такого органу чуття, який помічав б електромагнітні хвилі. Якщо винайти такий прилад, який замінив би нам електромагнітне почуття, то його можна було б застосувати і до передачі сигналів на відстань», – так закінчив А. С. Попов одну зі своїх лекцій в 1889 році.

Як відомо, Генріх Герц відкрив електромагнітні хвилі. Мрійники кинулися вперед і оголосили про свої надії здійснити бездротовий зв’язок. Однак Герц порекомендував їм відмовитися від нездійсненних надій. У тому ж 1889 році він писав інженеру Губеру: «Якби Ви були в змозі побудувати увігнуті дзеркала розміром з материк, то могли б відмінно поставити досліди, які маєте на увазі. Але зі звичайними дзеркалами практично зробити нічого не можна, і Ви не зможете знайти ні найменшої дії. Так, принаймні, я думаю».
Через 6 років Попов зробив першу у світі антену. Це був невеликий провідничок.

Перше радіо.

«СЕКРЕТ» АНТЕН

Пам’ятаєте у В. Маяковського в «Розповідь Павла Катушкіна про придбання однієї валізи»:

«Лезу на крышу.
Сапоги разул. Поставил на крыше
два шеста, Протянул антенну,
отвел грозу, Словом —
механика,
и никакого волшебства».

У вірші йдеться про приймальну антени, але ми почнемо з передавальної. Чому вона випромінює? Котушка з провідником і конденсатор – це коливальний контур. Якщо спочатку зарядити конденсатор, то він буде потім розряджатися на котушку. При цьому навколо провідника з’явиться магнітне поле, і за рахунок його енергії конденсатор перезарядиться. Це знову викличе розрядний струм через котушку, але вже зворотного напрямку. Поперемінна зарядка конденсатора і його розряд на котушку триватимуть до тих пір, поки запасена в конденсаторі енергія не витратиться на нагрівання контуру. Затухаючі електричні коливання – так називається фізичне явище в коливальному контурі.

Замкнутий електричний контур дуже погано випромінює електромагнітні коливання, так як витки проводу на котушці розташовані поруч. Струм йде туди і назад, отже, наведене магнітне поле тут же знищується. Але давайте розімкніть контур. Цим ми відразу перетворимо його в… антену. Всякий провід володіє власною електричною ємністю і індуктивністю, тому він і служить своєрідним контуром, в ньому можна отримати електричні коливання. Такий провід зазвичай називають вібратором або диполем. Якщо одну обкладку конденсатора високо підняти над землею, а другу заземлити, наша антена буде чудово працювати. Земля в даному випадку – одна з обкладинок електричної ємності – нашого конденсатора. Отже, антена передавача перетворює енергію струмів високої частоти в енергію радіохвиль. А що відбувається у приймальні антени?

… До точки простору, де стоїть приймальня антена, докочується електромагнітна хвиля. Приймальний провід в ту ж мить «огортається» змінним магнітним полем. А таке поле, як відомо, наводить в проводі електрорушійну силу, отже, і струм. Нікчемні електричні коливання в антені посилюються приймачем, і ось вже гримить музика або доноситься мова.

ДИВНА АРХІТЕКТУРА І НЕЗВИЧАЙНА ОПТИКА

На зорі розвитку масового радіо, у двадцятих-тридцятих роках минулого століття, радіоаматори використовували в якості прийомних антен предмети, досить далекі від радіо: залізний дах, водостічну трубу, балкон, ліжко, навіть самовар. І все це, загалом, годиться. Ну, а сучасна передавальна довгохвильова антена являє собою вже значну інженерну споруду – величезні щогли, що йдуть високо в небо.

Форми передавальних і приймальних антен вигадливі і різноманітні: тут і зонтичні, як їх називають, «волоті», і Г-, Т-, П-, Н-подібні. Пів алфавіту пішло на форми антен. Зазвичай прагнуть підняти антену вище: чим більше різниця висот, тим більше і різниця потенціалів, більша напруга. А. С. Попов це врахував: коли під’єднували першу в світі антену, його асистент Рибкін хотів лізти на дерево, а Попов запропонував прив’язати дріт до дитячих повітряних куль…

Архітектура антен тому така химерна, що електромагнітні хвилі завжди бувають поляризованими, тобто йдуть в одній якій-небудь площині, наприклад, тільки вертикальній. І якщо ваша антена складається з горизонтальних дротів, ви таку хвилю ні за що не зловите. Ось і надають антенам всілякі комбіновані форми: треба, щоб вона, націлена в простір, могла прийняти будь-яку хвилю.

Втім, не треба думати, ніби без багатомірної вежі не можна зробити хорошу антену. Що ви скажете, побачивши тонку котушку – паличку з феромагнітним сердечником всередині? Вся «споруда» уміщається на долоні. Але це – чудова антена: в котушці з сердечником дуже великий магнітний потік, що виникає під дією радіохвилі.

Подібними антенами оснащують кишенькові радіоприймачі. Єдина умова гарного прийому – правильне положення антени в просторі. Що ж, малесенький приймач зовсім неважко повернути до появи ясного, хорошого звуку.

Антени є не тільки в техніці, але і в біології. Відкрито, наприклад, що радіохвилі випромінюються м’язами людського тіла. Частота випромінювання становить близько 150 тисяч герц. Можливо випромінювання і на більш високих частотах. Мабуть, воно відбувається тільки в моменти, коли м’яз працює, тобто напружений. Наприклад, м’язи грудної клітки випромінюють радіохвилі при вдиху. Випромінювання дрібних м’язів тіла сильніше, ніж великих. Надзвичайно сильно випромінюють м’язи мізинців. М’язи голови не дають випромінювання. Розкрити таємницю антен-м’язів – захоплююча справа!

Загалом, слово «архітектура», хоч воно і дивно звучить в застосуванні до антен, нічого загадкового не представляє. Але, виявляється, не дивує фахівців і словосполучення «оптика антен», якщо тільки мова йде про ультракороткі хвилі – коротше 10 метрів. Область УКВ, як їх скорочено називають, сьогодні надзвичайно важлива в техніці: адже це і телебачення і радіолокація.

Як відомо, УКВ поширюються тільки по прямій і можуть прийматися лише в межах видимості передавача. Значить, для збільшення дальності прийому потрібно будувати більш високі вежі телевізійних антен.

А щоб передати телевізійну програму на тисячі кілометрів, потрібні ретрансляційні станції. Однак і це не найкраще рішення питання. Інша справа антена – штучний супутник, нерухомо «підвішений» на висоті 40 тисяч кілометрів. Супутник-антена має ретрансляційну станцію. Станція може обслуговувати телепередачами відразу третину земної поверхні, приймаючи і передаючи назад сотні програм телестудій.

Для передачі хвиль довжиною менше 10 сантиметрів потрібні вже хвилеводи – металеві труби. Хвилі по черзі відбиваються від стінок і просуваються вздовж труби.

Найпростішою антеною сантиметрових хвиль може служити відкритий кінець хвилеводу. Електромагнітні хвилі, дійшовши до відкритого кінця, створюють в навколишньому просторі електромагнітне поле. Воно захоплює все нові і нові області простору і, таким чином, віддаляється зі швидкістю світла від джерела випромінювання. Воістину «чарівними дзеркалами» можна назвати дзеркальні антени ультракоротких хвиль. Зазвичай такий «радіопрожектор» складається з параболічного відбивача, у фокусі якого встановлений випромінювач.

Якщо УКВ можна фокусувати дзеркалами, значить, можна збирати і лінзами? Ось вона, оптика! Антени-лінзи вже є. Для створення вузького паралельного пучка променів лінза повинна мати розміри, порівнянні з довжиною хвилі. Виготовляють лінзи не зі скла, а з якого-небудь діелектрика або навіть пластинок металу, що мають певну форму. Хвилі, переходячи з одного середовища в інше, заломлюються, як світло. У фокусі такої лінзи поміщається випромінювач. Лінза з металевих пластин має менше втрат, ніж з діелектрика. Відстань між пластинами теж повинна бути порівняною з довжиною хвилі.

Для прийому телевізійних програм близько від передавача радіоаматори використовують рідинні антени. Лампочка розжарювання, у якої попередньо обривають волосок, наповнюється дистильованою водою. Або в трубки ламп денного світла вводять штирі, а трубки наповнюють водою або гліцерином. Рідини добре «концентрують» радіохвилі.

До речі, багато конструкцій антен цього діапазону мають їстівні назви: «лимонні дольки», «сир» і т. д.

Ми поки говорили про антени нерухомих або малорухомих (кишенькових приймачів). Ну, а якщо антена разом з передавачем або приймачем швидко рухається – що тоді?

Але про це читайте вже в нашій наступній статті.

Автор: Ю. Калінін.