Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_433
.pdf
индуктивности или последовательные конденсаторы должны располагаться достаточно близко друг к другу
(ни в коем случае не на расстоянии, превышающем длину волны), чтобы обеспечить эффект распределенной
параллельной индуктивности 175Xia или последовательной емкости для принимаемой частоты. Выбирая
соответствующие значения индуктивностей и конденсаторов, можно добиться того, чтобы скорость
распространения волн в линии для непрерывных волн любой заданной частоты была равна или превышала
скорость света.
Для непрерывных синусоидальных волн кажущаяся скорость распространения будет больше скорости света
для частот ниже той, для которой настроена линия, и будет меньше скорости света для сигналов с частотой
выше той, для которой она настроена.
Альтернативный метод коррекции скорости распространения волн на длинной антенне заключается во
введении через соответствующие интервалы звеньев искусственной линии, которые будут действовать таким
образом, чтобы задерживать или опережать фазу волны. Таким образом, введение соединения, состоящего
из последовательно соединенных конденсаторов и параллельно соединенных индуктивностей, приведет к
сдвигу фазы или увеличению средней скорости распространения волны для антенны в целом, в то время как
введение соединений, состоящих из последовательно соединенных индуктивностей 9 и параллельно
соединенных конденсаторов 10, как показано на рис. 11, приведет к задержке или замедлению средней
скорости распространения волны в антенне. Для непрерывных волн введение задержечного канала длиной
чуть меньше одной длины волны приведет к задержке фазы волны менее чем на один цикл, что эквивалентно
опережению фазы или увеличению скорости волны, тогда как для одиночных импульсов или сильно
затухающих волн эффект будет заключаться в разбиении возникающего возмущения на антенне на несколько
относительно слабых импульсов.
Искусственные линии или перемычки описанного выше типа могут быть введены без серьезных потерь на
отражение в антенне, либо путем создания одинаковых перемычек и их достаточно близкого расположения
друг к другу (при условии, что сами перемычки короткие), либо путем проектирования искусственных линий
таким образом, чтобы их импульсное сопротивление было равно импульсному сопротивлению ненастроенной
антенны.
Описанные выше методы регулировки скорости позволяют получать разные значения скорости для разных
частот. Это позволяет обеспечить избирательность по частоте, в дополнение к избирательности,
обеспечиваемой направленными свойствами антенны. Например, если обратиться к кривым на рис.
3
Станция-передающая сторона, создающая помехи, может располагаться на прямой линии с передающей
станцией, сигналы которой она должна принимать. Если длина волны сигнала, передаваемого с этой
мешающей станции, отличается от длины волны желаемых сигналов, для которых настроена антенна 65, то
скорость распространения его волн на антенне может отличаться от их скорости в пространстве на такую
величину, что узел, как показано в точках E или G кривой C на рис. 3, будет находиться в точке, где
расположен приемный аппарат.
В таком случае, станция, создающая помехи, практически не будет оказывать никакого воздействия на
принимающее оборудование. 75 При других условиях, предположим, что в антенне протекают два тока от
двух станций, расположенных на одной линии и представленных кривыми C и H на рис. 3. Прием сигнала от
станции 80, представленной кривым H, может быть осуществлен путем размещения приемного устройства в
точке I, где этот ток велик, а ток кривой C минимален.
Если собственная емкость и индуктивность 85 антенны имеют значения, в основном необходимые для
обеспечения скорости распространения волны в антенне, равной скорости света, такая антенна будет иметь
одинаковую скорость распространения волны для всех частот и, обладая желаемыми направленными
свойствами, не будет избирательной по частоте. В этих условиях может быть целесообразно ввести
последовательно индуктивности 7 (рис. 4), которые сами по себе снижают скорость распространения волны
на антенне, и нейтрализовать эффект этих индуктивностей на определенной частоте путем введения
последовательно включенных конденсаторов 8. 100 В некоторых случаях для дальнейшего повышения
частотной избирательности линии может быть целесообразно использовать дополнительную шунтирующую
емкость 11 в качестве средства замедления скорости волны и нейтрализации этого 105 с помощью
шунтирующих индуктивностей 12, как показано на рис. 5. В этом случае антенна будет действовать
исключительно как линия передачи на желаемой частоте, тогда как для всех частот ниже этой частоты линия
становится аналогичной высокочастотному фильтру или сосредоточенной искусственной линии, состоящей из
последовательных конденсаторов и параллельных индуктивностей, а для всех частот выше сигнальной
частоты линия становится аналогичной по своему действию низкочастотному фильтру или сосредоточенной
искусственной линии, состоящей из последовательных индуктивностей и параллельных конденсаторов.
Фильтрующее действие настроенной антенны позволяет устранить 120 нежелательных сигналов или помех,
имеющих длину волны, отличающуюся от длины волны желаемого сигнала. Эта особенность контролируется
путем правильного подбора и размещения индуктивностей и конденсаторов, 125 в соответствии с хорошо
известными принципами175,31 5. Аналогичный эффект может быть достигнут за счет использования фильтра
на приемной станции.
Еще одним интересным свойством антенн этого типа является их способность подавлять паразитные
сигналы. Рассмотрим антенну такого типа, которая обычно была медленной, например, проволока в
резиновой оболочке или железная проволока, но которая ускоряется за счет последовательного включения
конденсаторов для достижения определенной частоты.
При статических импульсах с крутым волновым фронтом последовательные конденсаторы будут действовать
практически как конденсаторы с нулевым импедансом, и статический шум будет распространяться вдоль
линии с обычной низкой скоростью. Аналогично, если для ускорения использовались бы параллельные
индуктивности, они действовали бы как бесконечное сопротивление для статических импульсов, и
статическая волна распространялась бы с низкой нормальной скоростью линии. Это означает, что
статический ток в антенне будет попеременно нарастать, а затем спадать из-за интерференции со
статической волной в эфире, и если в статическом токе окажется определенная особенно эффективная
частота, которая создает проблемы при возбуждении схемы настройки приемника, то можно разместить
приемное устройство в узле помех для статического тока. Сигнал, представляющий собой непрерывную
волну, будет постепенно нарастать, достигая большого значения в точке, выбранной для приемного
устройства.
Для достижения хороших результатов нет необходимости располагать антенну описанного нами типа
параллельно направлению распространения принимаемых волн, хотя обычно приблизительное
параллельное расположение может быть желательным. Если направление распространения волн в
пространстве образует угол 0 с антенной, то точка пересечения волнового фронта с антенной (т.е. точка
максимального мгновенного индуцированного потенциала на антенне) будет перемещаться вдоль антенны C.
со скоростью c, где C — скорость света, и для того, чтобы такая волна создавала максимальный эффект в
приемном устройстве, скорость распространения на антенне должна быть 250 -c. Таким образом, создавая
эффективную скорость волны c0s 0, несколько превышающую скорость света, можно добиться максимальной
чувствительности антенны к волнам, приходящим под углом.
Поскольку форма кривой распределения тока C или H (рис. 3) зависит от разницы между скоростью волн на
антенне и скоростью (00), с которой эфирное возмущение распространяется вдоль антенны, то есть cos 0'
существуют определенные значения угла, при которых для любой данной антенны ток на приемном конце
будет равен нулю. Эти «мертвые точки» или направления, из которых сигнал не слышен, зависят от длины
волны, длины антенны и скорости распространения волн в антенне. Это позволяет устранить помехи от
передающей станции либо путем регулировки длины антенны, либо путем регулирования ее постоянных
параметров и, следовательно, скорости распространения волн таким образом, чтобы сигналы данной длины
волны и направления были неслышимы.
75.
В некоторых ситуациях может быть желательно разместить приемную станцию на некотором расстоянии от
линии длинной антенны.
Электрические волны, создаваемые на антенне, могут передаваться на приемную станцию по любой
подходящей передающей цепи, но для того, чтобы эта передающая цепь не являлась частью антенны,
желательно использовать симметричную двухпроводную цепь, в которой проводники 13 транспонируются
через подходящие интервалы, как показано на рис. 12.
Если один проводник подключен к антенне, а другой напрямую заземлен, такая цепь не будет сбалансирована
и будет действовать как часть антенны.
Балансировку линии можно обеспечить путем установки в заземляющее соединение резистора, равного
импульсному сопротивлению антенны.
Такое сопротивление обозначено цифрой 5 на рис. 12. Другой способ обеспечения симметричной линии
заключается в использовании трансформатора 14 между антенной и линией передачи, как показано на рис.
13.
Затем линию передачи можно использовать в качестве отдельной или вспомогательной антенны, подключив
ее к нейтральной точке обмотки трансформатора 15 на приемной станции. При желании аналогичное
соединение можно установить и на другом конце. 105 Трансформатор 14 в точке соединения может
выполнять полезную функцию выравнивания эффективных импульсных импедансов антенны и линии
передачи, при этом повышающий или понижающий трансформатор 110 может использоваться, если эти
импедансы достаточно сильно различаются, чтобы вызвать существенное отражение.
Регулировка скорости распространения волн на антенне может быть произведена таким образом, чтобы
обеспечить не только желаемую скорость для одной частоты, но и одновременно желаемую скорость для
второй частоты.
Например, предположим, что антенна направлена непосредственно на одну передающую станцию, сигналы
которой необходимо принимать, и что вторая передающая станция с большей длиной волны расположена под
углом θ к направлению приемной антенны. Для сигналов с первой станции скорость распространения волны
на антенне должна быть равна скорости света, а для сигналов со второй станции — скорости, равной 0, где C
обозначает скорость света, равную cos 0. Если используется антенна, собственные постоянные которой
обеспечивают скорость распространения волны C, то для первой станции корректировка не потребуется, но
скорость распространения волны будет слишком низкой для наилучшего приема сигналов от второй станции.
Если теперь ввести последовательные индуктивности, а их реактивное сопротивление нейтрализовать с
помощью последовательных конденсаторов для частоты сигналов от первой станции, то скорость
распространения волн для этих сигналов останется неизменной, но скорость увеличится для более длинных
волн от второй станции.
Чем больше значения индуктивности и емкости, тем выше будет скорость распространения более длинных
волн.
Таким образом, значения индуктивности и емкости можно выбрать так, чтобы обеспечить желаемую скорость
C для сигналов от второй станции c05 0, оставив при этом скорость для волн от первой станции неизменной.
Дата: 20 июля 1920 года.
Джон Грей, 83, Кэннон-стрит, Лондон, Восточная Англия, представитель заявителей.
25_ ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
№ 23964, 1920 г. н.э.
Усовершенствования в области радиоприёмных систем и связанные с ними аспекты.
Мы, британская компания General Electric, зарегистрированный офис которой находится по адресу:
Кэннон-стрит, 83, Лондон, США, настоящим заявляем, что данное изобретение (сообщение от General Electric
Company, корпорации, зарегистрированной в соответствии с законодательством штата Нью-Йорк, Шенектади,
округ Шенектади, штат Нью-Йорк, США) имеет следующий характер: Наше настоящее изобретение относится
к системам радиоприема и, в частности, к усовершенствованной конструкции антенны для целей приема.
Целью нашего изобретения является создание приемной антенны, обладающей высокой направленностью,
высокой эффективностью в работе и высокой избирательностью.
Для реализации нашего изобретения мы используем горизонтальную, предпочтительно апериодическую,
антенну, расположенную параллельно направлению передачи принимаемых сигналов.
Данная антенна сконструирована с использованием индуктивности с распределенной емкостью и
сопротивления таких значений, что токи, создаваемые в ней желаемыми сигналами, постепенно
увеличиваются от конца антенны, ближайшего к передающей станции, достигая в предпочтительном случае
максимума на конце, наиболее удаленном от передающей станции.
Наше изобретение, как в отношении его организации, так и способа работы, а также способов достижения его
конкретных целей, лучше всего будет понято из следующего описания, приведенного в связи с прилагаемым
чертежом, на котором фиг. 1 схематически иллюстрирует один из способов реализации нашего изобретения;
фиг. 2 показывает типичные кривые, иллюстрирующие изменения мощности сигнала вдоль длины антенны, а
фиг. 3 и 4 схематически иллюстрируют две другие модификации нашего изобретения.
Рассмотрим сначала простую горизонтальную приемную антенну 1, как показано на рис.
1, которая простирается от приемной станции на конце 3 антенны в направлении передающей станции А, от
которой поступают необходимые сигналы, и которая заземлена с обоих концов. Принцип работы такой
антенны при приеме сигналов можно объяснить следующим образом. 90 Предположим, что сигнальные волны
в пространстве распространяются от станции А в направлении антенны. Тогда на конце 2 антенны возникнет
небольшой ток, который будет распространяться в виде волны под углом 95° вдоль антенны к концу 3.
Если скорость этой небольшой токовой волны в антенне равна скорости сигнальной волны в пространстве, то
эта токовая волна будет расти по мере приближения к концу 3, непрерывно поглощая небольшие
дополнительные количества энергии от эфирных волн, поскольку две волны распространяются в фазе друг с
другом. Из этого анализа следует, что если постоянные антенны равны S таким образом, что волна тока
распространяется с той же скоростью, что и эфирная волна, то чем длиннее антенна, тем больший ток она
будет принимать.
Разумеется, существует максимальная длина, за пределами которой выигрыш будет очевиден из-за потерь в
антенне. Чем ниже эти потери, тем большую длину антенны можно выгодно использовать. Однако, если
скорость распространения текущей волны в антенне не совсем совпадает со скоростью распространения
другой волны, то на определенном расстоянии две волны будут складываться, но в конечном итоге будет
достигнута точка, где одна волна будет настолько опережать другую, что они окажутся в противофазе. Затем
произойдет интерференция, текущая волна затухнет до нуля, после чего начнет формироваться и
развиваться новая волна. В этих условиях мощность сигнала, который будет принят на конце 2 антенны,
будет слабой, и по мере перемещения приемного устройства вдоль антенны в направлении распространения
волн мощность сигнала будет постепенно увеличиваться до максимума, затем уменьшаться до минимума и
снова увеличиваться до второго максимума, имеющего ту же мощность, что и первый максимум.
Расстояние вдоль антенны между максимумом и минимумом будет зависеть от относительной разницы в
скорости электрической волны на антенне и эфирной волны, окружающей её в пространстве. Если скорости
различаются незначительно, можно с выгодой использовать длинную приемную антенну, но если скорости
значительно различаются, то использование антенны большей длины, чем та, которая обеспечит первый
максимум для желаемой частоты сигнала, может не принести никакой пользы. Желательно, чтобы эта длина
была как минимум равна половине длины волны принимаемых сигнальных волн.
На рис. 2 показано изменение силы тока в антенне при двух различных режимах работы, которые мы описали.
На этом рисунке по оси ординат отложена мощность сигнала, а по оси абсцисс — расстояние вдоль антенны.
Кривая B показывает увеличение силы тока вдоль длины антенны, когда токовая волна и другая волна
распространяются с одинаковой скоростью.
Это показывает, что ток сначала довольно быстро увеличивается вдоль длины антенны, затем замедляется,
и, наконец, кривая тока выравнивается, когда достигается конец антенны, наиболее удаленный от
передающей станции. Предполагается, что расстояние, представленное этой кривой, является максимальной
длиной антенны, которую можно выгодно использовать, и эта максимальная длина может составлять от 70 до
нескольких длин волн. Кривая C показывает изменения силы тока вдоль длины антенны для случая, когда
токовая волна и другая волна распространяются с разной скоростью. Здесь ток увеличивается до достижения
максимума в точке D; затем уменьшается до минимума в точке E; увеличивается до второго максимума в
точке F; снова уменьшается до минимума в точке C и увеличивается до третьего максимума в точке H.
Поскольку все эти максимальные значения одинаковы, очевидно, что использование антенны большей длины,
чем 85, представленной расстоянием O-D, не приведет к увеличению мощности сигнала. Однако в любом
случае приемное устройство 4 может быть расположено на конце 3 антенны, наиболее удаленном от
передающей станции, и будут получены наилучшие результаты, 90, возможные при данной длине антенны.
При распространении сигнальных волн в противоположном направлении токи будут нарастать аналогичным
образом. Если нет отражения на 95 градусов от концов, можно использовать ту же антенну для приема
сигналов с противоположных направлений, установив приемное оборудование на обоих концах.
Отражений можно избежать, заземлив концы антенны через неиндуктивные сопротивления 5, величина
которых равна импульсному сопротивлению антенны; то есть, имеющие значение, равное VL, где L и C —
индуктивность и емкость 105 антенны на единицу длины. В случае, если антенна имеет достаточно высокое
затухание, потери в ней могут быть настолько велики, что использование средств предотвращения отражения
может оказаться ненужным; другими словами, потери в антенне могут быть настолько высокими, что любая
отраженная волна будет практически затухать до того, как достигнет приемного устройства. В некоторых
случаях, когда используется линия с низким импедансом, естественного сопротивления в точке заземления
может быть достаточно, чтобы практически исключить отражение. В некоторых оазисах сопротивление грунта
может быть достаточным для существенного уменьшения отражения, и потери могут быть достаточными для
затухания отраженных волн малой амплитуды.
В соответствии с теоретическими соображениями, если бы антенна была свободно подвешена (125 175,315),
а поверхность Земли представляла бы собой идеально проводящую параллельную плоскость, то токовые
волны распространялись бы через проводник антенны со скоростью, равной скорости света.
На практике это теоретическое условие может быть трудно выполнить из-за сопротивления заземления и
необходимости обеспечения опор для антенны.
Эффект от использования этих опор может заключаться в увеличении шунтирующей способности антенны
без каких-либо компенсирующих изменений в других постоянных линии. Эффект избыточной емкости шунта
может быть нейтрализован для непрерывных волн определенной частоты путем последовательного
включения конденсаторов с антенной, которые нейтрализуют часть последовательной индуктивности и
увеличивают скорость распространения волны. Подобные последовательные конденсаторы следует
устанавливать в антенну с подходящими интервалами (ни в коем случае не более длины волны друг от друга),
чтобы обеспечить эффект распределенной последовательной емкости для принимаемой частоты.
Выбирая соответствующие параметры конденсаторов, можно добиться того, чтобы скорость распространения
волн в линии для непрерывных волн любой заданной частоты была равна или превышала скорость света.
На рис. 3 схематически изображена антенна, снабженная для этой цели последовательно соединенными
конденсаторами 6.
В некоторых случаях размещение приемной станции в точке вдоль антенны может быть неудобным. В таких
случаях мы обнаружили, что между антенной и приемной станцией может быть использована линия передачи,
идущая в другом направлении от основной антенны. На рис. 4 показано именно такое расположение. В
данном случае линия электропередачи 7 транспонируется через соответствующие интервалы, чтобы
нейтрализовать воздействие токов, поступающих по ней.
Таким образом, направленность приемной системы останется неизменной при использовании этой линии
передачи независимо от ее направления.
Специалистам в данной области будет очевидно, что наше изобретение никоим образом не ограничивается
показанными и описанными схемами, поскольку в конструкцию и структуру используемых устройств можно
вносить множество изменений, не выходя за рамки нашего изобретения.
Датировано 9 июля 1920 года.
Джон Грей, 83, Кэннон-стрит, Лондон, Восточная Англия, представитель заявителей.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования в области радиоприёмных систем и связанные с ними аспекты.
Мы, британская компания Thomsont-Houstox Company, зарегистрированный офис которой находится по
адресу: Кэннон-стрит, 83, Лондон, E.C. 4, настоящим заявляем о характере данного изобретения (сообщение
от General Electric Company, корпорации, организованной в соответствии с законами штата Нью-Йорк,
Шенектади, округ Шенектади, штат Нью-Йорк, США) и о способе его осуществления, которые будут подробно
описаны и установлены в следующем заявлении.
Настоящее изобретение относится к системам радиоприёма и, в частности, к усовершенствованным
конструкциям антенны для приёма сигнала.
Целями изобретения являются, во-первых, обеспечение эффективного средства приема радиосигналов из
желаемого направления с существенным исключением сигналов, поступающих из других направлений;
во-вторых, создание антенны, которая, хотя и может быть не настроена на частоту принимаемых сигнальных
волн, будет обладать высокой избирательностью к этим волнам; в-третьих, создание антенны, способной в
большей степени, чем это обычно бывает в антеннах, используемых до сих пор, исключать статические
помехи или блуждающие сигналы.
Изобретение заключается в следующих усовершенствованиях радиоприёмных систем. Приемная антенна
имеет распределенные константы такого значения, что 95 электрических волн, создаваемых в ней
желаемыми сигнальными волнами, будут распространяться вдоль ее длины с практически той же скоростью,
с которой желаемые сигнальные волны распространяются вдоль ее длины в эфире.
Для реализации нашего изобретения мы используем длинную горизонтальную приемную антенну, которая
может быть выполнена либо в виде петли, либо в виде проводника со 105 заземляющими выводами на
концах, предпочтительно расположенного приблизительно параллельно направлению передачи
принимаемых сигналов. Данная антенна сконструирована таким образом, что электрические волны
сигнальной частоты распространяются через неё со скоростью, максимально приближенной к скорости
распространения сигнальных волн в пространстве вдоль линии.
Предполагая, что антенна расположена параллельно направлению распространения сигнальных волн, это
будет скорость света. Если электрические волны распространяются через антенну с той же скоростью, что и
сигнальные волны вдоль ее длины, то индуцированные в антенне сигнальные токи будут очень малы на
конце, ближайшем к передающей станции, и будут постепенно увеличиваться вдоль длины антенны, достигая
максимума на конце, наиболее удаленном от передающей станции.
В случае, если собственная емкость и индуктивность антенны не соответствуют требуемым значениям для
обеспечения желаемой скорости распространения электрической волны на частоте сигнала, можно изменить
характеристики антенны таким образом, чтобы получить желаемую скорость распространения волны на
рассматриваемой частоте.
В некоторых случаях желаемая скорость может быть равна скорости света, а в других случаях она может
отличаться от нее, как будет более подробно изложено в нашем описании.
Скорость распространения электрических волн в антенне может быть увеличена до желаемого значения
путем введения последовательно включенных конденсаторов или параллельно включенных индуктивностей
через соответствующие интервалы. В антенну также могут быть введены задержечные звенья, состоящие из
последовательно включенных индуктивностей и параллельно включенных конденсаторов, с целью
запаздывания фазы волны на величину меньше одного цикла, что, в свою очередь, приводит к опережению
фазы или увеличению скорости волны.
Приёмное устройство может быть подключено или соединено с антенной в точке, где влияние желаемых
радиосигналов сравнительно велико, а влияние нежелательных радиосигналов или атмосферных или
статических помех сравнительно мало. Приёмное устройство может располагаться на некотором расстоянии
от антенны и быть соединено или подключено к ней посредством линии передачи.
Для того чтобы линия передачи не выполняла функцию антенны, её перемещают через подходящие
интервалы, так чтобы любое воздействие радиосигналов на неё взаимно компенсировалось.
На одном или обоих концах антенны желательно обеспечить сопротивление заземления, приблизительно
равное импульсному сопротивлению антенны, чтобы избежать отражения электрических волн,
распространяющихся в антенне, на ее концах.
Изобретение, как в отношении его организации, так и способа действия, а также способов достижения его
конкретных целей, лучше всего будет понято, если обратиться к следующему описанию в связи с
прилагаемыми чертежами, на которых на Рисунке 1 схематически показан один из способов реализации
изобретения с использованием длинного горизонтального проводника с заземляющими соединениями на
обоих концах; на Рисунке 1a показана аналогичная антенна, снабженная последовательно соединенными
конденсаторами; на Рисунке 2 показан альтернативный вариант в виде длинной петли; на Рисунке 3 показаны
типичные кривые, иллюстрирующие изменения мощности сигнала вдоль длины антенны; на Рисунки 4 и 5
показаны некоторые способы регулировки скорости распространения волны на длинной антенне; на Рисунке 6
показана длинная многовитковая петля как один из способов реализации нашего изобретения; на Рисунки 7 и
8 показаны способы регулировки скорости распространения волны на петлях; На рисунках 9 и 10 показаны
два возможных способа соединения ряда петель таким образом, чтобы получить результаты, эквивалентные
результатам, полученным с помощью одной длинной антенны.
В системах, показанных на рисунках 9 и 10, для регулирования скорости распространения волн могут
использоваться последовательные или параллельные конденсаторы или индуктивности; на рисунке 11
показан альтернативный способ регулирования скорости распространения волн, а на рисунках 12 и 13
показаны варианты, которые могут быть приняты, если приемная станция расположена не на линии длинной
антенны.
В следующем общем описании изобретения № 105 мы ограничились описанием явлений, происходящих на
длинной горизонтальной антенне типа, показанного на рисунке 1, с целью максимально простого изложения
идей. 110 Специалистам в данной области будет очевидно, что те же явления будут происходить и на
длинных петлях, и приведенный здесь общий подход будет применим и к этому случаю. 115 Рассмотрим
сначала простую горизонтальную приемную антенну 1, как показано на рисунке 1, которая простирается от
приемной станции на конце 2 антенны в сторону передающей станции А, от которой поступают желаемые
сигналы. Принцип работы такой антенны при приеме сигналов можно объяснить следующим образом:
Предположим, что сигнальные волны в пространстве распространяются от станции А 125 в направлении
антенны, тогда на конце 2 антенны (175,315) будет индуцирован небольшой ток, который будет
распространяться в виде волны вдоль антенны к концу 3. Если скорость этой небольшой токовой волны в
антенне равна скорости сигнальной волны в пространстве, то эта токовая волна будет расти по мере
приближения к концу 3, непрерывно поглощая небольшие дополнительные количества энергии от эфирных
волн, поскольку две волны распространяются в фазе друг с другом. Из этого анализа следует, что если
параметры антенны таковы, что волна тока распространяется с той же скоростью, что и эфирная волна, то
чем длиннее антенна, тем больший ток будет принят. Разумеется, существует максимальная длина, за
пределами которой выигрыш будет очевиден из-за потерь в антенне. Чем ниже эти потери, тем большую
длину антенны можно выгодно использовать. Даже если предположить, что линия имеет нулевые потери, в
конечном итоге будет достигнута длина, при которой дальнейшее увеличение мощности сигнала за счет
увеличения длины не приведет к его усилению, поскольку амплитуда волн на антенне в конечном итоге
достигнет амплитуды, равной амплитуде эфирных волн, то есть переизлучение уравновесит принимаемую
энергию.
Это состояние можно назвать «насыщением». Однако, если скорость распространения волны тока в антенне
не совсем совпадает со скоростью распространения эфирной волны, то на определенном расстоянии две
волны будут складываться, но в конечном итоге будет достигнута точка, где одна волна будет настолько
опережать другую, что они окажутся в противофазе.
Затем произойдет интерференция, текущая волна затухнет до нуля, после чего начнет формироваться и
развиваться новая волна. В этих условиях мощность принимаемого сигнала, если приемное устройство
расположено на конце 2 антенны, будет слабой, и по мере перемещения приемного устройства вдоль
антенны в направлении распространения волн мощность сигнала будет постепенно увеличиваться до
максимума, затем уменьшаться до минимума и снова увеличиваться до второго максимума, имеющего
приблизительно ту же мощность, что и первый максимум. Расстояние вдоль антенны между максимумом и
минимумом будет зависеть от разницы в скорости электрической волны на антенне и эфирной волны,
окружающей её в пространстве. Если скорости различаются незначительно, можно с выгодой использовать
длинную приемную антенну, но если скорости значительно различаются, то использование антенны большей
длины, чем та, которая обеспечит первый максимум для желаемой частоты сигнала 65, может не принести
никакой пользы.
На рисунке 3 показано изменение силы тока в антенне при двух различных режимах работы, которые мы
описали. На рисунке 70 по оси ординат показана мощность сигнала, а по оси абсцисс — расстояние вдоль
антенны. Кривая B показывает увеличение силы тока вдоль длины антенны, когда волна тока в антенне и
эфирная волна распространяются с одинаковой скоростью. Это показывает, что ток сначала довольно быстро
увеличивается вдоль длины антенны, а затем замедляется из-за насыщения 80 и потерь в линии.
Предполагается, что расстояние, представленное этой кривой, является максимальной длиной антенны,
которую можно выгодно использовать, и эта максимальная длина может быть равна нескольким длинам волн.
На кривой C показано изменение силы тока вдоль длины антенны для одного случая, когда волна тока и
эфирная волна распространяются с разной скоростью. Здесь ток 90 увеличивается до достижения максимума
в точке D; затем уменьшается до минимума в точке E; увеличивается до второго максимума в точке F; и снова
уменьшается до минимума в точке G. Поскольку эти две максимальные точки приблизительно равны по
значению, очевидно, что для соотношений скоростей, принятых на кривой C, использование большей длины
антенны, чем та, которая представлена расстоянием O-D, не приведет к увеличению мощности сигнала.
Кривая H представляет собой изменение мощности тока вдоль длины антенны для другого случая, когда
волна тока и эфирная волна распространяются с разной скоростью.
В этой точке I достигается максимальный ток, а в точке I — минимальный.
Многие из ранее использовавшихся длинных антенн, 110, использовали проволоку в резиновой оплетке,
закопанную в землю, погруженную в воду или расположенную на поверхности земли. Такие конструкции
обеспечивают низкую скорость и высокое затухание, причем оба этих эффекта ограничивают длину антенны,
которую можно выгодно использовать; в ходе испытаний была зафиксирована оптимальная длина,
составляющая примерно одну восьмую длины волны (эфирной волны). Для обеспечения преимуществ более
длинной антенны необходимы следующие условия: высокая скорость распространения сигнала и низкое
затухание.
При передаче сигналов в противоположном направлении ток будет нарастать аналогичным образом. Если эти
сигналы 175,3 16 отражаются на конце 2, рисунок 1, они вернутся к 3 и повлияют на приемный аппарат,
придавая антенне двунаправленные свойства. Отражений можно избежать, заземлив конец 2 через
неиндуктивное сопротивление 5, значение которого равно или приблизительно равно импульсному
сопротивлению антенны, равному L, где L и C — индуктивность и емкость антенны на единицу длины.
Применив этот или любой другой способ, исключающий отражение от дальнего конца, антенна, обладая ярко
выраженными однонаправленными свойствами и высокой избирательностью, будет пропускать сигналы,
поступающие с одного направления, исключая не только сигналы, поступающие с других направлений, но и
статические импульсы, также поступающие с других направлений. Чем больше длина антенны по сравнению с
длиной волны сигнала, тем более направленной она будет.
Демпфирующее сопротивление 5 на рисунке 1 может быть заменено приемным устройством с эквивалентным
импедансом без ухудшения полезности или однонаправленности антенны при использовании с приемной
схемой 4. Если приемная цепь 4 также имеет сопротивление, приблизительно равное импульсному
сопротивлению антенны, то приемная цепь, расположенная на конце 2, будет принимать только сигналы,
поступающие в направлении 3-2 или противоположном направлению приема приемной цепи 4. Таким
образом, длинная антенна может обслуживать две приемные станции, принимая сигналы с противоположных
направлений, и при этом не будет потери эффективности из-за того, что антенна выполняет двойную
функцию. Фактически, для достижения максимальной эффективности приемные цепи должны быть
спроектированы таким образом, чтобы их эффективное сопротивление было равно импульсному
сопротивлению антенны.
В соответствии с теоретическими соображениями, если бы любая антенна была свободно подвешена, а
поверхность Земли представляла собой идеально проводящую параллельную плоскость, то электрические
волны распространялись бы через проводник антенны со скоростью, равной скорости света. На практике это
теоретическое условие может быть трудно выполнить из-за сопротивления заземления и необходимости
обеспечения опор для антенны.
Действие этих опор может заключаться в увеличении пропускной способности линии за счет шунтирования
без каких-либо компенсирующих изменений других параметров линии. Эффект избыточной емкости шунта
может быть нейтрализован для непрерывных волн определенной частоты с помощью шунтирующих
индуктивностей, подключенных через частые интервалы между антенной и землей. Или же эффект
избыточной емкости шунта, замедляющий скорость распространения волны, может быть компенсирован
включением конденсаторов 6 (рисунок 1a) последовательно с линейными проводниками, что нейтрализует
часть последовательной индуктивности и увеличивает скорость распространения волны. Такие параллельные
индуктивности или последовательные конденсаторы должны располагаться достаточно близко друг к другу
(ни в коем случае не на расстоянии, превышающем длину волны), чтобы обеспечить эффект распределенной
параллельной индуктивности или последовательной емкости для принимаемой частоты.
Выбирая соответствующие значения индуктивностей и конденсаторов, можно добиться того, чтобы скорость
распространения волн в линии для непрерывных волн любой заданной частоты была равна или превышала
скорость света.
Для непрерывных синусоидальных волн кажущаяся скорость распространения будет больше скорости света
на более низких частотах, чем та, на которую настроена линия, и будет меньше скорости света для сигналов
на более высоких частотах, чем та, на которую она настроена.
Альтернативный метод коррекции скорости распространения волн на длинной антенне заключается во
введении через соответствующие интервалы звеньев искусственной линии, которые будут действовать таким
образом, чтобы задерживать или опережать фазу волны. Таким образом, введение соединения, состоящего
из последовательно соединенных конденсаторов и параллельных индуктивностей, приведет к сдвигу фазы
или увеличению средней скорости распространения волны для антенны в целом, в то время как введение
соединений, состоящих из последовательно соединенных индуктивностей 9 и параллельных конденсаторов
10, как показано на рисунке 11, приведет к задержке или замедлению средней скорости распространения
волны для антенны. Для непрерывных волн введение задержечного звена длиной чуть меньше одной длины
волны приведет к задержке фазы волны 110 менее чем на один цикл, что эквивалентно опережению фазы или
увеличению скорости волны, тогда как для одиночных импульсов или сильно затухающих волн эффект будет
заключаться в разбиении результирующего возмущения на антенне на несколько относительно слабых
импульсов.
Искусственные линии или перемычки описанного выше типа могут быть введены без серьезных потерь на
отражение в антенне, либо путем создания одинаковых перемычек и их достаточно близкого расположения
друг к другу (при условии, что сами перемычки короткие), либо путем проектирования искусственных линий
таким образом, чтобы их импульсное сопротивление было равно импульсному сопротивлению ненастроенной
антенны.
Описанные выше методы регулировки скорости позволяют получать разные значения скорости для разных
частот. Это позволяет обеспечить избирательность по частоте, [0 в дополнение к избирательности,
обеспечиваемой направленными свойствами антенны. Например, обращаясь к кривым на рисунке 3, можно
предположить, что мешающая передающая станция расположена на прямой линии с передающей станцией,
сигналы которой она должна принимать. Предполагая, что длина волны сигнала, передаваемого с этой
мешающей станции, отличается от длины волны желаемых сигналов, для которых настроена антенна,
скорость распространения его волн на антенне может отличаться от их скорости в пространстве на такую
величину, что узел, как показано в точках E или G кривой C на рисунке 3, будет находиться в точке, где
расположен приемный аппарат.
В таком случае, станция, создающая помехи, практически не будет оказывать никакого воздействия на
принимающее оборудование.
При других условиях, предположим, что в антенне протекают два тока от двух станций, расположенных на
одной линии и представленных кривыми C и H (рис. 3). Прием сигнала от станции, представленной кривой H,
может быть осуществлен путем размещения приемного устройства в точке I, где этот ток велик, а ток кривой C
минимален. Если собственная емкость и индуктивность антенны имеют значения, необходимые для
обеспечения скорости распространения волны в антенне, равной скорости света, такая антенна будет иметь
одинаковую скорость распространения волны для всех частот и, обладая желаемыми направленными
свойствами, не будет избирательной по частоте. В этих условиях может быть целесообразно ввести
последовательно индуктивности 7 (рис. 4), которые сами по себе снизят скорость распространения волны на
антенне, а для нейтрализации эффекта этих индуктивностей на определенной частоте можно ввести
последовательно конденсаторы 8.
В некоторых случаях для дальнейшего повышения частотной избирательности линии может быть
целесообразно использовать дополнительную шунтирующую емкость 11 в качестве средства замедления
скорости волны и нейтрализации этого с помощью шунтирующих индуктивностей 12, как показано на рисунке
5. В этом случае антенна будет действовать исключительно как линия передачи на желаемой частоте, в то
время как для всех частот ниже этой частоты линия становится аналогичной высокочастотному фильтру или
сосредоточенной искусственной линии, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов и
параллельно соединенных индуктивностей, а для всех частот выше сигнальной частоты линия становится
аналогичной по своему действию низкочастотному фильтру или сосредоточенной искусственной линии,
состоящей из последовательно соединенных индуктивностей и параллельно соединенных конденсаторов.
Соседние файлы в папке патенты