Kvant. Как излучать радиоволны

Рафаилов А. Как излучать радиоволны? //Квант. — 1991. — № 11. — С. 33-35.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Прежде чем излучать радиоволны — электромагнитные колебания определенной частоты, нужно эти колебания получить. Это можно сделать при помощи генератора незатухающих колебаний. А вот как добиться того, чтобы о наличии колебаний можно было узнать вдали от генератора,— это и есть тема заметки.

Сформулируем задачу конкретнее: что нужно подключить к выходу генератора незатухающих колебаний, чтобы от него побежала электромагнитная волна? Вопрос этот не простой, зато можно легко догадаться, какие элементы на роль излучающей антенны явно не подходят. Вот, например, резистор. Если мы подключим его к выходу генератора, то вся энергия, которую он от генератора получит, полностью перейдет в тепло. Не подходит на роль антенны и конденсатор — средняя мощность, которую он получает от генератора, в точности равна нулю (сдвиг фаз между напряжением и током равен четверти периода). Значит, ему просто нечего излучать — ведь при излучении электромагнитных волн энергия должна передаваться от источника по всем направлениям. То же самое справедливо и для катушки индуктивности.

Рис. 1

Таким образом, для того чтобы мощность отнималась от генератора, нужно изменить сдвиг фаз между током и напряжением — он не должен составлять четверть периода. Этого можно добиться, например, соединив последовательно конденсатор и резистор. Однако ничего полезного для нас при этом не произойдет: теперь цепь нагрузки (конденсатор и резистор) отнимает от генератора энергию, но вся эта энергия полностью переходит в тепло. Попробуйте в этом убедиться самостоятельно — для такой простой цепи это не вызовет трудностей. Оказывается, и для произвольных LCR-цепей (например, как на рисунке 1) выполняется это правило: вся мощность, которую цепь получает от источника, переходит в тепло. При этом зависимость мгновенной мощности от времени имеет вид

\(~p = u(t) \cdot i(t) = U_0 \cos \omega t \cdot I_0 \cos (\omega t + \varphi)\) ,

где φ — сдвиг фаз между током и напряжением. После простых тригонометрических преобразований легко найти среднюю мощность, потребляемую от источника за период (а значит, и за большой промежуток времени):

\(~P_{cp} = \frac 12 U_0 I_0 \cos \varphi = U I \cos \varphi\) .

Это и есть в точности мощность, переходящая в тепло.

Рис. 2

Заметим, кстати, что максимальное значение мгновенной мощности больше значения P_cp, причем при сдвигах фаз, близких к 90°,— во много раз. Это означает, что источник должен быть в состоянии развивать мгновенную мощность существенно более высокую, чем та, которую в среднем от него отнимают. Такое положение возникает часто в практической электротехнике — при подключении ламп дневного света, электродвигателей и т. п. С лампами дневного света это происходит потому, что ток через лампу задается последовательным подключением катушки индуктивности и сдвиг фаз получается близким к 90° (рис. 2). Излишняя нагрузка для электросети крайне нежелательна, так как приводит к дополнительным потерям в виде тепла и вынуждает применять провода с большим сечением. Положение можно поправить, подключив параллельно конденсатор подходящей емкости (тут нужна настройка в резонанс!). При этом катушка и конденсатор обмениваются между собой энергией во время всего периода — «лишняя» энергия перекачивается между ними, а сеть — источник поступающей в нагрузку энергии — отдает только то количество энергии, которое переходит в тепло.

Итак, цепи такого рода (LCR-цепи) не годятся на роль антенны. Проблема состоит в том, чтобы сделать сдвиг фаз между током и напряжением в цепи отличным от 90°, но не за счет выделения тепла, т. е. без резисторов. Оказывается, если размеры компонентов цепи нагрузки малы по сравнению с длиной волны, ничего нельзя сделать. А вот при больших размерах элементов нагрузки дополнительный сдвиг фаз можно получить за счет запаздывания распространения волны.

Пусть в качестве нагрузки использован конденсатор, сопротивление которого (для переменного тока заданной частоты) оптимально для данного генератора. Теперь начнем увеличивать запаздывание, изменяя габариты конденсатора. Но нельзя просто увеличить размеры пластин конденсатора — его емкость станет больше. Для сохранения емкости придется увеличить и расстояние между пластинами. Строго говоря, конденсатор больших размеров — это уже не конденсатор. Сдвиг фаз теперь соответствует другой цепи, и от генератора потребуется мощность, хотя резисторов тут нет и тепло не выделяется. Следовательно, энергия от генератора должна куда-то уходить, а именно — излучаться в пространство.

Рис. 3

Для получения наибольшей излучаемой мощности нужно довести размеры и конфигурацию антенны до оптимума. Если такая антенна состоит, например, из двух стержней — длинных и тонких, то оптимальная длина каждого из них должна быть равна четверти длины волны, стержни нужно направить вдоль одной прямой, а выводы генератора незатухающих колебаний подключить так, как показано на рисунке 3. Такие антенны часто применяют в качестве приемных для телевизоров. В сущности приемные и передающие антенны не отличаются друг от друга (только для очень мощных передатчиков нужно делать специальные передающие антенны, с учетом высоких напряжений и больших токов, подаваемых на антенну для передачи).

Бели размеры антенны выбраны правильно, то не создается «лишней» нагрузки для генератора радиопередатчика и отнимаемая от него энергия излучается в пространство. Однако эти пожелания легко удовлетворить только для стационарных радиопередатчиков и не очень низких частот передачи (для которых не слишком велика длина волны). Для переносных радиостанций это не всегда возможно — антенна получается намного короче, чем нужно для оптимального согласования с генератором.

В таком случае можно «облегчить участь» генератора, подключив последовательно с антенной катушку индуктивности (ее так и называют — удлинительной)— емкостное сопротивление короткого антенного провода будет скомпенсировано индуктивным сопротивлением катушки. Антенна может состоять и из нескольких проводников — выбирая длину и положение этих проводников и подавая в них токи от генератора в нужных фазах, можно добиться того, чтобы излучение происходило преимущественно в заданном направлении («направленная» антенна). Это — пример использования интерференции в технических целях. Кстати, вовсе не обязательно подключать все проводники к генератору — вполне достаточным для наших целей может оказаться тот ток, который возникает в проводнике из-за того, что он находится в электромагнитном поле основной антенны. Все это относится и к приемной антенне, которая чаще всего включает основной проводник — «вибратор» (происхождение этого термина должно быть ясным) и несколько дополнительных, ни к чему не подключенных проводников строго определенных размеров и местоположения (их называют «директор» и «рефлектор», от их числа и точности подбора зависит направленность антенны).

Оказывается, можно подобрать конфигурацию сложной антенны так, чтобы она работала удовлетворительно не только на строго определенной частоте, но и в целом диапазоне частот. Это совершенно необходимо, например, для приема телевидения — ведь не очень удобно иметь для каждого канала свою антенну. Однако, если частоты каналов сильно разнесены или антенна находится очень далеко от телецентра, приходится использовать несколько отдельных, хорошо настроенных антенн.