Забытая правда о ёмкостных антеннах
Продолжение. Начало здесь: https://blagin-anton.livejournal.com/1117355.html
Цитирую дальше видеорассказ Владимира Кононова: «…Мы говорили о токах смещения в «ЕН ёмкостной антенне». А есть ли токи смещения в диполе? Конечно, есть. Там где есть электрическая ёмкость, там всегда есть и токи смещения. Где же в диполе возникают токи смещения? В «ЕН антенне» мы знаем, они происходят в промежутке между пластинами или цилиндрами излучающего конденсатора...»
Комментарий А.Б.: Изобретатель «ЕН антенны» Тед Харт, кстати, имеет иное мнение. Он видит «токи смещения» не между излучающими пластинами, а как раз на поверхности излучающих пластин, как вижу это я. Поэтому он изобразил магнитные поля, образованные этими токами, там где надо на своём рисунке (он слева внизу, а справа неправильный рисунок В.Кононова).
Слева правильное понимание процессов, справа - неправильное.
В.Кононов: «...А в дипольной антенне? В дипольной антенне тоже есть токи смещения. И сосредоточены они, как в литературе описано, на концевых элементах диполя, в точках его питания. Причём они считаются вредными. В радиотехнической литературе так везде и написано, что токи смещения в диполе являются вредными, и из-за них расчёт диполя становится затруднительным… » (Комментарий А.Б.: они и в «ЕН антенне» являются вредными! Рисунок Тэда Харта явно показывает, что на излучение работают «токи смещения», протекающие по поверхности излучающих ёмкостей, а не между ними!).
В.Кононов: «...Возьмём, например, «диполь Надеенко», в котором токи смещения между плечами диполя сведены к минимуму за счёт конусной формы их концов.
Отсутствие плоских торцевых поверхностей у обращённых друг к другу плечей «диполя Надеенко» обеспечивает наименьшую паразитную ёмкость между ними, что улучшает согласование диполя с питающей линией и позволяет получить хорошее совпадение между расчётными и экспериментальными результатами…»
И вновь напрашивается вопрос: какая же электрическая ёмкость работает на излучение радиоволн в «диполе Герца» а также в «диполе Надеенко», если электрическая ёмкость между плечами этих диполей (между двумя обкладками конденсатора) считается паразитной?!
Отвечаю на этот вопрос сам, раз даже опытные инженеры до сих пор не могут на него ответить.
Радиоволны излучает электрическая ёмкость наружной поверхности электропроводящих тел, с которой мы хорошо знакомы со школьных уроков по теме «Электростатика».
Запомните это!
К примеру, вот с такой конструкцией, как представлена на рисунке ниже, состоящей из металлического стержня, нижний конец которого закреплён на изоляторе, а верхний соединён с токопроводящей сферой, можно провести простейший, но очень поучительный опыт, многое проясняющий.
Потерев расчёску о волосы, вы заряжаете её статическим электричеством и далее подносите её к нижнему концу металлического стержня. В этот же миг электрические заряды переходят с расчёски на нашу металлическую конструкцию, что порождает в ней поверхностный ток смещения, связанный (внимание!) с перераспределением электрического потенциала на всей поверхности заряжаемого тела.
Судя по всему, создатель «Электромагнитной теории света» шотландский физик Д.К.Максвелл об этом токе смещения да ещё в такой электрической ёмкости понятия не имел. Я сужу об этом по тому, что про этот ток смещения ничего не написано в учебниках современной физики в разделе «Электродинамика». Соответственно, отличники современного образования ничего и не знают о нём. А вот он то, этот поверхностный ток смещения, связанный с перераспределением электрического потенциала на поверхности электропроводящего тела, как раз и порождает радиоизлучения!
Можно сказать и по-другому: перераспределение электрического потенциала на поверхности электропроводящего тела является не столько током проводимости, с которым мы все хорошо знакомы, сколько поверхностной волной электронной плотности. Вот она то и отправляет в пространство радиоизлучение.
В нашем случае электрические заряды, стремительно переходящие с расчёски на наружную поверхность этой металлической конструкции, порождают очень короткое по длительности радиоизлучение.
Фактически перед нами резонансная четвертьволновая излучающая антенна, запитываемая статическим электричеством, переносимым нами вручную.
А что значит резонансная излучающая антенна, и в чём это фактически выражается?
При резонансе амплитуда изменений поверхностной электронной плотности возрастает в антенне в Q раз. Q - добротность колебательного контура, в нашем случае - добротность излучающего колебательного контура. Добротностью называется характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Q резонансной антенны может составлять и 30, и 50, и 100. То есть, когда резонансная четвертьволновая антенна запитывается высокочастотным переменным током, на её наружной поверхности не просто возникает знакопеременное перераспределение электрического потенциала, связанное с образованием поверхностной стоячей волны электронной плотности, а происходит постепенное нарастание амплитуды этой волны в Q раз.
В этот момент излучающая резонансная четвертьволновая антенна становится подобной звонящему колоколу.
Дальше мне надо описывать механизм излучения, или уже всё ясно итак?
Если соединить наши две четвертьволновые антенны в линию, изоляторами навстречу друг другу, мы получим уже знакомый нам «диполь Герца», который можно располагать как вертикально, так и горизонтально (для излучения радиоволн с вертикальной или с горизонтальной поляризацией соответственно).
Несколько лет назад я встречался с Владимиром Васильевичем Кононовым в его полевой лаборатории, расположенной вблизи частного аэродрома, и рассказал ему о своём видении теории радиоволн. Однако, судя его новому видео, я тогда плохо донёс до него свои мысли. Может, косноязычным был и потому не очень убедительным. Возможно так. У меня действительно нет дара красноречия.
Я был тогда очень благодарен Владимиру Васильевичу, и до сих пор я благодарен ему за то, что там, в его лаборатории, я впервые увидел и мог потрогать руками «ЕН антенны», причём самых разных размеров и конфигураций, и также впервые увидел процесс их настройки.
Click to viewК сказанному ранее своему видению я могу добавить сейчас знание, о котором в своё время твердил на своих лекциях Никола Тесла, критиковавший и теорию Герца, и теорию Д.К.Максвелла за ряд неправильных суждений.
Касательно случая, описанного выше, он говорил следующее: «...Таким образом, беспроводный передатчик не производит волны Герца (изображаемые как петли электрического поля, убегающие от диполя. Комментарий А.Б.), которые являются мифом! Но он производит звуковые волны в эфире, поведение которых похоже на поведение звуковых волн в воздухе, за исключением того, что огромная упругость и крайне малая плотность данной среды делает их скорость равной скорости света». (Источник: «Pioneer Radio Engineer Gives Views on Power», New York Herald Tribune, 11 сентября 1932 года).
Прав был в своём видении Тесла или неправ, каждый может решать сам. Да и мировой эфир современная наука вот уже 100 лет отвергает точно так же, как убеждённые атеисты отвергают Бога. Однако, бесспорно одно: открытый колебательный контур излучает радиоволны исключительно тогда, когда на наружной поверхности одиночного проводника (четвертьволновая антенна) или двух проводников (полуволновой диполь) возникает поверхностная стоячая волна электронной плотности.
Сегодня это обязан знать каждый, кто изучает электротехнику и электродинамику!
Возникновение поверхностных волн электронной плотности на проводящих ток поверхностях обусловлено тем очевидным фактом, что совокупность гигантского количества свободных электронов, имеющихся в каждом электропроводящем теле, образует в нём электронный газ, выходящий на какое-то расстояние за пределы электропроводящего тела, но не покидающий его. (Аналог - земная атмосфера).
Цитирую далее интересную книгу российского физика И.Мисюченко «Последняя тайна Бога»:
«…Если в одном месте проводящей поверхности тем или иным способом нарушить равновесную плотность носителей заряда, то носители придут в движение, стремясь восстановить утраченное равновесие. Поскольку носители инерционны (электроны обладают массой. Комментарий А.Б.), то процесс восстановления может носить волновой и даже резонансный характер. По всей видимости, Н. Тесла именно этот способ пытался положить в основу не только глобальной всемирной связи, но и энергетики. Поведение подобных поверхностных волн изучено всё ещё плохо. Следует отметить, что поверхностная волна электронной плотности сопровождается и «обычной» электромагнитной волной, и переменным электрическим полем, и специфическими магнитными полями. Такое обилие сопутствующих процессов препятствует объективному изучению явления...»
В этих словах содержится ответ на вопрос, давно мучивший учёных, которые пытались разгадать загадку, связанную с излучением радиоволн «диполем Герца». Измерения радиоволны, которая пересекает приёмную антенну и наводит в ней ЭДС, показывают, что амплитуды полей Е и Н (электрического и магнитного) колеблются строго синфазно.
В этой связи я допускаю мысль, что измерительные приборы вводят нас в заблуждение. В реальной радиоволне, которая движется в свободном пространстве, вихревого магнитного поля не может быть в принципе в силу его природы и его характера. Оно возникает исключительно в приёмной антенне или в индикаторе магнитного поля, когда под воздействием радиоволны свободные электроны в металле приходят в упорядоченное возвратно-поступательное движение. Исключительно только поэтому оно и синфазно электрическому полю. Это моя гипотеза.
Согласно теории Д.К.Максвелла также не должно быть синфазности колебаний амплитуды электрического и магнитного полей в его электромагнитной волне, так как «распространение электромагнитных колебаний состоит в непрерывном преобразовании одной из этих форм энергии в другую попеременно (а не одновременно! Комментарий А.Б.) и в любой момент энергия во всей среде разделена поровну, так что половина энергии является энергией движения, а другая половина - энергией упругого напряжения…» (Д.К. Максвелл «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864).
Однако, официальная теория, принятая в современной физике, упорно настаивает на том, что радиоволна представляет собой сочетание электрического и магнитного полей, колеблющихся синфазно, как изображено на представленном выше рисунке.
Тогда, в силу этого обстоятельства, имеется противоречие с колебанием амплитуды электрического и магнитного полей в классическом полуволновом «диполе Герца». В нём эти два поля сдвинуты по фазе по отношению друг к другу на 90 градусов - максимуму напряжения соответствует минимум тока, и наоборот максимуму тока соответствует минимум напряжения, как это и должно быть в электромагнитной волне согласно теории Д.К.Максвелла.
Для согласования данного противоречия была придумана «Теорема Пойтинга». Согласно ней вокруг «диполя Герца» существует «ближняя зона» и «дальняя зона». В «ближней зоне» электромагнитное поле радиоволны якобы ещё не сформировано, так как измерительные приборы фиксируют, что вблизи «диполя Герца» поле Е опережает поле Н на 90 градусов. И только в «дальней зоне» (на расстоянии нескольких длин волн от «диполя Герца») приборы фиксируют синфазное электромагнитное поле.
На этом основании и был сделан вывод, что радиоволна формируется не на поверхности «диполя Герца», а в некой «дальней зоне» от него.
Как говорится, это бред сивой кобылы, причём подкреплённый псевдонаучными математическими расчётами, но без него в ХХ веке Наука не могла объяснить, почему в приёмной антенне падающая радиоволна определяется как синфазные поля Е и Н, а в передающей антенне под названием «диполь Герца» ток и напряжение, и, соответственно, поля Е и Н сдвинуты по фазе на 90 градусов.
Истина же вот в этих словах российского физика И.Мисюченко: «поверхностная волна электронной плотности (на плечах «диполя Герца». Комментарий А.Б.) сопровождается и «обычной» электромагнитной волной, и переменным электрическим полем, и специфическими магнитными полями. Такое обилие сопутствующих процессов препятствует объективному изучению явления…».
Иначе говоря, вблизи «диполя Герца» имеет место маскирование радиоволны сильным переменным электрическим полем и специфическими магнитными полями, которые сопровождают процесс рождения радиоволны непосредственно на поверхности «диполя Герца». В «дальней зоне» эффекта маскирования уже не возникает. Следовательно, утверждение о том, что радиоволна формируется на некотором удалении от «вибратора Герца», есть большое заблуждение, возникшее у учёных многие десятилетия назад и до сих пор не отвергнутое наукой.
И ещё. В научной литературе сообщается, что на дальних концах полуволнового вибратора имеет место высокое напряжение при малом токе (по причине большого сопротивления), а в середине полуволнового вибратора имеет место малое напряжение при большом токе (ввиду малого сопротивления). При этом каждое плечо полуволнового вибратора работает как колебательный контур, резонансная частота которого определяется, прежде всего, его длиной, - это уже моё добавление.
Это словесное описание можно с успехом применить к механической модели полуволнового или четвертьволнового вибратора. Последний, кстати, проще рассматривать. Смотрите, что получается: «на дальних концах полуволнового вибратора имеет место высокое напряжение при малом токе (по причине большого сопротивления)…» Под это описание хорошо подходит пружинный маятник - механический аналог четвертьволновой антенны.
Подвешенный на пружине груз под внешним воздействием может начать совершать колебания вверх-вниз. Пружина при таком колебании то сжимается, то растягивается. В месте крепления к опоре пружины её смещение = 0, т.к. механическое сопротивление опоры очень большое. Противоположный конец пружины, соединённый с грузом, имеет максимальную амплитуду колебательного смещения, т.к. механическое сопротивление в этом месте минимально.
Вспомним теперь об «ЕН антеннах», размеры которых для диапазона СВ и КВ обычно выбирают равными 1-2% от длины полуволнового вибратора, работающего на той же частоте.
На этой фотографии сам Тед Харт с «ЕН антенной» на 14 МГц (λ - 20 м).
На этой фотографии сам Тед Харт с «ЕН антенной» на 14 МГц (λ - 20 м).
Если применить тот же механический эквивалент и к этим сильно укороченным ёмкостным «ЕН антеннам», то короткое излучающее плечо диполя - это короткая пружина. Для того, чтобы заставить её совершать резонансные колебания на той же частоте, на какой работает полноразмерная антенна - четвертьволновый вибратор, нам нужно подвесить к ней намного больший по весу груз (гирю), ну а саму сильно укороченную пружину сделать более жёсткой. Для раскачивания такой колебательной системы с гораздо большей колебательной массой и с более жёсткой, но короткой пружиной требуется и большее механическое усилие (в нашем случае - большее электрическое напряжение).
Роль этой гири в электрическом LC колебательном контуре играет индуктивность, величина которой подбирается под стать частоте резонанса и поверхностной электрической упругости ёмкостных излучателей, обусловленной действием сил отталкивания между электронами. Эта поверхностная электрическая упругость тем выше, чем больше коэффициент укорочения размеров ёмкостных излучателей относительно длины четвертьволнового вибратора.
Соответственно, сильно укороченные передающие ёмкостные антенны требуют значительно более высокого напряжения питания. При излучаемой мощности в 100 Ватт амплитуда высокочастотного напряжения на излучающих пластинах может достигать десятков тысяч Вольт!
Если вернуться к аналогии, что каждое плечо полуволнового «диполя Герца» - это звенящий колокол, то каждое плечо сильно укороченной «ЕН антенны» - это миниатюрный колокол, настроенный звенеть на той же частоте. Чтобы малый колокол излучал в пространство волны столь же эффективно, как и большой, его стенки должны вибрировать с гораздо большей амплитудой, чем вибрируют стенки большого колокола.
Чтобы добиться этого эффекта, на излучающую поверхность сильно укороченной «ЕН антенны» за время одной четверти периода колебания ВЧ напряжения генератора принудительно загоняется такое же количество электрических зарядов (свободных электронов), как и на поверхность четвертьволновой антенны. Для этого и требуется значительно более высокое напряжение питание «ЕН антенны».
Давайте рассмотрим сейчас чертёж и электрическую схему «ЕН антенны» с плоскими излучателями, которая рассчитана на работу на частоте 10 МГц (λ - 30 м). Её конструкция, как видим, простейшая: две пластины и катушка индуктивности с отводом.
Согласно этому чертежу, излучающая часть «ЕН антенны», рассчитанной на длину волны λ - 30 метров, имеет внешние габариты 315 х 460 мм. Для сравнения: полуволновой «диполь Герца», работающий на частоте 10 МГц, имеет длину 15 метров!
При этом миниатюрная «ЕН антенна» может работать с той же эффективностью, что и полуволновый «вибратор Герца». Удивительного в этом ничего нет. Мы ведь не удивляемся тому факту, что есть светильники с большой площадью излучающей поверхности, дающие умеренный свет, а есть точечные светильники, создающие ослепительно яркий свет.
Сильно укороченная ёмкостная радиолюбительская антенна (в данном случае укороченная более чем в 30 раз) как раз таки подобна точечному источнику света.
Основная проблема всех радиолюбителей, которые уже предпринимали попытки построить такие ЕН антенны собственноручно, но которые в итоге так и не смогли заставить их работать, заключалась в непонимании, что же надо настраивать в этих сильно укороченных ёмкостных антеннах, подкупающих многих своими размерами и кажущейся простотой.
Сам изобретатель Тед Харт в своей брошюре «Введение в ЕН антенны» написал по этому поводу следующее:
«…Вы создали что-то, что хотели бы, чтобы работало как антенна. Однако, если Вы не настроите антенну правильно, Вы будете иметь только груду материала, который ничего не будет стоить. И так, чтобы преобразовать сделанное Вами устройство в красивую для глаза вещь, пожалуйста, прочитайте и поймите следующую информацию, а затем примените её правильно. Если Вы всё сделаете правильно, Вы будете иметь хорошую антенну. Если Вы решаете настраивать эту антенну таким способом, как Вы настраиваете обычные антенны Герца, то считайте, что все ваши предыдущие усилия были потрачены впустую, и Вы никогда не будете иметь пользы от этой антенны. Многие из таких антенн лежат в куче отходов, и многие радиолюбители осуждают ЕН антенну потому, что они не пытались понять концепцию этой антенны и должным образом настроить её…»
Давайте рассмотрим теперь вариант исполнения «ЕН антенны» с цилиндрическими ёмкостями-излучателями.
Как мы видим, здесь всё то же самое, что и в «ЕН антенне» с плоскими излучателями, только добавлена «фазирующая катушка». Её назначение - компенсация на частоте излучения той паразитной электрической ёмкости, которая образуется между нижним излучающим цилиндром и проводом, проходящим в центре трубы и служащим для соединения верхнего излучающего цилиндра с верхним выводом индукционной катушки настройки. Этот соединительный провод по-другому никак не расположить, это самое рациональное решение, найденное Тэдом Хартом.
Также мы имеем паразитную ёмкость между обоими излучающими цилиндрами в силу их близкого расположения друг к другу. Эти паразитные ёмкости суммируются с поверхностной электрической ёмкостью цилиндров, которая работает на излучение радиоволн.
Соответственно, при попытке настроить эту антенну по LC резонансу как обычный колебательный контур, она излучать радиоволны не будет. В этом и состоит главная трудность в её настройке.
В LC резонансе, который обязательно должен быть, ведь «ЕН антенна» как и полуволновой «диполь Герца» работает как «открытый колебательный контур», должна участвовать только поверхностная электрическая ёмкость излучающих цилиндров и индуктивность катушки настройки.
Чтобы выполнить это условие, все имеющиеся паразитные ёмкости надо полностью скомпенсировать изменением индуктивности катушки настройки и фазирующей катушки. Поэтому Тед Харт и называет процесс настройки сильно укороченной ёмкостной антенны её «правильным фазированием».
Кроме того, точка отвода от «катушки настройки» для согласования с 50-омной линией питания также требует кропотливого подбора, при этом её малейшее смещение вверх или вниз отражается на всех характеристиках «ЕН антенны». В этой связи, чуть изменив точку отвода, надо корректировать уже сделанную фазировку антенны. У некоторых новичков на этот процесс настройки может уйти несколько дней, у некоторых - несколько часов. А за 5 минут точную настройку «ЕН антенны» не выполнить однозначно!
Как правильно и с наименьшими трудозатратами это делать, можно прочесть в книге Теда Харта «Введение в ЕН антенны» и на радиолюбительском сайте Владимира Кононова: http://ehant.qrz.ru
Надеюсь, что вся эта информация окажется многим полезной.
Приложение: «Поперечные колебания электромагнитного поля оказались мифом!».
4 апреля 2021 г. Мурманск. Антон Благин