Забытая правда о ёмкостных антеннах
От автора: эту статью я рекомендую всем радиолюбителям а также всем будущим радиоинженерам, интересующимся теориями электричества и радиоволн.
Мой друг из Санкт-Петербурга Владимир Васильевич Кононов, ведущий инженер НПП «Авиационная и морская электроника» и по совместительству заядлый радиолюбитель (позывной UA1ACO), уже много лет увлечён конструированием и расчётом сильно укороченных ёмкостных радиоантенн, получивших название «ЕН антенна». В 1996 году, 35 лет назад, эти сильно укороченные радиоантенны изобрёл американский инженер Тед Харт, который тоже по совместительству и по сей день является заядлым радиолюбителем (позывной: W5QJR). На этой почве В.Кононов и Т.Харт однажды и познакомились.
Владимир Васильевич, когда узнал, что можно строить антенны в 20 - 40 - 60 и даже в 80 раз уменьшенные по сравнению с полуволновым «диполем Герца», рассчитанным на ту же частоту, сразу же попытался самостоятельно по опубликованным чертежам и таблицам изготовить несколько экземпляров таких «ЕН антенн», однако, настроить их, чтобы они эффективно работали, у него не получилось. Тогда он обратился напрямую к Теду Харту, как радиолюбитель к радиолюбителю, и тот объяснил ему особые нюансы настройки этих сильно укороченных ёмкостных антенн.
Оказалось, что их настройка без специальных приборов невозможна, так как частота LC резонанса «ЕН антенн» не совпадает с частотой их излучения!
Владимир Кононов и созданная им «ЕН антенна» на частоту 7 МГц (λ - 40 м).
В настоящее время Владимир Васильевич как работник научно производственного предприятия успешно конструирует укороченные ёмкостные антенны для нужд заказчиков, рассчитывая их на СВ - КВ - УКВ радиодиапазон, а как радиолюбитель он охотно делится своим богатым опытом с другими радиолюбителями. Недавно он записал и выложил в Сеть видео «ЕН-антенны UA1ACO», где рассказал следующее:
«Ёмкостные антенны, или как их называют «ЕН антенны», не являются новыми изобретениями. Антенны такого типа появились почти 90 лет назад. В журнале «Радио всем» ещё в 1928 году была опубликована статья одного из радиолюбителей Советской России, который использовал такую ёмкостную антенну в составе своего радиопередающего устройства…».
Журнал «Радио всем» за сентябрь месяц 1928 г., «QRP для летней работы», стр. 43-45.
Комментарий А.Б: здесь я считаю своим долгом внести точность: история ёмкостных антенн на самом деле начинается гораздо раньше. Не с 1928 года, а с 1888 года, со дня экспериментального открытия немецким физиком Генрихом Герцем радиоволн.
Полуволновой «вибратор Герца», он же «диполь Герца», располагавшийся в пространстве горизонтально, был самой первой ёмкостной радиопередающей антенной. Он представлял собой открытый LC колебательный контур, содержащий токопроводящие стержни, играющие роль индуктивностей, с присоединёнными к ним металлическими сферами, играющими роль электрических ёмкостей:
На этом рисунке представлена радиопередающая установка Герца в сборе, включая электрическую батарею.
На рисунке ниже представлен сам «диполь Герца», установленный горизонтально на деревянной основе. Чтобы он начал излучать радиоволны, в точки расположения сферических наконечников необходимо подвести высокое напряжение (и даже не обязательно переменное, можно и постоянное!), достаточное по силе для образования между сферическими наконечниками искрового пробоя.
Если кого-то удивили мои слова, что представленный здесь «диполь Герца» может излучать радиоволны даже при запитывании его высоким постоянным напряжением, я раскрою вам секрет: вы видите перед собой на рисунке не просто «диполь Герца», это, прежде всего, в буквальном смысле «вибратор Герца», самодостаточная электрическая установка, в которой за счёт искрового пробоя (и короткого замыкания), образующегося между внутренними сферическими наконечниками происходит преобразование высоковольтного постоянного или переменного низкочастотного напряжения (за счёт LC резонанса) в переменное высокочастотное напряжение, создающее в плечах диполя затухающую стоячую волну поверхностной электронной плотности (об этом я расскажу позже), амплитуда которой меняется с частотой LC резонанса.
Роль резонансных LC контуров (сразу двух контуров, расположенных в пространстве зеркально друг другу) играют металлические стержни (L) и металлические сферы (С).
Кстати, именно по той причине, что каждое плечо диполя представляет собой LC контур, и можно легко превратить полуволновой «вибратор Герца» в четвертьволновой вибратор, убрав один LC контур (то есть одно плечо).
Вертикальная резонансная четвертьволновая антенна.
Хочу обратить внимание читателя, что в опытах Герца его полуволновой резонансный излучатель радиоволн, названный впоследствии «вибратором Герца», запитывала высоковольтная индукционная катушка Румкорфа с механическим прерывателем, которая вырабатывала переменное напряжение до 200 тысяч вольт с частотой всего 10-30 Гц. При этом излучались радиоволны с частотой в десятки МГц. Вот почему я говорю, что с таким же успехом можно было подключить к «вибратору Герца» и источник высокого постоянного напряжения, да хоть электрошокер! Полуволновой «вибратор Герца» всё равно бы излучал радиоволны.
Схема индукционной катушки Румкорфа, которая использовалась для опытов Герца.
Цитирую далее видеорассказ Владимира Кононова: «Эта публикация в журнале «Радио всем» за 1928 год говорит о том, что новое - чаще всего есть хорошо забытое старое. Если бы 93 года назад автор этой публикации провёл ряд экспериментов с ёмкостными антеннами и задумался о принципе их работы, то он бы сумел создать антенну, работающую на порядок более эффективно, чем представленная на его рисунке (с параллельно расположенными ёмкостными пластинами).
В свете современных знаний и большого накопленного опыта мы теперь это знаем. Чтобы перейти к рассмотрению работы ёмкостных антенн мы должны сейчас вспомнить школьный курс физики, где рассказывается о LC колебательных контурах.
«ЕН антенна» (равно как и «диполь Герца», комментарий А.Б.) - это последовательный колебательный LC контур, в котором роль излучателя играет конденсатор C. Но этот излучающий конденсатор - вовсе не обычный плоский конденсатор!
Как мы знаем из курса физики, плоский конденсатор представляет собой две параллельно расположенные пластины и работает он как аккумулятор (накопитель) электрической энергии. При его заряжании, между пластинами сосредоточена вся энергия электрического поля. Наружу она практически не выходит.
При замыкании такого конденсатора на катушку индуктивности L, работающую как аккумулятор (накопитель) энергии магнитного поля, образуется закрытый колебательный LC контур. Он не способен излучать радиоволны.
Чтобы он всё же стал излучать радиоволны, его надо превратить в открытый колебательный LC контур, для этого пластины конденсатора C нужно развернуть в пространстве…»
Я добавлю от себя: их надо развернуть в пространстве так, чтобы электрическая ёмкость между пластинами оказалась по возможности наименьшей.
На верхнем рисунке показано неправильное разворачивание пластин конденсатора для образования открытого колебательного контура. При таком положении пластин конденсатора наименьшая ёмкость не достигается.
На этом рисунке показано правильное разворачивание пластин конденсатора и превращение его в хорошо работающий элемент открытого колебательного контура.
Обращаю внимание читателя на следующее: этот фокус с мысленным разворачиванием пластин конденсатора не так прост, каким он кажется на первый взгляд. Он как бы призван облегчить всем понимание, почему закрытый колебательный LC контур не излучает радиоволны, а открытый колебательный LC контур (это прежде всего «диполь Герца») их излучает.
Представление о том, что в открытом колебательном контуре непосредственно электрическая ёмкость излучает радиоволны, за 133 летнюю историю эры Радио породила множество заблуждений.
Пожалуй, свидетельством самого дремучего заблуждения по поводу излучающей ёмкости является патент №676332 от 11 июня 1901 года. Он был выдан итальянскому инженеру Гульельмо Маркони, который считается на Западе одним из создателей Радио. Запатентованный Маркони в 1901 году «аппарат для беспроводной телеграфии» не мог работать в принципе!
Гульельмо Маркони почему то решил, что он сможет заставить работать на излучение и на приём в качестве антенн вот такие трубчатые конденсаторы:
Разумеется, телеграфный аппарат для беспроводной связи с такими конденсаторами, использованными в качестве антенн, оказался мёртворождённым изобретением. Ну и, соответственно, свои денежки за получение патента Гульельмо Маркони потратил тогда напрасно!
Мне было интересно узнать, как прокомментировал сей конфуз господина Маркони гений электричества, американский инженер сербского происхождения Никола Тесла. В своей статье «Теория и техника передачи энергии» он написал по этому поводу следующее:
«Вот, например, попытка создать антенну с очень большой ёмкостью, в качестве которой использованы концентрические цилиндры. Я уже объяснял эту ошибку, но в другом аспекте. Ёмкость между этими двумя проводниками не имеет абсолютно никакого отношения к ёмкости, которая производит передачу электрической энергии на расстояние. Это чисто и, абсолютно локальное изменение, просто средство для потери энергии. Такие ошибки, как эта, Вы можете найти во всей технической литературе…»
Какая же тогда электрическая ёмкость работает на излучение радиоволн в открытом колебательном контуре?!
И понимает ли механизм излучения радиоволн этой ёмкостью Тед Хард, изобретатель «ЕН антенны», и наш российский инженер-конструктор «ЕН антенн» Владимир Кононов?
Забегая вперёд, скажу, что, на мой взгляд, нет, оба не понимают! И для меня это просто удивительно.
Снова цитирую рассказ Владимира Кононова: «…Чтобы конденсатор начал излучать, его пластины надо развернуть в пространстве. Развернув конденсатор в пространстве, мы получим две плоскости или два цилиндра, даже не важно, какая конфигурация будет, и между обкладками этого конденсатора пойдёт ток смещения.
Рисунок В.Кононова.
Данное утверждение уважаемого мною Владимира Васильевича указывает на то, что он не видит разницы между вот таким мысленным развёртыванием конденсатора (описанным в большинстве российских учебников)…
… и вот таким развёртыванием, представленным в японском учебнике:
А ведь разница очень существенная в этих мысленных разворачиваниях обкладок конденсатора! В первом случае пластины просто раздвигаются, но остаются параллельными друг другу, при этом ёмкость получившегося конденсатора уменьшается значительно, но она всё равно остаётся существенной, а во втором случае она не просто уменьшается, а стремится к нулю! Ведь пластины обращены друг к другу тонкими торцами!
И если так, если создание открытого колебательного контура заключается в достижении минимальной ёмкости между излучающими пластинами или цилиндрами (любая остаточная ёмкость является паразитной!), тогда о каком важном (работающем на излучение) токе смещения между плечами «диполя Герца» или между пластинами или цилиндрами в «ЕН антенне» может идти речь?!
Это ведь явное непонимание смысла работы открытого колебательного контура!
Продолжение здесь: https://blagin-anton.livejournal.com/1117078.html