Text
                    
К.П.ХАРЧЕНКО
<1
АНТЕННЫ-
РУПОРЫ
без видимых стеиок
9	Г. Бевередж - 1918	9
Линейный проводник с бегущей волной - антенна Бевереджа
Г. Губо - 1950
Линейный проводник с бегущей волной - волновод без видимых стенок

ТЕЛЯ ВЫПУСК 4 К. П. Харченко КВ АНТЕННЫ-РУПОРЫ БЕЗ ВИДИМЫХ СТЕНОК Почему и как излучают линейные антенны бегущей волны. Конструкции. Комплексы. Поля. ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ РадиоСофт МОСКВА 2003
УДК 621.3 ББК 32.845 Х22 Харченко К. П. Х22 КВ антенны-рупоры без видимых стенок. — М.: ИП РадиоСофт, 2003. — 96 с.: ил,— (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 4) ISBN 5-93037-101-6 Поиск условий увеличения коэффициента усиления (КУ) антенны Бевереджа при- вел к изобретению антенны ОБ-Е. На проводнике новой антенны обнаружен неиз- вестный ранее волновой процесс с получением результата КУОБ.Е®40КУБевереджа при равных геометрических длинах и диаметрах проводников антенн с бегущей волной тока, размещенных над одной и той же «землей». Окрепло сомнение, что уравнения Максвелла в традиционной записи способны описывать процесс излучения радиоволн линейными проводниками, в частности и для бегущих волн, так как представляется, что в них отсутствует тот ток, который обусловливает появление радиоволн. Предложено ввести этот дополнительный ток смещения. Открытые новые физические возможности излучения радиоволн реализованы на практике с огромным технико-экономическим эффектом: в самой антенне ОБ-Е, антенном комплексе ОБ-Е, антенном поле «Гамма», лучевой антенне. Повествование ведется на фоне изречений ученых оппонентов с противопостав- лением им логики фактов. Изложение материала и стилистические особенности оставлены в авторской ре- дакции. Издательство не берет на себя ответственность давать оценку пред- ставленному материалу. УДК 621.3 ББК 32.845 ISBN 5-93037-101-6 © К. П.. Харченко, 2003 © Оформление. Издательское предприятие РадиоСофт, 2003
Г.А. Лаврову, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники моему научному ментору посвящается
Содержание Как это было....................................................5 Глава I. Линейные антенны бегущей волны.........................9 Прямолинейный цилиндрический проводник как объект радиотехники.9 Антенна ОБ-Е. Линейный проводник — рупор без видимых стенок...22 Глава II. Практика проектирования и применения ОБ-Е...........69 Антенный комплекс ОБ-Е......................................69 Антенное поле «Гамма».......................................75 Глава III. Лучевая антенна....................................79 Клиновидный плоский линейный проводник-антенна квазибегущей волны без потерь в системе «проводник—земля».79 Приложение....................................................86 Заключение........д...........................................92 Литература......................................................94
С годами у многих, даже действительно крупных ученых, возникает, мягко выражаясь, некритическое отношение к собственным рабо- там, желание защитить полученные ими резуль- таты, даже целые системы взглядов от подкопов времени. Жаль трудов целой жизни, дорог вы- сокий и непогрешимый авторитет. И тогда, бы- вает, ученый пускается на резкую критику того нового, что ставит под сомнение правильность собственных его результатов. Некрасиво, но что делать... Рыдник В. И. Жизнь замечательных идей Как это было Путь первопроходца труден и тернист. Иллюстрацией служат некоторые цитаты из различных заключений, рецензий, отзывов и т.п. документов, которые сопут- ствовали автору в процессе его многолетней работы. «Материалы т. Харченко К. П. посвящены вопросам повышения эффективно- сти... антенн... типа ОБ. Предлагаемое им техническое решение позволит, по его мнению, увеличить коэффициент усиления антенн этого типа.... Влияя на режим работы линии, подъем заземлений не изменяет самой системы «провод—земля». В мировой литературе и практике на сегодняшний день существует прове- ренное экспериментально строгое решение электродинамической задачи о сис- теме «провод—земля» (Лавров Г. А. Докт. дисс., 1958, Мытищи; Лавров Г. А., Князев А. С. «Приземные и подземные антенны», «Советское радио», М., 1965)... В связи со всем изложенным выше не могут быть приняты к рассмотрению предоставленные автором результаты экспериментальных испытаний... Двльнейшее рассмотрение материалов т. Харченко К.П. необходимо пре- кратить...» Сафронов П. М., начальник отдела в/ч «По мнению специалистов части, применение на радиоцентрах антенн типа ОБ-Е и их аналогов — «лучевых антенн» нецелесообразно». Федоров В. Д., заместитель командира в/ч «Публикация материалов по антеннам типа ОБ-Е... недопустима, так как она дезориентирует читателей и может привести их к ошибочным решениям... нанести материальный ущерб и заметный ущерб престижу советской науки в области антенных устройств коротких волн». Трошин Г. И., Д.Т.Н. 5
«Описанный в статье вариант антенны бегущей волны отличается от приме- няемых в настоящее время использованием... приподнятых над землей противо- весов, что, по мнению автора, повышает ее эффективность. Такое утверждение является ошибочным... статью нельзя рекомендовать для публикации». Кузнецов В. Д., профессор «Электрические характеристики антенны ОБ-Е не могут заметно отличаться от электрических характеристик классической антенны ОБ..... считаю нецелесо- образным публикацию...». Белоусов С. П., канд. т. н. «... использование антенны ОБ-Е в реальных условиях не дает никаких пре- имуществ, по сравнению с антенной Бевереджа... считаю публикацию этой статьи невозможной». Ямпольский В. Г., профессор И ЕЩЕ... «В статье изложены результаты экспериментального исследования антенн бегущей волны, подтверждающие интересный для практики факт, что изме- нение схемы питания оказывает существенное влияние на распределение полей вдоль провода с бегущей волной и, как следствие, на направленные свойства антенны. В частности, удается за счет изменения длины противовесов управлять поляризационными характеристиками антенны, получить выигрыш в КУ. Все ре- зультаты... получены на макете в лаборатории кафедры антенн МИС при моем непосредственном участии... ...публикация данной статьи целесообразна и вызовет интерес специалистов по коротковолновым антеннам». «...Насколько мне известно, подобное исследование выполнено впервые Харченко К. П. К сожалению, до настоящего времени отсутствует удовлетворительная трак- товка обнаруженного эффекта». Вольман В. И. д.т.н., профессор «...нами с 1980 г. и по настоящее время эксплуатируются две антенны типа ОБ-Е... Работа на антеннах ведется круглосуточно и круглогодично. Практическое ее использование на протяжении длительного времени показало, что она не уступает по своим данным антеннам типа БС-2... считаем, что данная антенна в будущем должна найти широкое применение. ...необходима разработка со- ответствующей документации для внедрения антенны ОБ-Е в Практику». И. Сафонкин, начальник в/ч 6
«...нами проведены натурные испытания антенного комплекса ОБ-Е... При этом 150 по функциональной эффективности антенна ОБ-Е-^ заметно превосходит ан- тенну 4 ...антенный комплекс ОБ-Е целесообразно использовать как на специа- лизированных приемных радиоцентрах, гак и на приемных радиоцентрах узлов связи». П. Шмырев, командир в/ч «Высылаю в Ваш адрес акты работы комиссии по сравнительным испытаниям антенного поля типа «Гамма». Его испытания и полугодовой период эксплуатации показывают, что антенное поле «Гамма» по техническим и оперативно-тактическим показателям превос- ходит все имеющиеся в настоящее время в нашем распоряжении типы антенных полей аналогичного функционального назначения. ...антенное поле «Гамма» можно отнести к самым компактным и экономичным полноазимутальным антенным полям, надежным и удобным в эксплуатации и обслуживании... Мы испытываем неотлагательную потребность в срочной постройке объ- ектов типа «Гамма». Е. Коваленко, командир в/ч Налицо два противоположных мнения авторитетных людей: от «прекратить рас- смотрение» и «публикация недопустима» до «обнаружение нового физического эффекта» и «потребности в срочной постройке объектов «Гамма». Одно мнение зиждилось на собственных знаниях оппонентов без какого-либо участия в наших исследованиях (хотя неоднократные приглашения были), другое формировалось на собственном опыте оппонентов, участвовавших в тех же ис- следованиях. Напомним, что антенны - это такие устройства, которые излучают (принимают) радиоволны. Г. А. Лавров дал строгое решение электродинамической задачи о системе «провод—земля» [1], [2]. (Назовем это решение «волной Лаврова» в честь и па- мять ее творца.) Волна Лаврова оказалась медленной поверхностной волной, которая переносит энергию колебаний вдоль проводника, не создавая радиоволн! Я поделился с Г. А. Лавровым результатами экспериментов по КВ антенне ОБ-Е. Он, опираясь на свое строгое решение, отрицал саму возможность суще- ствования такой антенны (отказываясь, впрочем, увидеть ее в натуре). Я, в свою очередь, подвергал сомнению «строгость» его решения, указывая на имеющуюся техническую некорректность ввода ЭДС возбуждения в проводник. Возник «идео- логический» конфликт. Волна Лаврова породила ряд недомолвок на фоне уже имевшихся на практике антенн бегущей волны: однопроводной Бевереджа [3], ромбической, V-образной. Наложила «запрет» на право существования антенны ОБ-Е [4], [5]. Закрыла область существования «быстрой волны» Зоммерфельда (6]. Обратила в утопию идеи Пистолькорса по созданию антенн бегущей волны с волноводным характером 7
распространения колебаний [7]. Противоречила эффекту «многопроводности» ан- тенны бегущей волны, отмеченному Белоусовым и Ямпольским [8]. Однако, как оказалось, неясные вопросы работы антенны бегущей волны раз- решаются с использованием понятия волны Лаврова и без нее теория этих антенн представляется незавершенной. Как следует из [1] и [2], сам Г. А. Лавров не подозревал о той роли полученного им решения, которую оно может иметь в процессе излучения радиоволн провод- ником с бегущей волной. Скажем больше. Антенну ОБ-Е должен был неотвратимо изобрести именно он еще на этапе формулировки задачи своей докторской диссертации (если бы придерживался технических приемов ввода ЭДС возбуждения в проводники). Обширная информация по антеннам с бегущей волной, накопленная с 1923 г., как показывает анализ по ряду принципиальных вопросов, попросту говоря, имеет пробелы, поэтому разделы монографий по антеннам с бегущей волной тока на проводниках и, естественно, учебники нуждаются в коррекции. Наши результаты исследований экспериментального и теоретического планов позволяют понять перечисленные выше «недомолвки», объяснив причины их воз- никновения. Так, в частности, эти результаты: v — позволяют говорить о новом волновом процессе, неизвестном науке и практике на конец 1979 г.; — дают ключ к ответу на вопрос: почему устройства из проводников с бегущей волной могут быть антеннами?; — реализованы на практике с большим технико-экономическим эффектом. С момента создания антенны ОБ-Е (конец 1979-го — начало 1980-го) по настоящее время прошло более 20 лет. Многих оппонентов уже нет в живых. Сопоставление известных фактов с полученными впервые, их анализ и выводы как результат многолетних усилий и размышлений предоставляются читателю в совокупности с рекомендациями по конструированию антенны ОБ-Е, антенных комплексов ОБ-Е, антенных полей «Гамма», лучевой антенны. Для любознательных будет не лишней библиография, ссылки на которую даны по тексту. Их авторы внесли свою лепту в тот мир науки и техники, который сегодня интересует и вас. Много добросовестных, бескорыстных и трудолюбивых людей помогало мне в работе по «проталкиванию» нового в жизнь. Их фамилии не забыты. Моя им благодарность! Вам удачи в делах! Автор 8
Глава I ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ПРЯМОЛИНЕЙНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПРОВОДНИК КАК ОБЪЕКТ РАДИОТЕХНИКИ • Линейным принято называть устройство, поперечный размер а которого много меньше его длины 4, d«L. В нашем случае еще и длина L должна быть больше {желательно много больше), чем длина волны X, 4»Х. Прямолинейный цилиндрический проводник подкупающе прост и конструктивно удобен для практического использования. Можно полагать, что это обстоятельство побудило Г. Бевереджа в 1918 г. в Америке применить такой проводник в качестве приемной направленной антенны, проложив его параллельно поверхности земли на небольшой высоте и специально нагрузив концы. Так зародилась первая антенна бегущей волны, получившая имя ее создателя. В дальнейшем, чтобы не повторяться, будем употреблять термин «проводник», имея при этом в виду, что он прямолинейный и цилиндрический. Если от принятого будут отклонения, то на этот случай последуют специальные оговорки. Схема антенны Бевереджа дана на рис. 1. Рис. 1. Схема антенны Бевереджа 1 — поверхность земли; 2,8 — проводники заземления; 3 — приемник; 4,6 — проводники снижения; 5 — проводник с бегущей волной; 7 — резистор-нагрузка Концом антенны является снижение с резистором. На корреспондента антенну ориентируют ее концом. Антенна Бевереджа имеет устоявшуюся маркировку ОБ-£ (однопроводная, п бегущей, L — длина проводника с бегущей волной, м; h — высота его подвеса над землей, м [10])*. Карсон [13] дал инженерное решение для антенны Бевереджа, рассматривая ее как двухпроводную несимметричную линию, где роль обратного проводника выполняет реальная земля. Он показал, что КПД такой антенны очень мал, естественно, мал и коэффициент усиления (КУ) вследствие больших потерь в земле и резисторе. • Такая маркировка, по Айзенбергу, не соответствует Карсону [13]. Карсон рассматривает антенну Бевереджа как несимметричную «двухпроводную» антенну бегущей волны. 9
Айзенберг [10] сообщав!, что параллельное соединение двух антенн ОБ с разносом 5 между ними всего в несколько метров значительно повышает КУ одиночного проводника, особенно над почвами выс экой проводимости. Точнее было бы сказать, что КПД антенны Бевереджа значительно увеличива- ется, если вместо одиночного проводника диаметром d применить двойной про- водник с эквивалентным диаметром t/3. При этом если реально имеет место t/a 2-я Змм, а5» 2-г-Зм,то t/3 » ® 80 мм, получается, что d3»d. Другими слозами, увеличение диаметра проводника с бегущей волной приводит к увеличению К. <Д антенны Бевереджа. Запомним этот вывод. Факт существования линейной антенны бегущей волны пробудил интэрее мно- гих исследователей [2], [8], [12], [14], [15] к вопросам, связанным с физикой процессов, протекающих на ее проводнике, и попыткам ее улучшить. Рассматривая полученные ими результаты, определимся вначале с термино- логией, чтобы однозначно понимать то, с чем идет речь. Согласно Уолтеру [9], бегущие волны подразделяются на медленные и быстрые. Для медленной волны фазовая скорость распространения У меньше скорости света С, отношение V/C<1. Для быстрой волны, наоборот, 1//С>1. Сред,л бегущих волн различают: — вытекающие волны; — поверхностные волны. вытекающая волна — это такая бегущая волна, энергия которой вдоль структуры без потерь непрерывно уменьшается за счет излучения (за счет образования радиоволн), а вдоль структуры с потерями непрерывно уменьшается и за счет потерь в структуре, и за счет излучения. Поверхностная волна — это такая бегущая волна, которая распространяется вдоль структуры без излучения. Все поверхностные волны являются волнами медленными. Вытекающие волны могут быть и медленными, и быстрыми. Из перечисленного логически следует важный вывод: быстрая бегущая волна является обязательно волной вытекающей. Немецкий Физик-теоретик А. Зоммерфелвд, решая задачу о возбуждении про- водника периодическими во времени колебаниями, получил два ответа. Один из них соответствовал медленной V<C поверхностной волне. Второй — соответствовал быстрой V>C вытекающей волне. Сам Зоммерфельд так трактует второе решение: «Во втором случае не могут существовать волны, распространяющиеся по проводу; их должны были бы под- держивать специально расположенные на бесконечности источники энергии...» [6, с. 252]. А. А. Пистолькорс в 1953 г., рассматривая провод у границы раздела двух сред [7], тоже пришел к случаю быстрых (У>С) волн. Он не сразу отказался от них, а определил, что этот случай соответствует волноводному характеру распро- странения колебаний. Не имея возможности подкрепить свой вывод на практике, ученый пишет, что он не видит физических предпосылок в решаемой задаче и поэтому вынужден исключить случай быстоых волн из рассмотрения. Таким образ >м, быстрым волнам не повезло и о них надолго забыли. Науке и практике ничего не оставалось более, как оперировать с волнами медленными (У< С). Перейдем к рассмотрению существующих методов расчета антенн бегущей волны, связанных с излучением радиоволн. Для этого обратимся к азам вопросов излучения [11]. 10
Антенна имеет зазор между проводниками (клеммы), в который включают ЭДС возбуждения. Под действием этой ЭДС по проводнику течет электрический ток, а во внешнем пространстве появляется электрическое поле (в дальнейшем просто поле). На расстоянии г» А (в дальней зоне) оно переходит в поле сферической волны, которая характеризуется функцией Q-ikr Г (1.1) Эта функция указывает на то, что амплитуда поля убывает обратно пропор- ционально расстоянию г от центра излучателя, а ее фаза запаздывает по мере удаления от излучателя и равна 2тгг/А, т.е. совершает полный оборот на отрезке пути, равном длине волны X (£=2л/А называют волновым числом свободного пространства). Возьмем поле от вибратора Герца в свободном пространстве как пример для изучения, рис. 2, где дана его схема. Здесь и в дальнейшем ЭДС возбуждения будем обозначать как Вибратор (диполь) Герца имеет такие особенности: его длина L=2(«A мала по сравнению с длиной волны, а ток по всей длине одинаков и равен 1„. (По распределению тока вибратор Герца похож на антенну бегущей волны, у которой по всей длине проводника ток тоже одинаков и равен 1„ — току падающей волны.) Электрическое поле Е, создаваемое вибратором Герца на больших расстояниях г, имеет вид Е = _j!^sin6e-rtr (1.2) где 6 — угол между осью вибратора и направлением на точку наблюдения М, в которой определяется поле. Рис. 2. К расчету поля излучения от вибратора Герца Поле Е представляет собой вектор, который ориентирован перпендикулярно направлению распространения г и лежит в меридиональной плоскости, проходящей через ось вибратора и точку М. Магнитное поле Н в точке М направлено перпендикулярно плоскости рис. 2, т.е. направлено по параллели сферы, проходящей через точку М. Ось этой сферы совмещена с осью вибратора, а центр сферы совпадает с центром вибратора. Поле Н равно « = £/120л, (1.3) 11
где величина 120л ~ 377 в омах представляет собой волновое сопоотивление свободного пространства. Как видно из (1.2), распределение поля в пространстве зависит от угла 6 как функция F(6) = Sine. (1.4) Выражение (1.4) это и есть диаграмма направленности (ДН) диполя Герца. Она будет одинаковой для любой меридиональной плоскости, так как простран- ственная характеристика направленности имеет вид поверхности тороида с диа- метром внутреннего отверстия, равным нулю. Таким образом, линейный вибратор (как частный случай диполь Герца) вдоль оси не излучает. Практику в основном интересует величина мощности Ps, которую излучает антенна при заданной мощности Ро источника (передатчика) и амплитуде тока 1п на ее клеммах. Мощность излучения можно определить методом вектора Пойнтинга. Для этого антенну (в нашем случае диполь I ёрца) окружают замкнутой сферической поверхностью большого радиуса для обеспечения дальней зоны (см. рис. 2). Потом находят вектор Пойнтинга, соответствующий каждому элементу М рас- сматриваемой сферы. Вектор Пойнтинга указывает направление движения энергии и по величине определяет плотность ее потока в данной точке. Затем суммируют энергию, проходящую через все элементы поверхности. (Определяют весь электромагнитный поток энергии, который проходит через поверхность сферы.) Этот результат и будет равен мощности излучения Ps. Если в пространстве и проводниках антенны омических потерь нет, то Р1=Ро- Вектор Пойнтинга П равен векторному произведению: П = [Ё-Н]. (1.5) Для диполя Герца с учетом (1.3) из (1.5) получим С учетом (1.2) после суммирования по сфере можно получить выражение для мощности излучения диполя Герца Ps = 20(W)2/2. (1.7) По закону Ома ГР = Р, где I — ток в цепи, R — сопротивление той же цепи; Р — мощность, рассеиваемая на R. Формально выражение (1.7) тоже можно представить по закону Ома в виде Ps-fa. (1-8) Сопротивление называют сопротивлением излучения. Оно является одной из основных характеристик антенны длиной L на данной волне X. Для расчета ДН уединенного проводника с произвольной длиной L с заданным распределением тока на нем поступают следующим образом. Делят длину £ на л равных элементов так, чтобы каждый из них походил на диполь Герца, рис. 3. Поле в произвольной (любой) точке М, находящейся на сфере радиуса r»£»X. (см. предыдущий пример), находят как векторную сумму полей, приходящих в точку М от каждого из п элементов проводника. При этом для стоячей волны тока на проводе в условиях пренебрежения омическими по- "82
терями в среде распространения радиоволн и материале провода совпадение результатов расчета и результатов эксперимента нареканий не вызывают. Расчеты мощности излучения Р£ и сопротивления излучения R1 = Pi/f с использованием предшествующих выкладок также не вызывают сомнений ни в численных резуль- татах, ни в логической завершенности, если учесть, что /?£ отнесено к тому сечению проводника, в котором определен ток I. Так, например, если ток 1=1„ равен току в пучности и при этом сечение проводника совпадает с тем сечением, к которому приложена ЭДС источника колебаний, то считают, что /?Е = ЯВх (сопротивление излучения равно входному сопротивлению проводника), а РС=1^РВХ=1^Р^ = Рг. (мощность источника колебаний равна мощности излучения). Рис. 3. К расчету поля излучения от уединенного проводника длины 4 Совершенно аналогично вышесказанному поступает, например, [10] и с уеди- ненным проводником произвольной длины L, задавая на нем распределение тока в виде бегущей волны с фазовой скоростью распространения по проводу l/= С и постоянной амплитудой In=const в каждой точке проводника. Получаемая при этом ДН проводника длиной L оказывается осесимметричной и напоминает конусообразную воронку. Ее нормированное к максимуму выражение имеет вид где Хо = л/( 1 - cose) А. Этот метод, называемый «классическим», иногда «токовым», прочно вошел в «кровь и плоть» антенн бегущих волн, заполонив все монографии и учебники в соответствующих теме разделах. А между тем, как видно, остаются открытыми, по крайней мере, два инженерных вопроса и один неочевидный теоретический вопрос о возможности применения уединенного провода длиной L как антенны бегущей волны. Первый: как ввести в него ЭДС возбуждения? Второй: как обеспечить на нем режим бегущей волны? Третий: будет ли создавать структура полей Е и Н в бегущей волне вдоль проводника так называемую радиальную составляющую вектора Пойтинга? Если следовать Губо [32] и Лаврову [1], [2], то выражение (1.9), являясь математически безукоризненным, одновременно является математической абст- ракцией в приложении к физической задаче по излучению проводника с поверх- ностной волной. Если следовать Айзенбергу [10], то нетрудно показать, что нарушаются соот- ношения между RBx, R±, RH и Zo, где Zo — волновое сопротивление проводника с бегущей волной тока на нем, ибо Zo не зависит от параметра L/Х, а Яг, а значит 13
и ^вх> — зависит, в то время как на проводнике с бегущей волной должны выполняться соотношения /?BX=/?£=Z0 = /?H. Далее возникают нестыковки и энерге- тического плана. Как обеспечить равенство P0=ps+^h> где Рн — мощность, выде- ляемая в нагрузочном сопротивлении- Лн, величина которого численно равна Zo — волновому сопротивлению проводника; RH=Z0. Здесь дополнительно возникает еще и необходимость в оперировании двумя токами, различными по природе. Один из них должен быть током проводимости для расчета Рн=/12/?н, а второй — током смещения для расчета Pt=I%RL. При этом должно выполняться соотношение IBX=J1+I2. где 1ВХ — ток на клеммах антенны и, соответственно, P0 = IBXZ0 — мощность источника колебаний. Другими словами, источник [10] определяет поле дальней зоне через ток, который задан на проводнике в виде бегущей волны. На самом же деле поле в дальней зоне должно быть определено лишь частью тока, бегущего по провод- нику, так как для проводников конечной длины обязательно есть мощность, вы- деляемая в нагрузочном сопротивлении. (Какие-то причины не позволяют всю мощность, переносимую бегущей волной, трансформировать в мощность радио- волн.) Источник [10] (да и другие) на эти обстоятельства даже не намекает. В дальнейшем будем пользоваться ДН, рассчитанными по выражению (1.9), поэтому на рис. 4 и рис. 5 приводим их для некоторых отношений L/X.. Рис. 4. Диаграмма направленности в полярных координатах для проводника с бегущей волной тока длиной L = ЗА. 14
Рис. 4 дан в полярных координатах. Они хороши тем, что позволяют зрительно представить в пространстве фигуру ДН. ДН на рис. 4 как пример рассчитана для L/к = 3. В ДН интересуют в основном углы 6^; 0О5; 0mjn. 0max — характеризует угол между направлением оси проводника и направлением главного (основного) лепестка ДН. 0О5— характеризует угол раскрыва ДН по половинной мощности. 0mln — характеризует угол между направлением оси проводника и направлением первого минимума (нуля) в ДН. Можно по мере необходимости рассмотреть и оценить боковые лепестки ДН, их число, направления и уровни по отношению к уровню главного. В случае увеличения отношения Z./X полярные координаты становятся неудоб- ными для сопоставления и оценок параметров ДН. В этих случаях ДН строят в декартовой системе координат, где ось провода совпадает с осью ординат, а угол 0 откладывается по оси абсцисс. На рис. 5 даны ДН 1, 2, 3, 4, рассчитанные для Z./X = 3; 3,5; 10; 13,33 соответственно. Сопоставление их между собой показывает, что с ростом £/Х уменьшаются значения всех углов 0max; 0О5; 0min. Рис. 5. Диаграмма направленности в декартовой системе координат для проводников с бегущей волной тока различной длины 1 — l = 3X;2 —l = 3,5X;3 —i=10X;4 —lTl3,33X Анализируя зависимости, подобные рис. 5, американский инженер Е. Брюс в 1931 г. предложил ромбическую антенну. Предположительно он рассуждал так. Если взять два провода 1 и 2 с бегущей волной длиной L каждый и расположить их под углом 20тах, то по биссектрисе этого угла уровень излучения от двух проводников будет большим, чем от одного 15
(рис. 6). Так как Брюс был инженер и делал конкретное устройство, то он попутно решал два уже известные вопроса, не обращая внимания на третий (или не зная о нем). Рис. 6. К идее построения плоского ромба Е. Брюса Как ввести в проводники ЭДС возбуждения? Как создать условия для обес- печения режима бегущей волны? Брюс дополнил схему из двух проводников до четырех (добавив провода 3 и 4) и построил, тем самым, плоский ромб. В промежуток между двумя провод- никами по острым углам ромба он ввел ЭДС возбуждения и резистор. Номинал резистора был подобран так, чтобы отраженная волна от нагрузки была мини- мальной. Как и следовало ожидать, ДН ромбических антенн оказались многоле- пестковыми, а коэффициент направленного действия (КНД) — заметно зависящим от значения L/X [10]. Однако с перепадом в два раза (с потерей усиления до -3 дБ) ромбические антенны обеспечивают перекрытие по диапазону волн около трех, Xmax/Xmiri<3. КВ диапазон определен, как известно, в пределах Хтах=100м; Xmjn = 10 м. Тем самым для обеспечения нужд практики делают и ставят на одну трассу два-три ромба. Отметим, что КПД ромбических антенн может изменяться ь зависимости от значения 2L/X в пределах 354-80%, где L — длина стороны ромба. Практика допускает отношение 2£Д®24 для ромбов РГ^1, 25 [10]. Это означает, что до 6 нагрузочного сопротивления может доходить около 20% мощности передатчика, при общей длине проводника от точки возбуждения до точки нагрузки порядка 2L® 24Х. Источник [10, с. 469], отмечает, что «выполнение сторон ромба из двух про- водов... приводит... к повышению КПД». Другими словами, выполнение сторон ромба из проводников большего диаметра приводит к повышению его КПД (вывод, уже знакомый по антенне Бевереджа). Тут у автора возникает запоздалый вопрос к Г. 3. Айзенбергу. А за счет чего (за счет уменьшения каких потерь) вырос КПД ромба? Неужели за счет уменьшения потерь в земле? Но, во-первых, полотно ромба висит высоко (не как у антенны Бевереджа), а, во-вторых, высота его подвеса не изменилась с увеличением эквивалентного диаметра проводников. Так по каким же причинам вырос КПД ромба? Мы ответим на этот вопрос ниже. В 1958 г. Г. А. Лавров, работая под патронажем А. А. Пистолькорса и фактически развивая тему [7], получил строгое решение электродинамической задачи о сис- теме «провод—земля» [1], [2]. 16
Рассмотрим, что’ он решал и к чему пришел. Понимание этих вопросов кар- динально важно, так как его решение волна Лаврова ляжет в дальнейшем в физическую суть процессов, протекающих на проводниках антенн бегущей волны. Схема задачи, которую поставил и решил Г. А. Лавров, на первый взгляд предельно проста. Она показана на рис. 7. Около плоской поверхности (земли), не имеющей границ, параллельно ей на высоте h расположен проводник, диаметр которого d=2r0, где г0 — радиус. Проводник имеет начало в точке О, а его конец удален на плюс бесконечность (+«). -со Рис. 7. Схема задачи Г. А. Лаврова При этом высота й может изменяться в пределах от 0 до +<», а параметры земли — от идеально проводящей (металл) до идеального диэлектрика. В начало проводника (в точку 0) введена ЭДС возбуждения. Ставилась задача определить какой волновой процесс будет существовать в такой системе «провод- земля» и как будет изменяться структура электромагнитного поля при изменении высоты h и параметров «земли» в оговоренных пределах? Г. А. Лавров в рамках поставленных условий решил задачу строго по правилам классической электродинамики. Полученное решение — «волна Лаврова» — пред- ставляет собой медленную поверхностную волну, которая переносит энергию колебаний только вдоль оси х (оси провода), рис. 7. Иными словами, в этой волне нет радиальной (направленной от оси провода) составляющей вектора Пойнтинга, а поэтому нет и радиоволн, нет излучения. Рассмотрим рис. 8. На нем показан уединенный проводник, предельный случай, когда й = оо. -у Рис. 8. Схема распределения полей Е и Н в бегущей волне тока на проводнике для h = со В этом случае картина силовых линий полей Е и Н выглядит так: поле Е расходится лучами от оси провода, наподобие спиц у колеса, а поле Н охватывает проводник соосными кольцами. Поле Е перпендикулярно оси провода. Кольца поля Н лежат в плоскостях, перпендикулярных оси провода. Векторы Ё и Н перпендикулярны друг другу, 17
поэтому вектор Пойнтинга П, равный векторному произведен, ю П = [£•#], на- правлен по оси х (характерный признак медленной поверхностной волны). Электромагнитное поле вокруг провода распределено не безгранично, а ло- кализовано в объеме некоторого цилиндра, имеющего радиус р0. Радиус рп на- зывают «граничным радиусом», за его пределами энергии этой волны пренебрежимо мала. На рис. 9 для ориентировки показана зависимость р0 от радиуса медного проводника /0 для волны >.=20 м. Как видно, р0 может составлять 10 и более длин волн. Рис. 9. Зависимость «граничного радиуса» от оатиуса медного проводника для X=20 м Амплитуды полей F и Н лоиерхностной волны с точностью до поста иного множителя можно выразить как £ = ^. (1.10) У Выражение (1.10) показывает, что поля £ и Н прямо пропорциональны току 1п падающей волны (бегущей в направлении оси +х) и обратно пропорциональны расстоянию от оси проводника в радиальном направлении, в частности, в на- правлении у. Укажем, что масштаб убывания поля в радиальном направлении, характеризуется величиной г0, т.е. чем больше г0, тем медленнее убывает поле и увеличивается граничный радиус р0. Другой предельный случай наступает, когда Л->0, т.е. когда высота h разме- щения проводника над землей стремится к нулю. Картина силовых линий полей Е и Н для случая /?«>. показана на рис. 10. Характерным для нее здесь является максимальная концентрация плотности си- ловых линий обоих полей промежутке «провод—земля». Как и в предыдущем случае, поля Е и Н оказываются ортогональными, лежат в плоскостях, ортогональных оси проводника, а вектор Пойнтинга направлен по оси х. Излучения нет. Ско- рость V< С. Волна остается медленной поверхностной волной. Как и что изменяется в волне Лаврова, когда р0 увелич ивается по отношению к h? Оценку начнем со значения h = р0', где р0' соответствует своег iy г0' — радиусу проводника, рис. 11. При высоте й = р0' поля Е м Н волны Лаврова касаются земли, не пересекаясь с ней. Волна энергетически не взаимодействует с землей. Этот случай эквивалентен случаю, когда /г = а>, рис. 8. 18
Е Если увеличить радиус проводника, сделав его г0">г0', то соответственно уве- личится граничный радиус р0">р0'. При неизменной высоте й = р0' часть силовых линий поля окажется в земле. Волна энергетически начнет взаимодействовать с ней. Последнее вызовет искривление силовых линий поля, направленное на большую концентрацию их «под» проводом, чем «над» ним. Кроме этого часть энергии волны будет потеряна в земле на Джоулево тепло, так как в общем случае задачи проводимость земли о со не бесконечно велика. Продолжая рассуждения, нетрудно получить в итоге вывод, что с уменьшением высоты h (при неизменном значении радиуса провода г0) или с увеличением радиуса провода г0'" »г0 (при неизменной высоте h) результаты будут аналогич- ными: картина силовых линий поля будет трансформироваться от рис. 8 к рис. 10, а потери энергии волны в земле будут увеличиваться. Рис. 11. К оценке относительных потерь энергии бегущей волны в земле для различных значений 2г0' < 2г0" < 2г0'" В решении Лаврова ([2], рис. III.2.7, с. 127) прослеживается переход от решения Карсона к решению Губо, чем подтверждается правомерность строгого решения (общего решения), в которое два более ранних решения входят как частные случаи. Подчеркнем здесь тот факт, что даже в пределах решения Карсона (антенна Бевереджа) в решении Лаврова нет составляющей потерь, обусловленных излу- чением, (обусловленных наличием радиоволн — волн, не связанных с проводни- ком). Странно, однако, почему при этом у Г. А. Лаврова не возник вопрос к самому себе: «А куда подевались радиоволны, ведь антенна Бевереджа их соз- дает?» С. П. Белоусов и В. Г. Ямпольский, которые потратили немало усилий на поиски условий повышения эффективности излучения антенны Бевереджа, тоже прошли мимо нестыковки результатов своих же исследований с решением Лаврова. 19
Создается впечатление, что это решение мало кого интересовало само по себе, отдавая запахом схоластики. Оно и на самом деле не содержало явного позитива, который можно было бы непосредственно применить практически, а присутствующую подспудную недоуменность прикрывала, ко всему прочему, тень самого А. А. Пистолькорса. Концентрируя изложенное выше, можем подытожить, что к началу 1980 г. было известно. 1. Излучает, хотя и слабо, система «отрезок проводник—земля» с бегущей волной, возбужденная по схеме несимметричной двухпроводной линии (ан- тенна Беве реджа). 2. Излучает интенсивно система из четырех проводников с бегущей волной, расположенных под углом друг к другу в одной плоскости, возбужденная по схеме симметричной двухпроводной линии. 3. КПД антенны бегущей волны увеличивается с ростом диаметра ее проводников. 4. Бегущая волна на таких антеннах характеризуется как медленная вытекающая волна. 5. Диаграмму направленности уединенного проводника с бегущей волной рас- считывают «классическим» («токовым») методом. 6. Есть сведение, что для проводника с бегущей волной существует решение для быстрых волн при V>C. 7. Есть данные, что в системе «проводник — граница раздела двух сред» просматриваемся и волноводный характер распространения (возможны и бы- стрые волны при V>C). 8. Получено строгое решение для системы «проводник—земля» с бегущей волной, которое утверждает, что в такой системе может существовать только медленная поверхностная волна (потерь энергии на излучение нет). Очевидно, что смысл пункта 8 делает бессмысленными все остальные. По логике, «если не излучает целое, то не излучает и любая из частей этого целого», следует, что все линейные антенны бегущей волны и антенны, состоящие из прямолинейных отрезков проводников с бегущей волной, если и излучают, то «незаконно». Специалисты, принудительно замкнутые на теорию Лаврова или добровольно разделяющие ее, и не должны были что-то искать в надежде обрести. Теория строго закрывала им для этих целей все пути в объеме от 0 до + оо. Образцы применения этой теории в жизни людей: заключения П. М. Сафронова, В. Д. Федорова; Г. И. Трошина и т. д. Решение Лаврова, конечно, не опровергло факта существования антенны Бе- вереджа (единственной на тот момент времени) и антенн, состоящих из отрезков линейных проводников с бегущей волной, расположенных не соосно. Однако, бес- спорно, оно поставило и заострило вопрос: «Почему они излучают?» (По крайней мере, перед автором.) Первым после А. Зоммерфельда, кто не нуждался в постановке и разрешении этого вопроса, был Г. Губо. Он обошел вопрос тем, что делал волновод без видимых стенок из линейного проводника с бегущей волной, т.е. намеренно делал систему без излучения. Автор намеренно делал систему с излучением (антенну) и сделал ее тоже из линейного проводника с бегущей волной. Вот тут-то ему и преподнесли решение Лаврова («взяв за горло» известными отзывами) те самые ученые, которые до этого смотрели на решение Лаврова более чем сквозь пальцы, так как сами 20
делали антенны, т.е. занимались деятельностью, не совместимой со смыслом решения Лаврова. Борясь за правоту дела, пришлось показать и доказать, как и почему излучают линейные антенны бегущей волны и как их следует делать, чтобы результаты были много лучше тех, которые ранее этими специалистами были достигнуты. Попутно выяснилось, что решение Лаврова не такая уж и схоластика, каким казалось, что оно «физично» и что без него не обойтись, о чем опять-таки., не знали и не догадывались появившиеся апологеты этого решения.
АНТЕННА ОБ-Е. ЛИНЕЙНЫЙ ПРОВОДНИК — РУПОР БЕЗ ВИДИМЫХ СТЕНОК В период 1977-1979 г. автор тоже поддался искушению увеличить коэффициент усиления (КУ) антенны Бевереджа. Было очевидно, что провод активно переносит энергию бегущей волны от генератора в нагрузку, не «желая» ее излучать (не «желая» создавать радиоволны). После двух лет бесплодных попыток получить позитивный результат стало ясно, что надо каким-то образом видоизменять связь между проводником и землей в системе, называемой антенной Бевереджа. Дело оставалось за малым: найти нужное техническое решение. Как оказалось, искомое решение существовало и лишь ждало своего часа. Схематично оно показано на рис. 12. Сопоставляя рис. 1 и рис. 12, можно видеть, что показанные там системы линейный «проводник—земля» имеют набор почти одних и тех же элементов, которые, в принципе, можно сделать с одинаковыми размерами d, L, /?, с одинаковыми приемниками 3 и нагрузками 7. Рис. 12. Схема антенны ОБ-Е Разница в системе рис. 12 по сравнению с системой рис. 1 заключена в том, что в ней исключены проводники 4, 6 снижений, а проводники 2, 8 заземлений трансформированы в противовесы и подняты на высоту h. На рис. 12 выделен зазор А, который обозначает зазор между точками питания антенны (между точками ввода ЭДС возбуждения). Какие цели преследовались и какие результаты прогнозировались от такой переделки? Главным звеном здесь, безусловно, является устранение снижений 4, 6, присутствующих в антенне Бевереджа. Эти снижения — вертикальные отрезки проводников — по мнению многих исследователей, способны излучить столько же энергии, сколько расходует на излучение горизонтальный проводник с бе>ущей волной. При этом излучение снижений (вертикальных штыревых антенн) увеличи- вает уровень боковых лепестков антенны, снижая ее коэффициент направленного действия (КНД). Устранение снижений сняло оковы, связывающие горизонтальный проводник антенны с землей, позволило изменять высоту h его подвеса, сообразуясь со здравым смыслом компромисса между габаритами опор, на которых подвешен проводник, стоимостью антенны и ее КУ — конечной целью всех усилий. КУ=КНДКПД. (1.11) Автор надеялся получить в итоге добавку в КУ на 4 -ь 5 дБ по отношению к антенне Бевереджа при прочих равных условиях сопоставления и тех значениях h, которые рекомечдует [10]. 22
Преобразование заземлений 2, 8 антенны Бевереджа в проводники противо- весов стало логическим завершением способа включения генератора и нагрузки по концам горизонтального проводника. Впервые [5] линейная антенна бегущем волны, вы юлненная по схеме рис. 12, была построена на радиоцентре №6 Союзного узла радиосвязи и радиовещания №1 Министерства связи СССР к исходу 1979 г. Она получила маркировку ОБ-Е^ п по аналогии с антенной ОБ^ . Здесь добавлением литеры Е автор одновременно п и отличал свою антенну от антенны L звереджа, и намекал на присутствие еще одной золны на проводнике, похожей по структуре на волну Ео- в круглом вол- новоде, если смотреть в торец проводника. В начале 1980 г. две экспериментальные антенны ОБ-Е были построены и сданы в эксплуатацию войсковой части (см. отзьг И. Сафонкина). В замыслах антенна ОБ-Е, предполагалась для использования на отечественных приемных радиоцентрах магистральной радиосвязи взамен антенн типа БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, лучших по эффективности из имеющихся, но ромоздких, дорогих, ненадежных в эксплуатации и трудоемких в обслуживании. Антенна ОБ-Е, построенная на р/ц №6, сопоставлялась с антенной 3 БС-2, принятой за базовую. Это очень большая антенна. Ее длина L1300 м, шиоина по опорам 5« 60 м при высоте опор Л = 25 м. В целях достижения соразмерности электрических характеристик сопоставляе- мой антенны с базовой антенну ОБ-Е выполнили в виде двухэлементной попе- речной синфазной решетки. При этом каждый элемент представлял собой антенну 3GO ОБ-Ei—-. Элементы в решетке располагались параллельно друг другу с разносом в поперечном направлении 5=54 м. Эту антенную решетку замаркировали как ОБ-Е-2^|5 (по аналогии с аггтенной 3 БС-2). По занимаемой площади сопоставляемая и базовая антенны были примерно равны, а по занимаемому объему отношение определялось как 25/3 = 8 и было не в пользу антенны 3 БС-2. Диапазон рабочих частот антенны ОБ-Е-2^5 составлял ^/0Б.Е=34-30 МГц, - о а у 3 БС-2 (25) был уже и равен A/3BC.2»5-s-24 МГц. Степень перекрытия по диа- пазону частот была тоже не в пользу антенны 3 БС-2. Первые же посбные сопоставительные испытания показали, что по электри- ческим параметрам испытуемая антенна не уступает базовой. Этот факт стимулировал решение открыть НИР на очень злободневную тогда тему «Исследование возможн >стей повышения эффективности и эксплуатационной надежности антенн и антенных полей приемных радиоцентров магистральной радиосвязи» (шифр «Провод») [4]. Работа была начата в 1980 г. и окончена в 1983 г. Работа [4] заслуживает пнимания тем, что в ней впервые в научном плане были поставлены и решены актуальные задачи практики, которым не соответст- вовали имеющиеся на тот период времени приемные антенны КВ диапазона, а хаотическая застройка антенных полей приводила к значительному перерасходу земли, удорожала и затрудняла эксплуатацию антенно-фидерных сооружений и коммуникаций, достигавших длины до 1.5 ь 2 км. Ко всему прочему работа [4] со второй половины срока стала инициативной. Она была закончена на энтузиазме людей, ежедневно сталкивавшимися с про- блемами, поднятыми в [4], очень хотевшими их снять и снявшими, показав, как 23
и за счет чего может быть увеличена эксплуатационная надежность, обусловленная живучестью, ремонтопригодностью, стойкостью к воздействию метеорологических и механических нагрузок и факторов, а также стоимостью, силами, средствами и временем, необходимыми для проектирования, строительства, отладки, регла- ментного и повседневного обслуживания, показавшими, как и за счет чего можно сократить земельные площади, отводимые под антенные поля. Частично резуль- таты [4] опубликованы в [19], [20], [33]*. Важной составляющей работы [4] было снятие ДН антенны типа ОБ-Е в дека- метровом диапазоне волн. Здесь к делу пришлось привлекать авиацию и сотрудников** центра техниче- ского радиоконтроля Министерства связи СССР, имеющих нужную для этих задач аппаратуру и опыт работы. Эксперименты выявили неприятную особенность в ра- боте поперечных синфазных (по возбуждению) решеток антенн бегущей волны (в данном случае ОБ-Е-2), которые на деле не всегда оказывались синфазными. Причиной этому обстоятельству послужила разница (хотя бы и небольшая) в пара- метрах земли, на участках которой размещались «левая» и «правая» антенны- элементы, входящие в решетку. За счет этой разницы на концах сравнительно протяженных (по сравнению с X) антенн-элементов образуется неодинаковый набег по фазе: образуется расфазировка излучающих раскрывов. На верхних частотах эксперимента расфазировка достигала 'Ртахя 180°, что приводило к пол- ному раздвоению главного лепестка ДН испытуемой антенны в направлении на корреспондента. Вывод отсюда напрашивался однозначный: снять с эксплуатации имеющиеся решетки подобного типа и никогда их не рекомендовать, особенно войскам связи. Этот вывод был незамедлительно доложен по команде, ибо специалисты в/ч в свои рекомендации по использованию быстровозводимых антенн включали и поперечные синфазные решетки, элементами которых были антенны Бевереджа. Источник [10, с. 589-590], тоже положительно рекомендует подобные антенны для применения. Люди «чистой» науки, являясь, безусловно, грамотными специа- листами (учеными), в своих рассуждениях порой не учитывают, что природа гораздо изощреннее в своем многообразии условий, чем те, которые априорно принимаются во внимание. Именно поэтому опыт (эксперимент) со времен Ф. Бэкона (и Р. Бэкона) считается критерием истины. В дальнейших исследованиях антенна ОБ-Е2—участия не принимала. Она была демонтирована по питанию, и на ее основе были образованы две само- стоятельные антенны бегущей волны, оси которых параллельны и разнесены друг от друга в поперечном направлении на расстояние 5=54 м. Эти две антенны ОБ Е (близнецы по конструкции и габаритам) в дальнейшем использовались для сравнительных испытаний. Для оценок в процессе проектирования и практической реализации антенн типа ОБ-Е на рис. 13 приведены экспериментальные зависимости, полученные в результате облетов, от длины L/Х для ф05; <р0 и 0тах (соответственно помеченные 1, 2, 3), где Фо 5 — угол раскрыва ДН по половинной мощности в горизонтальной плоскости; ф0 — угол раскрыва ДН по первым минимумам (нулям) в горизонтальной плоскости; 6тах — угол между горизонтом и направлением максимума в основном лепестке ДН в вертикальной плоскости. * Работу [33] редакция журнала «Электросвязь» продержала в «столе» два года, пека не дождалась выхода в свет двухтомника Р. Кинга, Г. Смита «Антенны в материальных средах» (М., 1984), где была опубликована антенна, похожая на ОБ-Е. (Стало «неуютно» скрывать свое на фоне зарубежного.) *"В испытаниях участвовали Жиряков В. Н. и Рубинштейн В. И. 24
Рис. 13. Зависимости о’ L/Х углов 0^; <р0; <р05 над реальной землей для h = 3 м; L = 300 м, полученные в результате облета антенны ОБ-Ь
По ходу работы [4] автор периодически делился с коллегами получаемыми результатами. Их реакция на сообщения была странной и непонятной. Дружно и стойко отзергая саму возможность существования таких результатов, ученые, например Г. А. Лавров и С, П. Белоусов, всячески избегали не только участия в проводимых экспериментах, но даже простого экскурсионного осмотра реально действующей антенны ОБ-Е (а любознательность ведь одна из движущих сил ученого, не так ли?) ( Автору неоднократно пеняли на то, что вся его суета вокруг концов проводника диаметра d и высоты h горизонтального подвеса над землей, тщетна. Ибо только эти размеры определяют структуру полей Е и Н в объеме цилиндра с граничным радиусом р0 в системе «проводник—земля» (см. заключение П. М. Сафронова). Означенный постулат (утверждение самого Г. А. Лаврова) стал для автора ключевым в вопросах дальнейших исследований особенностей, свойств и харак- теристик систем «проводник—земля» с различными схемами концов проводника со стороны генератора и со стороны нагрузки. Цитаты, с которых начат очерк, — это не просто цитаты. Это мнения ученых — цвета отечественной отраслевой науки! Суть оценок у всех едина, хотя выражена и окрашена в различные тона. Она (суть) наиболее лаконично обоснована С. П. Белоусовым: «Электрические харак- теристики антенны ОБ-Е не могут заметно отличаться от электрических харак- теристик классической антенны ОБ...». «Не могут» — и все доказательство! Назовем i руппу этих людей-единомышленников «обобщенным черным оппо- нентом» (сокращенно ОЧО). Его мнение — это коллективное отображение того уровня знаний, которое имело место к исходу 1980 г. в вопросах науки и техники линейных антенн бегущей волны. К этому уровню и надлежит в дальнейшем соотносить все то, что выходит за рамки этого уровня. Так как старательно «пережеванная» и хорошо всем известная за 60 лет существования (по отношению к 1979 г.) антенна ОБ (Бевереджа) явилась не вольной прародительницей антенны ОБ-Е, то сам Бог велел изучать ОБ-Е в сопоставлении с ОБ, соотнося между собой их адекватн >ie параметры и харак- теристики, полученные для одинаковых условий. Существенные отличия, будучи обнаруженными при таком относительном ме- тоде испытании, должно было бы числить как новые и незнакомые науке и практике. Было бы замечательно к этому присовокупить по словам В. И. Вольмана «удовлетворительную трактож у», т.е. убедительное теоретическое объяснение на- блюдаемому «новому» с опорой на «старое» (на известные физические понятия и процессы). Замыслы по сопоставительным экспериментам с КВ антеннами ОБ и ОБ-Е длиной L = 300 м и ьысотой подвеса проводников h = 3 м не вызывали принципи- алоных затруднений. Трудности были лишь организационного плана ввиду гро- моздкости и трудоемкости работ. Исследсзания начнем с рассмотрения эквивалентных схем антенны ОБ и антенны ОБ-Е, опираясь на законы Кирхгофа для электрических цепей, формальную логику и некоторые допущения, не влияющие на принципиальную сторону дела. Глядя на рис. 1, создадим эквивалентную схему антенны ОБ, заменив прием- ник 3 на генератор 3, рис. 14. Как видно из рис. 14, генератор клвммой 1 подключен к началу «прямого» проводника, который принят не имеющим потере, конец прямого проводника в точке 2 подключен к резистору /?н нагрузки, в теч- ке 3 к резистору /?н подключен конец «обратного» проводника, который имитирует землю, потери в земле отображает резистор /?пз, начало «обратного» проводника в точке 4 подключено к генератору 3. 26
Таким образом, схема рис. 14 представляет собой замкнутую цело с двумя резистор:ми, включенными последовательно, по которой протекает ток Рис. 14. Эквивалентная схема антенны Бевереджа Мощность потерь Рн выделяемая в нагрузке /?н, равна Рн = ^н- (1-12) Мощность потерь Лтз> выделяемая в земле, равна 'пз = Д ^пз (1-13) Сумма этих мощностей равна Ро — мощности генератора 3, отдаваемой в цепь: Р0 = Рн + Рпз- (1-14) Следуя концепции строгого решения Лаврова, не вводим в эквивалентную схему антенны ОБ резистор /?х, который отображает сопротивление излучения антенны, так как, по Лаврову, любая система горизонтальный «проводник—земля» не создает радиоволн. В итоге рис. 14 демонстрирует эквивалентную схему антенны ОБ, в которой мощность Ро генератора расходуется по двум статьям: на потери в нагрузке Рн и потери в земле Рпз. Сделаем шажок в направлении трансформации антенны ОБ в антенну ОБ-Е. Для этого приподнимем над землей на высоту О <Z< h проводники 2, 8 заземления антенны ОБ и преобразуем их в противовесы, рис. 15. Емкость между противовесом 2 и землей 7 обозначим С,; также С, есть емкость мевду противовесом 8 и землей 1. Емкость между противовесом 2 с остатком 27
от проводника снижения 4 по отношению к проводнику 5 обозначим С2; также С2 есть емкость между Проводником 5 и противовесом 8 с остатком от проводника снижения 6. С учетом конструктивных изменений по рис. 15 (в сравнении с рис. 1) создадим эквивалентную схему обобщенной линейной антенны бегущей волны рис. 16. Она не намного, но сложнее, чем эквивалентная схема антенны ОБ, рис. 14. Характерным здесь является емкостной делитель if, который разветвляет ток 10 на волны ^2- токов Z, и 12 на пути к нагрузке /?н от клеммы 1 генера.ора до его клеммы 4. Здесь читателю надо подсказать, что «обратный» проводник с током 12 (на рис. 16 показан пунктиром) существует только в эквивалентной схеме. На реальной антенне рис. 15 для тока 12 и «прямым», и «обратным» проводниками, замыкающими генератор на нагрузку /?н, служит один и тот же горизонтальный проводник 5. Здесь передача энергии от генератора в нагруз! у осуществляется по принципам волновода Губо (однопроводной линии передачи (ОЛП) энергии [16]). Рис. 16. Гквивалентная схема обобщенной антенны бегущей волны Нетрудно видеть, что если выполняется неравенство (1-15) L-] 1*2, которое наступает при Z=0, то эквивалентная схема рис. 16 соответствует антенне ОБ, рис. 1. Если выполняется неравенство С2>Си (1.16) которое наступает с ростом Z, то при Z=h эквивалентная схема на рис. 16 соответсте уе г антенне ОБ-Е, рис. 12. Токи I, и 12 могут существовать одновременно на проводнике 5, рис. 15, паса с ростом Z (и ростом h) не наступит условие С2»С1. В последнем случае ток 71 становится пренебрежимо малым и антенна совсем не будет «чувствовать» землю. В схему рис. 16 тоже не внесен резистор /?£, так как в проводимых рассуждениях нет аргументов для появления радиоволн. Емкостной делитель + ^С2 позволяет изменять отношение токов 4/1,, в част- ности иметь Ъ Л (1.17) 28
Если учесть, что в общей ветви суммарный ток 10, протекающий через резистор /?н, равен = (1-18) то из соотношений (1.17) и (1.18) следует (условно первый, неожиданный для (р \ -Р) в земле "н 7 ОБ-Е по отношению к потерям в нагрузке для антенны ОБ-Е будут меньшими, чем те же относительные потери мощности для антенны Бевереджа при прочих н'ов равных условиях fis) <(£) • (1,19) ГН'ОБ-Е -ГН'ОБ Значения емкостей С, и С2 зависят от конструктивных размеров антенны: h, Z, d и подвластны выбору разработчика. Последнее перечеркивает упомянутый выше постулат Г. А. Лаврова как несо- стоятельный. Становится фактом, что самая первая из линейных антенн бегущей волны, классическая антенна Бевереджа, оказалась самой неудачной из всех возможных по схеме рис. 15. Путем простейших рассуждений доказано, что электрические характеристики антенны ОБ-Е МОГУТ заметно отличаться от электрических характеристик клас- сической антенны ОБ. Здесь удивляет не тот факт, что ОЧО не знал и не догадывался, как переделать антенну Бевереджа. Удивляет его коллективная леность мысли, когда не помогают даже прямые указания, как это можно сделать. Анализ эквивалентной схемы (рис. 16) обобщенной антенны бегущей волны, из которой образуются два полярных варианта: антенна ОБ для 2=0 и антенна ОБ-Е для Z=h, показывает, что на ее проводнике возможно существование двух волн (волны тока I, и волны тока /2). В связи с этим представлялось интересным выяснить экспериментально, действительно ли существуют две волны токов и если да, то в чем между ними разница? Ниже описывается серия экспериментов, проводимых с этой целью на антеннах ОБ^|2 и ОБ-Е^2. Проводником этих антенн был физически один и то! же проводник, разница в антеннах заключалась лишь в том, что для антенны ОБ взят размер 2=0 (выполнялось заземление), а для антенны ОБ-Е взят размер Z=h (выполнялись противовесы). Земля под проводником, естественно, тоже была одна и та же. Амплитудное распределение тока на проводе антенны снималось по методике [34] Суть эксперимента состояла в следующем. Генератор возбуждал антенну на частоте /0. С помощью зонда-диполя малых по сравнению с Хо размеров, который подключался к индикаторному приемнику, определялся уровень тока I в точке х на проводе. Зонд-диполь перемещался вдоль провода дискретно по оси х. По- лученная последовательность значений тока нормировалась к максимальному. В качестве индикаторного приемника использовался селективный вольтметр с- ба- тарейным питанием. Начальное значение координаты х = хх было взято равным 14 м потому, что подойти ближе точкам возбуждения провода мешали противовесы антенны ОБ-Е. 29
На рис. 17 показано амплитудное распределение волн тока на ОБ и ОБ-Е, снятое на частоте f0 = 20 МГц (Хо = 15м), кривые 1 и 2. Рис. 17. Зависимости амплитудного распределения тока подлине проводников антенн. 1 — ОБ для Z= 0; 2 — ОБ-Е для ft; 3—для обобщенной антенны Z = 1ft Оказалось, что на проводнике ОБ спад волны тока по длине L проводника происходит медленнее, чем на проводнике ОБ-Е для волны тока 12- В первом случае потери энергии в системе «проводник—земля» на участке от генератора до нагрузки (исключая потери в нагрузке) составили системы ОБ до нагрузки -13,1 дБ, ^П системы ОБ-Е до нагрузки (1-20) а во втором (1-21) где 1тах — значение тока в начале отсчета, 1Н — значение тока на входе сопро- тивления нагрузки /?н. Результат (1.20) показывает, что потери в земле, а других здесь, согласно эквивалентной схеме, нет для системы «проводник—земля», где проводник воз- бужден и нагружен по схеме антенны ОБ, составляют -13,1 дБ. Результат (1.21) показывает, что потери в той же самой земле для той же самой системы «проводник—земля», но с другой схемой возбуждения и нагрузки (схема ОБ-Е) составляют -16,5 дБ. Разница между этими показателями равна А = -13,1 - (-16,5) = 3,4 дБ и не в пользу антенны ОБ-Е. ОЧО отрицал саму возможность наличия этой разницы и был бы удивлен тем, что она есть. Автор делает вид, что удивлен тем, что эта разница не в пользу антенны ОБ-Е. Действительно, если обратиться к выводу (1.19), то может показаться, что результаты (1.20) и (1.21) его опровергают. Однако не будем торопиться с за- ключениями, памятуя о том, что одна из возможных, составляющих мощности 30
потерь в системе «проводник—земля», а именно мощность излучения системы Р£, до сих пор намеренно исключалась из рассмотрения. По Уолтеру [9], на проводнике возможно существование или медленной, или быстрой волны (очень разных по характеру). Чтобы определить характер волны, замерялась фазовая скорость V распространения колебаний. Фазовая скорость распространения волны тока на проводнике антенны заме- рялась так. Генератор возбуждал антенну на частоте fu. Значение фазовой скорости I/ определялось в долях по отношению к скорости света С в вакууме как К/С= кПР/Х0, где ХПР — длина волны колебаний на проводнике, определялась экспериментально как 1ПР=2(хг-х1) = 2Дх; Хо— длина волны колебаний в вакууме, определялась по частоте колебаний /0. Значение искомой разности 2Дх устанавливалось по первому минимуму пока- заний индикаторного i приемника, на вход которого была подключена индикаторная антенна. Индикаторная антенна представляла собой два синфазно запитанных зонда-диполя, малых по сравнению с Хо размеров, расстояние между которыми могло плавно изменяться путем их раздвижения относительно друг друга парал- лельно оси проводника. Практически один из зондов-диполей устанавливался в положение х„ а второй, размещаемый рядом, плавно удалялся от первого до тех пор, пока показания индикаторно "О приемника не регистрировали первый минимум. Затем рулеткой замерялось расстояние Дх=1пР/2 между центрами зондов-диполей. Фазовая скорость определялась в различных участках провода (начале, сере- дине, конце) для антенны ОБ и для антенны ОБ-Е. Было замечено, что I/уменьшается от начала антенны к нагрузке. В дальнейшем измеренные на различных участках проводника значения V усреднялись для Каждой из частот/0, на которых приводились измерения (6; 10; 20 МГц). Результаты измерений показаны на рис. 18. Как видно, для антенны ОБ Кср/С® 0,80,9, а для антенны ОБ Е ОБ VCP/C* 1,08-5-1,14. (В те годы автор отметил, но недостаточно сосредоточился на фактах изменения V по координатам про- странства вокруг Проводника. В дальнейшем подобные измерения были повторены в СВЧ диапазоне, о чем будет сказано ниже.) i ю нашим сведениям, на тот период времени результат V> С в бегущей волне на проводнике вблизи земли не наблюдал до нас никто. Результат прогнозировался. Тем не менее присутствующие и уча- ствующие в измерениях В. П. Демидов, Я. С. Глазман, А. Д. Куликов не скрывали радости от созерцания нового. Результаты рис. 18 говорят о том, что токи и 12 на проводниках ОБ и ОБ-Е имеют различную природу. Следовательно, электрические характеристики антенн ОБ и Оо-Е и по этому признак^ могут быть неодинаковыми. Результаты измечений фазовой скорости распространения волн вдаль провод- ника позволяют сделать следующие (новые) выводы. Условно второй: для антенны ОБ-Е V>C — волна быстрая. Условно третий: для антенны ОБ и для антенны ОБ-Е значения I/ оказываются не постоянными по координате проводника. Сс"ласно эквивалентной схеме рис. 16 возможна одновременное существова- ние волн токов I, и 1г на проводнике антенны. Эти волны, будучи когерентными, как рожденные одним и тем же генератором, но имеющие различные скорости .эаспристранения по проводнику, должны были бы создавать своеобразные биения (максимумы и минимумы, по виду напоминающие стоячую волну). Интервал хп повторения экстремумов суммарного тока, вдоль провода, выраженный в долях 31
волны Хо, зависит здесь от модуля разности фазовых скоростей распространения слагаемых волн как Л =______ П 2|У0Б.е-уо6| Согласно данным рис. 18 для f0 - 20Мгц следовало ожидать хп « 26 м. Для того чтобы уравнять амплитуды токов I, и 12 между собой и тек. сделать экстремумы их взаимодействия более рельефными, антенну по схеме рис. 15 сделали с вы- Рис. 18. Зависимости от X относительной фазовой скорости распространения бегущей волны по проводникам антенн ОБ и ОБ-Е Результаты амплитудного распределения тока для этого случая показаны на рис. 17, кривая 3. Они свидетельствуют о наличии прогнозируемых биений тока на проводнике со средним интервалом повторения минимумов хП » 26,4 м, близким по значению к расчетной величине. Это восхитительный результат. Одновременное существование двух бегущих волн с различными фазовыми скоростями распространения (V>C и V<C) на одной и той же частоте колебаний на одном и том же проводнике! Для свежего и неподготовленного взгляда такой результат метафизичен и мо- жет быть объяснен только фальсификацией исследований (о чем и было заявлено ОЧО). А тот факт, что есть два пути распространению колебаний, которые имеют различные постоянные распространения, воспринимается не сразу. Сделаем условно четвертый новый вывод: на проводнике вблизи земли воз- можно одновременное существование медленной и быстрой волн. На рис. 19 показаны три схемы построения системы «проводник—земля», которым отвечают три распределения токов рис. 17. Результаты предшествующих экспериментов, по мнению практики, «на хлеб не намажешь». Практика нуждается в энергетике на трассе. Ей подавай КУ и побольше. С целью определения относительного КУ антенны ОБ-Е^?-, у которой значение О Z= 3 м = const оставалось в процессе измерений постоянным, определялся КУ точно такой же (по габаритам) антенны, у которой значение Z=var варьировалось 32
в пределах С <Z< 3 м. Напомним, что высота подвеса горизонтального проводника обеих антенн одинакова и равна /? = 3м. Рис. 19. Схемы антенн бегущей волны ОБ-Е, ОБ и обобщенной, соответствующие зависимост.,с,. на рис. 17 КУ антенн определялись по пространственной волне на трассе Хабаровск— Москва на частоте f0 = 20,21 МГц. Оценка КУ производилась по записи уровней сигнала на ленте самописца с автоматическим переключением антенн на интервале времени t»3 мин за длительный период испытаний. Относительный КУ определялся как I/V ДдБ = lOlgJy^vaL.. (1.22) КУ2ЧМ1м ha рис. 20 приведена зависимость средних за период испытаний значений Д дБ сопоставляемых антенн от параметра Z м. Рис. 20 показывает, что КУ обеих антенн одинаковы, когда высоты Z размещения их противовесов тоже одинаковы и равны Z=h = 3 м. По мере приближения противовесов одной из антенн к земли (Z<h) ее КУ снижается. При Z=0 перепад Д дБ в уровнях КУ достиг -13д16. Качественно аналогичные результаты получены И. Сафонкиным и П. Шмыревым (см. отзывы). зависимость Д дБ =/(Z) (рис. 20) повергла ОЧО в гнев своей «наглостью». Действительно, откуда такое «бешеное» из/.учение у антенны ОБ-Е по сравнению с ОБ, когда обе системы «проводник—земля» (по Лаврову) в лучшем случае одинакоиы? Бот что, в частности, пишет по этому поводу д.т.н. Г. Трошин; «Система с поднятыми заземлениями (за его счет) будет иметь худший КПД и большее затухание (надо думать, потери в земле) в силу ухудшенного режима бегущей волны... 2-1854 33
В силу одноволновости системы «провод—земли» у нее будет одна постоянная распространения и никаких 2-х линий с различными постоянными распространения существовать не будет, кроме, как в материалах тов. Харченко К. П.» Рис. 20. Зависимость от высоты Z (подвеса противовесов в обобщенной антенне бегущей волны) относительно уровня сигнала в дБ, среднего за период испытаний Этот текст в адрес автора был оглашен «14» января 1983 г. в присутствии специалистов отдела в/ч: доктора техн, наук Лаврова Г., кандидатов техн, наук Донченко В., Голева В., Клиншова Е., Сафронова П., инженеров Баринова В., Украинского Н., Новикова Э., Криволапова В., Лаврова А. Присутствующие еди- нодушно согласились с докладчиком. Георгий Иванович Трошин тоже являлся учеником Г. А. Лаврова. Мы хорошо знали друг друга, проработав в одном отделе два десятка лет. Получив на отзыв результаты автора, он не нашел аргументов в пользу их существования ни в себе, ни в известных ему литературных источниках. Эти результаты казались ему верхом невежественности автора. Высмеивая их, Г. И. Трошин убивал сразу трех зайцев: «защищал» научный авторитет нашего шефа; освобождал отдел от грозящей ему новой работы; указывал коллеге его место в сообществе рпециалистов-антенн- щиков. Этим отзывом Г. И. Трошин положил начало долгому, нудному, крайне неприятному по духу и последствиям диспуту. Короче, десяток специалистов (в том числе и высшей квалификации) не могли по своему опыту и опыту пред- шественников положительно восприять результаты и не хотели совместно повто- рить исследования. Для быстрого и окончательного разрешения проблемы они выбрали беспро- игрышный в те годы путь: похоронить их (см. отзыв Сафронова П. М.). Автор, который изучал и знал работы предшественников (даже был на защите докторской диссертации Г. А. Лаврова), тоже не мог с их помощью объяснить наблюдаемое. А «наблюдаемое» и не могло быть объяснено результатами работ предшественников. 34
«Наблюдаемое» несло в себе нечто новое, требующее прежде всего осмыс- ления. Что можно видеть, глядя на рис. 1; 12; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20? И что можно и нужно сказать по поводу увиденного? А сказать следует вот что: — антенны ОБ и ОБ-Е, расположенные вблизи земли, действительно одина- ковые устройства по физике процессов, протекающих на их проводниках, тем более что одна «рождается» из другой путем некоторой трансформации; — антенна ОБ излучает слабо; — антенна ОБ-Е излучает интенсивнее по сравнению с ОБ при прочих равных условиях; — степень излучения антенны нарастает с увеличением высоты Z подъема ее противовесов над землей без изменения высоты й; — в эквивалентные схемы антенн ОБ и ОБ-Е требуется ввести резисторы /?£, отображающие их сопротивления излучения. Дополнительно к сказанному возникают и вопросы, ожидающие объяснения. Вот они: — почему проводники антенн ОБ и ОБ-Е излучают; — почему проводники антенн ОБ и ОБ-Е излучают не одинаково; — что происходит на проводнике линейной антенны бегущей волны на пути ее преображения из антенны ОБ в антенну ОБ-Е; — за счет уменьшения энергии каких потерь (Рпз или Рн) образуется энергия Р£ в антенне ОБ и ОБ-Е; — за счет каких сомножителей (КНД или КПД, или обоих одновременно) увеличивается КУ антенны ОБ-Е по отношению к КУ антенны ОБ при прочих равных условиях сопоставления; — как понимать (как трактовать) термин КПД в антенне ОБ-Ё, если потери в земле и на проводниках отсутствуют? (Попутно вспомним тот же вопрос о КПД ромба.) Исследования засасывали. Все шло по правилу: «чем дальше в лес, тем больше дров». Чтобы упростить задачи анализа получаемых результатов, требовалось упростить схемы проводимых экспериментов в плане уменьшения числа неиз- вестных и в плане упрощения процедуры изменения значений переменных. Как это сделать? Эксперименты продолжались в СВЧ диапазоне с установкой антенн над «идеальной» землей (над металлическим листом достаточно больших размеров по сравнению с 1). Выбор этих условий диктовался двумя факторами. Малыми размерами антенн, что позволяло оперативно и без особых Материальных и силовых затрат изменять размеры их элементов, и фактором «идеальной» земли, что позволяло упростить оценку получаемых результатов, исключив потери в земле на Джоулево тепло (исключив Рпз) [35].* При «идеальной» земле энергия генератора расходуется только на излучение в виде радиоволн и потери в нагрузочном резисторе. В задачу эксперимента входило исследование влияния конструкции противо- весов на работу однопроводных антенн. * Работа [35] была выполнена за время недельной командировки автора в Военную академию связи г. Ленинграда по совсем другим вопросам. Автору запрещалось работать по теме и приходилось «хитрить». Арбузов А. И. — начальник антенной лаборатории кафедры антенн, однокашник автора выпуска 1955 г. по ВКИАС им. С. М. Буденного г. Ленинграда предоставил оборудование для измерений и лично после работы вместе с автором участвовал в них. Начальник кафедры профессор Серков В. П. редактировал статью. 2 35
Для этого производилось: — снятие распределений тока на проводниках испытуемых антенн; — определение относительных КУ антенн; — снятие ДН антенн в угломестной плоскости на параллельной составляющей поля (на основной составляющей). Длина проводника /.=700 мм, диаметр d=2 мм, высота подвеса над «землей» h-40 мм, номинал нагрузки /?н = 360 Ом. Измерения производились на длине волны Х-200 мм. Нормированные зави- симости токов 1(х) показаны на рис. 21 для антенны ОБ и антенны ОБ-Е. Коэф- фициент бегущей волны (КБВ) на проводниках обеих антенн весьма высок (КБВ > 0,7), что позволяет считать режимы их работы, близкими к режимам бегущей волны. Отсчет значений х на рис. 21 ведется от нагрузки. Как видно из кривых токов, большее затухание по мере приближения к нагрузке наблюдается на проводнике ОБ-Е. (Есть преемственность с зависимостями рис. 17.) Перепад в уровнях токов оценивается как Д = (0,76/0,7)2 4 0,7 дБ. На величину Д « 0,7 дБ мощность, поглощаемая в нагрузке /?н антенны ОБ-Е, меньше, чем та же мощность антенны ОБ. Рис. 21. Нормированные зависимости распределений токов на проводника» антенн ОБ и ОБ-Е На рис. 22 показана зависимость относительного усиления Д дБ антенны от изменения высоты Z размещения ее противовесов над землей в долях от этой высоты h = 40мм. Здесь за 0 дБ взят КУ антенны при (Z/ft) = 0. (Зависимость, аналогичная рис. 20.) На рис. 23 показана зависимость в дБ КУ антенны О5-Е относительно КУ антенны ОБ от изменения длины волны X при фиксированных значениях L = 700 мм и ft = 40 мм (длина противовесов 1 антенны ОБ-Е при смене X подстраивалась каждый раз до значения 1 = Х/4). На рис. 24 приведены ДН антенн ОБ-Е и ОБ, снятые в угломестной плоскости на основной поляризации поля Е (параллельной поляризации) в тех пределах изменения угла 0, в которых позволяла измерительная установка. 36
Рис. 22. Зависимость orZ/h относительного усиления в дБ обобщенной антенны бегущей волны Рис. 23. Зависимость в дБ относительного коэффициента усиления антенны ОБ-Е от параметров (А и h/k, где X = var 37
Рис. 24. Диаграммы направленности антенн ОБ и ОБ-Е, снятые в угломестнои плоскости на относительной поляризации поля Е Выводы, сделанные в [35] на основании полученных результатов, звучат так: «По условиям эксперимента энергия генератора в системе «проводник—земля» расходуется только на потери в нагрузке /?н и потери на излучение (на создание радиоволн). Рост КУ системы с ростом значений Z/h можно объяснить изменением структуры полей £ и Н, происходящем в результате изменения схем концевых участков горизонтального проводника». Можно понять, что эти выводы, по сути правильные, на деле ничего не объясняют. Попытаемся «сегодня», спустя много лет, без спешки разобраться с тем объемом экспериментальных данных, которые показаны на рис. 17, 20, 21, 22, 23, 24. Рис. 21 показывает, что относительные потери энергии в нагрузке для антенны ОБ-Е, по сравнению с ОБ, составляют всего 0,7 дБ. Рис. 22 показывает, что относительный КУ антенны ОБ-Е превышает КУ антенны ОБ на 8 дБ! За счет чего это может происходить? Ответ напрашивается только один. Коэффициент направленного действия (КНД) у антенны ОБ-Е существенно больше, чем КНД антенны ОЕ, а значит, она электрически длиннее, чем антенна ОБ, при равных с ней геометрических размерах L. Рис. 24 не подтверждав! полностью продшес1вующую посылку. Однако, как известно, антенна ОБ имеет весьма неказистые ДН на криссовчй составляющей поля £ (на перпендикулярной составляющей), имеет там двухлепестковую ДН с глубоким провалом (нулем) в направлении на коррес, юндснч а и максимумами на уровне максимума основного (главного) лепестка ДН. Об этой ДН антенны ОБ почти нет упоминаний. Для примера, на рис. 25 такая ДН показана пунктиром. Она получена расчетным путем пи данным [10] для (£Д) = 3. Сплошной кривой здесь дана ДН на основной составляющей поля. Сопоставляя рис. 20, 22 и 23 можно видеть одинаковые тенденции изменения КУ антенны с ростом значения Z/h и йД. 38
——“ для основной составляющей поля — — — для кроссовой составляющей поля Рис. 25. Расчетные ДН антенны Бевереджа в азимутальной плоскости для L = 3 При этом над реальной землей (землей с потерями) максимальная разница при (h/X) = (3 м/14,85 м) я 0,203 в значениях КУ достигала 13 дБ. Над идеальной землей (землей без потерь) она при (й/Х) = (40 мм/177 мм) «0,227 достигала значения 12 дБ (практически равного с предыдущим). В совокупности данные рис. 20, 22, 23 подталкивают к парадоксальному заключению, что относительный (по сравнению с ОБ) КУ антенны ОБ-Е слабо зависит от параметров земли, так как параметры земли (подстилающей поверх- ности) в каждом конкретном случае остаются одинаковыми и для проводника ОБ, и для проводника ОБ-Е, хотя сами изменяются от одног о случая к другому. Здесь определяющим отличительным признаком выступает только высота размещения противовесов Z/h или h/k. Другими словами, доминирующим признаком выступает отношение Z/л, где Z — высота подъема противовесов при прочих равных условиях сопоставления. Сделаем реабилитирующую ремарку в адрес ОЧО. Полагая, чтр потери в реальной земле так сильно «глушат» КУ антенны ОБ, что «за лесом не видно 39
деревьев», он искрение считал несущественными возможные флюктуации АКУ, возникающие в результате переделок концов ее проводника, и на этом основании, не задумываясь отождествлял ОБ с ОБ-Е. По-видимому, со временем ОЧО осознал, что ошибся, но продолжал стоять на своем, осложняя позиции уже преднамеренно предвзято, давя одиночку-исследователя всей мощью научно-административного пресса (лишая возможности продолжать работы по теме, запрещая выступать по теме на научно-технических конференциях части, запрещая публикации) с тем, чтобы отодвинуть «момент истины» предпочтительно за грань существования диспутантов. В противном случае вместо автора в «смехе» по уши оказались бы ОЧО, начальники, начальники начальников и т.д. Дальнейшая проверка воздействия параметра Z/Х на значения относительного КУ антенны ОБ-Е была проведена по схеме рис. 26 [36]. Сопоставьте рис. 26 с рис. 12. Здесь (йД) = 0,05, проводник 5 расположен низко над идеальной землей. Противовесы 2 и 8 наклонены к плоскости горизонта под углом 45° так, что их эквивалентная высота Z>h. Длина противовесов / = (Х/4). Рис. 26. Схема антенны бегущей волны с противовесами, «эквивалентная» высота которых Z3 > й Эксперимент показал рост КУ на 4 дБ такой антенны по сравнению с ОБ-Е (когда Z=h) за счет наклона противовеса 2 и еще на 1,3 дБ при наклоне проти- вовеса 8 на углы 45°. (Ожидаемый, но все равно удивительный результат.) Вопрос выбора высоты й подвеса проводника антенны ОБ-Е приобрел принци- пиально иной характер, по сравнению с выбором высоты й для того же проводника антенны ОБ (см. [10]). В последнем случае высота h ограничивается степенью излучения снижений ОБ. Для антенны ОБ-Е такого ограничения не существует, рис. 27. Зависимость рис. 27 снята для идеальной земли. Здесь по оси ординат отложено отношение КУ/КУ0, где КУ0 есть значение КУ антенны ОБ-Е, полученное при значении (йД) = 0,02. По оси абсцисс, рис. 27, отложено значение параметра йД. Как видно, наблюдается почти линейная зависимость КУ0Б.Е=ДйД) коэффи- циента усиления антенны ОБ-Е от изменения высоты ее подвеса h в пределах 0<й<0,5Х с быстрым ростом функции. Зависимость (сплошная кривая) нормированной функции, рис. 27, построена в согласии с экспериментом, когда относительная высота йД увеличивалась в пределах 0,02 = (йД) < 0,5. Эксперимент можно было бы проделать и в обратном порядке, уменьшая значения йД, начиная, например, с (йД) = 0,4, при котором результат мог быть принят за КУ0 = КУтах. Естественно, суть дела от этого не изменится, но шкала отсчета будет выглядеть иначе, на рис. 27 она показана справа. 40
Рис. 27. Зависимость относительного коэффициента усиления антенны ОБ-Е и сопротивления излучения полуволнового горизонтального вибратора от параметра йД Как видно здесь, с уменьшением высоты йД уменьшаются значения КУ0 в долях от КУтах. Что физически означает эта зависимость на рис. 27 и что она характе- ризует? Изменение высоты йД в пределах 0 < (йД) < 0,5 незначительно влияет на КНД длинного проводника, увеличивая КНД примерно на 1...1.5 дБ с ростом ЙД в пределах й < 0.5Д, в то время как КУ изменяется в десятки раз. Объяснить этот феномен можно было бы изменением КПД системы «проводник- земля». Но земля в данном эксперименте идеальная и проводник тоже идеальный. В них практически омических потерь нет. В этих условиях, что означает изменение КПД системы? За чей счет и почему растет мощность излучения системы «проводник- земля»? Автор полагает, что КУ системы «проводник—земля» связан прежде всего с мощностью излучения противовеса 2, рис. 12, что подтверждает нормированная функция /?Е=/(йД), где /?г — сопротивление излучения для горизонтального по- луволнового вибратора, размещенного над идеальной землей, которая хорошо коррелирована с зависимостью КУ0Б.Е =ДйД). (На рис. 27 она показана пунктиром.) 41
Для данного случая, когда Рпз = 0, можно полагать, что КПД системы «проводник—земля» как антенного устройства равен КПД = ^У = ^. (1.23) г О г0 Мощность излучения системы Ps растет за счет уменьшения мощности потерь в нагрузке Рн в результате некоего перераспределения, механизм которого станет ясен ниже. Сделаем условный пятый новый вывод: КУ антенны ОБ-Е над идеальной землей изменяется с изменением высоты Л ее подъема в зависимости, коррелированной с функцией Rz=f(h/k) сопротивления излучения горизонтального полуволнового вибратора, размещенного тоже над идеальной землей. Данные, приведенные на рис. 27, требовали расшифровки. Как говорит В. И. Воль- ман: «Нужна была трактовка обнаруженного эффекта» (см. отзыв В. И. Вольмана), Снова задаемся вопросом: каким образом системы «проводник—земля» связана с мощностью излучения противовеса? Что, какой механизм вынуждает «рождение» радиоволн на отрезке точка питания системы — точка нагрузки системы? Как изменяется структура полей Е и Н в объеме системы «проводник- земля» с изменением Z/1 и /Д? Специальные и трудоемкие измерения* показали (рис. 28), что существуют кардинальные отличия в распределении плотности потока мощности по раскрывам антенны ОБ-Е и ОБ при совершенно одинаковых проводниках, высотах их подвеса над землей, диаметрах, длине волны 1, земле и т.д. и т.п., за исключением схем концов (схем возбуждения и нагрузки). Под раскрывом будем понимать плоскую поверхность 50, ортогональную оси проводника, проходящую через его точку включения резистора RH. Для антенны ОБ максимум плотности потока мощности находится на уровне земли, а для антенны ОБ-Е этот максимум находится над проводником. Измерения проведены над реальной землей для £ = 30 м; h-1 м; 1=10 м на полигоне ГСПИ Министерства связи СССР. Выше отмечалось, что основной составляющей поля в работе антенны ОБ-Е и ОБ является параллельная составляющая волны, отраженной от ионосферы. При этом сам собою напрашивается вопрос: а как реагирует антенна ОБ-Е на кроссовую (на перпендикулярную) составляющую поля той же волны? Это тем более интересно знать в сопоставлении с антенной ОБ, так как известно, что на формирование только двух основных лепестков ДН последней на кроссовой составляющей поля расходуется порядка 5 дБ общей мощности источника колебаний (рис. 25). Измерения, проведенные с антенной ОБ-Е в МИС г. Москва на кафедре проф. В. И. Вольмана с его участием, показали (рис. 29), что существует зависимость уровня поля в максимуме главного лепестка ДН антенны на кроссовой состав- ляющей поля от соотношения 1[к (длины противовеса к длине волны). Тем самым существует возможность влиять на КНД, а следовательно, и на КУ антенны ОБ-Е, подавляя «паразитное» излучение до -10 дБ относительно возможного максимума (см. отзывы В. И. Вольмана). Экспериментальные ДН антенны ОБ-Е, снятые над идеальной землей, под- тверждают этот вывод (рис. 30). Так как КНД линейной антенны бегущей волны пропорционален длине £ ее проводника, то косвенно (по ДН антенн ОБ и ОБ-Е) можно считать, что эквивалентная длина £жв 0Б.Е антенны ОБ-Е примерно в четыре раза длиннее эквивалентной длины антенны ОБ £жв 0Б: ^ЭКВ ОБ-Е ^£эквОб. (1-24) * Проведены с участием Ю. А. Шибкова. 42
~. __ для антенна ОБ—Е Рис. 28. Зависимости отнссительнои плотности потока мощности оту/й, в раскрыве антенны для £ = 30м;й=1м;Х=10м Прямая проверка этого положения была проведена но полигоне ГСПИ Министерства связи СССР [37]. Снята зависимость КУ от hfk (рис. 31) антенны OF-E по сравнению с КУ антенны ОБ при прочих равных условиях. Здесь пере- менной величиной была высота h - var размещения проводника антенн ОБ-Е и ОБ над землей. Земля была идеальная. Частота колебаний /= 600 МГц была посто- янной. Длина проводника £=1500 мм была постоянной; диаметр проводника d=2 мм; длина противовесов 1=125 мм была постоянной. Как видно из рис. 31, при h>d/2 (при очень низких подвесах) как только проводник антенны переставал касаться зег ши, КУ антенны ОБ-Е скачком превы- шал КУ антенны ОБ на 6 дБ, т.е. в четыре раза. По условиям эксперимента мощн теги, проходящие в сопоставляемые антенны, одинаковы, потерями эненгии на Джоулево тепло в системе «проводник—земля» можно пренебречь. Отсюда следует, что различия в КУ являются следствием в различиях КНД антенн, последнее утверждает соотношение (1.24) уже непо- средственно количественно. 43
Рис. 29. Зависимость уровня поля в максимуме главного лепестка ДН антенны ОБ-Е над землей на кроссовой составляющей от //X, где I — длина проводника противовеса Сделаем условно шестой новый вывод: эквивалентная длина системы «проводник—земля» по схеме антенны ЭБ-Е в четыре раза больше, чем эквива- лентная длина системы «проводник—земля» по схеме антенны ОБ при прочих равных условиях и h « X. Упомянутые выше результаты экспериментов [4] по измерении фазовой ско- рости V распространения колебаний вдоль проводника антенны ОБ-Е были не- полными и недостаточно понятыми, а потом,/ трьсовали повторения в большем объеме пространства около проводников. Такие эксперименты были проведены на моделях антенны ОБ-Е в ДЦВ диа- пазоне и дали результаты [19], [20], показанные на рис. 32. Здесь значение х/Х есть относительное расстояние от точки возбуждения проводника вдоль его оси, значение у/Х есть относительное расстояние от оси проводника по нормали к ней. Анализ этих результатов показывает, что: — фазовая скорость У антенны ОБ-Е на оси проводника равна скорости свети C(l/=Q; 44
— значение V становится больше С и увеличивается по сравнению с ней по мере удаления точки наблюдения от оси провода в радиальном направлении; — значение V уменьшается, приближаясь к С, по мере приближения точки наблюдения к концу провода параллельно его оси. ——— для основной составляющей поля — для кроссовой составляющей поля Рис. 30. Экспериментальные ДН антенны ОБ-Е в азимутальной плоскости Закономерность (рис. 32) сама по себе известна и наблюдается в рупорной СВЧ антенне на участке «горловина — раскрыв рупора», [21]. А тот факт, что она присуща и линейной антенне бегущей волны типа ОБ-Е, обнаружен впервые, и, уже в [4] антенна ОБ-Е отождествлена с рупорной антенной, не имеющей видимых стенок. Если вспомнить о волноводе Губо, который тоже не имеет видимых стенок, то в принципе нечему удивляться, что появился еще и рупор без видимых стенок. Антенна в виде линейного проводника (ниточки), работающая как рупорная, это мечта всех разработчиков и эксплуатационников. Стенки такого рупора — магнитное поле — ничего не весят, ничего не стоят, не требуют затрат сил и средств на строительство, содержание, ремонт, покраску, очистку и т.п. 45
Рис. 31. Зависимость в дБ относительного коэффициента усиления антенны ОБ-Е от параметра h/X Попробуем разобраться, как «выглядит» этот невидимый рупор в пространстве. Для этого проведем цепочку рассуждений. В плоскости 50 раскрыва антенны ОБ-Е образуем зоны Френеля, определяемые для условий распространения сферической волны, исходящей из точки включения в проводник ЭДС источника колебаний. Как известно [22], зоны Френеля характеризуются тем, что на границе после- дующей зоны фаза колебаний отличается на п радиан относительно предыдущей. 46
Если рассматривать в дальней зоне излучения суммарное поле от всех зон Френеля в полусфере с положительным значением координаты х, то вследствие взаимной компенсации противофазных полей соседних зон Френеля остается действие лишь тех вторичных излучателей, которые расположены в пределах 5эф0 ~ части первой зоны Френеля. Поверхность 5ЭФ() носит в теории распространения радиоволн специальное название: зона, существенная для распространения радиоволн. Радиус 5ЭФо равен гЭФо« 0,577г1о « 0,577Jt + - L2, (1.25) где г, — радиус первой зоны Френеля. По аналогии будем называть объем, ограниченный торцевыми эффективными поверхностями от 5ЭФп до 5ЭФо, как объем, существенный для распространения радиоволн, возбуждаемых и канализируемых антенной ОБ-Е, рис. 33, а поверхность 5ЭФо будем рассматривать как ее эффективный раскрыв. Рис. 33 позволяет оценить диаметры ОЭФо эффективных раскрывов КВ антенны ОБ-Е^, уже упоминавшейся по тексту выше. Для частот/0 ОБ-Е 1,5; 2; 6,47 МГц они равны соответственно 360; 246; 140 м. Таким образом можно видеть, что тонкий цилиндрический проводник длиной £ = 300 м при высоте подвеса над землей h«‘k0 представляется как конусо- образный рупор с внушительным раскрывом. Для этого рупора на реальной местности размещения антенны ОБ-Е нужно при ее строительстве предусмотри- тельно «убрать» мешающие объекты (деревья, дома, башни и т.п.). Зная 5ЭФо, определим ДН антенны ОБ-Е методами расчета, принятыми для апертурных антенн [23], [12]. При этом для азимутальной плоскости ДН будет иметь вид /(<р) = 0,577 /(£ + ^)2-£2-81Пф (1.26) где к=2л/Х0 — волновое число свободного пространства; Л1 — лямбда функция первого порядка; ф — азимутальный угол, отсчитываемый от плоскости хОу, рис. 33. Напомним, что для антенны декаметрового диапазона волн, ее главный лепесток ДН приподнят над землей. Поэтому принято считать ДН в азимутальной плоскости для пространственной волны ту ДН, которая образуется при пересечении харак- теристики направленности антенны конической поверхностью, проходящей через направление основного излучения антенны. При этом ось конуса направлена в зенит, а вершина расположена в точке возбуждения антенны. Обязательно ого- варивают, что эта ДН снята под углом 0гпах, где 6тах — угол между направлением основного излучения и горизонтальной плоскостью. В угломестной плоскости ДН f(0) антенны ОБ-Е будем определять как /(6) ~ лЛ-0,577Д£ + ^)2-£2 • sin0 sin(£7isin0), (1.27) где множитель sin(fc h sinG) можно трактовать как множитель решетки двух излу- чателей: реального провода и его зеркального (противофазного) отображения в земле, 6 — угол, отсчитываемый от оси х в плоскости хОу, рис. 33. 47
Рис. 33. Антенна ОБ-Е — рупор без видимых стенок
ДН антенны ОБ-Е: , рассчитанные по фирмулгм (1.26) и (1.27), были со- лостаг,пены с ДН той же антенны, полученными с помощью облета на одинаковых частотах. Экспериментальные точки показаны кресту ками. На рис. 34 показаны зависимости Д<р), а на рис. 35 — зависимости Д6), для различных £Д. Как видно, расчеты и эксперимент, приведенные почти в десятикратном диа- пазоне волн, находятся в хорошем соответствии, по коайней мере, в пределах тех изменений углов ср и 6, оторые были достигнуты в условиях облета антенн. Выражения (1.26) и (1.27), не вдаваясь з доказательные подробности, можно отнести к эмпирическим. Представляется, однако, что для антенны «рупорного» типа они более логичны для применения, чем выражение (1.9) (хотя бы и с учетом множител а зем ли), так как в условиях наличия дисперсии в значениях V/C, (рис. 32), нет оснований пользоваться в расчетах по (1.9) значением !/=С как это делает [10]. Применительно же к расчетам ДН на кроссовой составляющей поля при этом будет полный абсурд, так как расчеты приведут к рис. 25, а реальность — к рис. 30. Примечательно, что в антенне-рупоре ОБ-Е наблюдается явление самофоку- сировки, которое отсутствует у рупорных СВЧ антенн, имеющих фиксированную поверхность раскрыва. Под самофокусиоовкой здесь имеется в виду явление, при котором разность фаз полей, взгтых на краю раскрыва антенны и в его центре, остается постоянной, независимой от дчины волны для L = const. Эф- фективным раскрывом антенны ОБ-Е все время остается поверхность 5ЭФо в соответствии со своей 10 для данного L, так как «стенками» рупора служит магнитное поле и его раскрыв не является фиксированным. Он изменяется (под- страивается) под данную длину волны 10 при фиксированном значении L длины проводника. Тем самым с ростом отношения £Д КНД антенны ОБ-Е продолжает увеличи- ваться. Автору экспериментально не удалось определить ту границу значения £Д, после которого наступает спад в значениях КНД. В отличие от ОБ-Е антенна ОБ имеет так называемое оптимальное значение £пптА. выше которого наступает спад в ее КНД. Сделаем условно седьмой новый вывод: антенне ОБ-Е присуща самофокуси- ровка, для нее практически отсутствует . раничнсе значение (.А. после которого наблюдается спад КНД. Накопленные (достаточно обширные) экспериментальные результаты исследо- ваний для своего завершения в стройную взаимозависимую причинно-следствен- ную цепочку нуждались в стержневой, основополагающей идее. Идее, оперевшись на которую можно было бы все наблюдаемое и понять, и объяснить, и предсказать наперед. Шлагбаумом, стоящим на пути к ней. были (как нередко бывало в истории развития науки и техники) работы предшес: вег ников и сами предшественники, «шоры» которых преодолеть труднее все о. Концепция, при которой в системе «проводник—земля» возможны только поверхностные волны, лишала линейные антенны бегущей волны права на излучение радиоволн, не соответствовала реа- лиям и вела в тупик. А руководящая идея предложена была давно и высказана публично еще 31 мая 1985 г. на заседании (Протокол №5) секции №2 Ученого совета войсковой части, обращаясь к которой автор просил поддержки в плановом продолжении работы [4]. В этом ему было категорически отказано. 49
°>4 0,2 0,4 0,2 0,2 0,4 0,2 " 0,2 0,4 Рис. 34. Расчетные и экспериментальные диаграммы направленности антенн ОБ-Е для Н-ппосиэсти поляризации
ся Рис 35. Расчетные и гксперименталь ные диаграммы направленности анте> н ОБ-Е для Е-г носкости поляризации
Целью заседания, как оказалось, было осудить автора за результаты именно этой работы, которые подрывали престиж и устои самой организации в лице ее ведущих сотрудников. (В частности, как тогда представлялось, докторской дис- сертации Г. А. Лаврова.) Вел заседание секции только что назначенный командиром части В, М. Якунин, хорошо знавший автора и по делу, и по «жизни». Он сделал что моп не позволил желающим «сломать хребет открывателю новых явлений и закономерностей», что и дало возможность последнему завершить этот очерк. Суть идеи проста, наглядна и «физична». Она состоит том, что около про- водника линейной антенны бегущей волны (все равно какой, ОБ или ОБ-Е, или обобщенной промежуточной между ними) наряду с волной Лаврова присутствует еще одна: волна сферическая. Разница же ь параметрах всех мыслимых модификаций перечисленных антенн объясняется фазовыми и поляризационными соотношениями полей и весовыми коэффициентами этих волн в общем потоке колебаний, мощность которого равна мощности источника колебаний Ро. z Рассмотрим взаимодействие указанных волн и следствия, вытекающие из такого взаимодействия. Обратимся к рис. 12 и выделим на нем противовес 2 — короткий проводник и проводник 5 — длинный проводник. Короткий проводник работает в режиме стоячей волны, он не нагружен рези- стором. Длинный проводник нагружен резистором. Здесь отраженной волны нет, есть только падающая волна, бегущая со скоростью V=C света по направлению к нагрузке 7. Поля Ек и Як от короткого проводника созданы сферической волной. Поля Ед и Яд от длинного проводника созданы волной Лаврова. Эти поля когерентны, как порожденные одним и тем же источником колебаний. Когерентным полям присущи интерференция — векторное сложение и вектор- ное произведение — энергетическое взаимодействие. Совместим длинный проводник антенны ОБ-Е с осью х декартовой системы координат xyz с началом i точке 0, рис. 36. (Точку 0 будем считать началом длинного проводника.) Картину силовых линий полей Е и Н будем рассматривать в плоскости рисунка только для положительных значений координат х, у, что позволительно без потери общности ввиду того, что эта картина осесимметрична по отношению к координате х. В правом от плоскости zOy полупространстве существует волна Лаврова с полями Ед и Яд и волна сферическая, включающая поля Ек и Як. Поле Ед показано пунктиром, поле Яд — кружками различного диаметра. Уменьшение диаметра кружка по координате у символизирует уменьшение уровня поля Ед и Яд в этом направлении по законам поверхностной волны, (1.10), при этом поле Ед перпен- дикулярно оси х. Поле Ек показано отрезками сплошных линий, длина, ширина и направление которых символизирует изменение уровней и направлений поля Ек по координатам г, 0 по законам сферической волны (1.2). Пропорционально полю Ек изменяется поле Як, при этом поле Ек перпендикулярно лучам, исходящим из точки 0. Обратим внимание на положение в пространстве полей Яд и Як. И одно, и другое расположены совершенно одинаково в плоскостях, перпендикулярных оси х, охватывая ее концентрическими кольцами. Это примечательное обстоятельство. Получается так, что после интерференции полей Яд и Як они полностью теряют свою индивидуальность по координатам пространства, накладываясь одно на другое. 52
Рис. 36. Картина силовых линий полей Е и Н в волне Лаврова и сферической волне около проводника антенны ОБ-Е Сумма полей Еа и Ек после интерференции определяется в пространстве ре- зультатом их векторного сложения. Качественно процесс в пространстве и времени представляется так: существуют одновременно два потока энергии, движущихся с одинаковой скоростью 1/=С, пути которых пересекаются. В итоге взаимодействия один поток «сносит» другой, что приводит к искривлению суммарной траектории и кажущемуся увеличению скорости, так как за один и тот же промежуток времени отдельные точки общего потока будут проходить больший путь. Напрашивается наглядная аналогия с пловцом, пересекающим реку поперек. Пловец движется со скоростью И река течет со скоростью Ц пловец преодолевает ширину реки за время t, но путь проделывает больший, чем ширина реки, поэтому его кажущаяся скорость будет больше той, с которой ин плывет, а траектория пловца исказится. Согласно концепции Бриллуэна [17], там, где имеются различия в направлениях распространения колебаний, оно приобретает волноводный характер. Иными сло- вами, в волне взаимодействия, рис. 36, в каждой точке наблюдения будет «своя» фазовая скорость распространения и «свое» направление распространения фа- зового фронта («свое» направление движения энергии). Волной взаимодействия обозначим тот процесс распространения колебаний, который возникает в правом полупространстве от плоскости zOy после того, как в зазор Д схемы рис. 12 будет введена ЭДС возбуждения. Определим закономерность изменения относительной фазовой скорости рас- пространения волны взаимодействия v/c вдоль оси х. Искомую закономерность к/с=Дх/Х) при условии у = const определяем как у _ 2л Дх с X Д0' (1.28) Для различных х, и Дх«Х, где (2л/Х) = /г — волновое число свободного про- странства; С — скорость света в вакууме, Дх и Д0 ясны из рис. 37, в координатах рис. 36. 53
Рис. 37. К пояснению расчета итнссительной фазовой скорости распространения волны взаимодействие вдоль оси х Поле £к в точке 1 (х,; у,) определим как первое приближение £< - ySinO • еЛ*г+8н) , (1.29) где А — константа зозбуадения; г = Jx’+y2; flH = | + 0 = 2+arctg^ — условная начальная фаза возбуждения. Поле Ел в точке I представим в виде £д = 5.е-*».е-л^2), (130) У где В — константа ьопбуждения; е-0* — множитель, учитывающий затухание поверхностной волны вдоль координаты х; л/2 — условная начальная фаза воз- буждения. Поле FX1 волны взаимодействии i точке / определится, согласно ([18], стр. 185), как Их 11 = 7|fK|2 + |ffl|2 + 2^1^1008(6, -91), (1.31) = Iosina, + lysine; 0 IFkIcosG^IFJcosG; • 1 ' где согласно (1.29), (1.30) и рис. 37: |£к| = ySinG; |£д| = - е^'; 6, = kr+ | * arctL ; 6,' = *х, + |. Можно видеть, что по мере распространения волны взаимодействия от точки 1 (*i! У1) к точке 2 (у,; х,+Дх) вектор Fs2 получит приращение фазы Д0, определяемое как Д0 = arctg(0 + Д0) - arctg©, (1.33) 54
где tg(O + AG) = |EK2|sine2 + ч sin02 |£k2|cos02 + ч COS02 (1 34, Zsinf arctg———| IM = -7Т=^ VVi+ (*1 + A*) «2 = ^y? + (*i+A*)2 + 5- arnt9-^r-- Лд т l\X На рис. 32 результаты расчета U/C=/[x/X) для ряда значений у/Х = const = 0,5; 0,25; 0,1; а=—0,4; А = В с использованием выражений (1.28), (1.32,, (1.33), (1.34) совмещены с результатами экспериментов. Результаты расчетов v экспериментов имею* бесед орное качественное совпа- дение. Количественные расхождения можно отнести к неточному выбору констант, принятых в расчетах, по сравнению с реальными. Анализ зависимостей рис. 32 показывает, что: — волна взаимодействия относится к категории быстрых волн; — волна взаимодействия имеет радиальную составляющую вектора Пойнтинга и относится к категории вытекающих волн; — волна взаимодействия создает радиоволны! Анализ результатов расчетов и экспериментов показывает, что обнаружено новое физическое явление: на уединенном проводнике и в системе «проводник- земля» обнаружены колебания с волноводным характером распространения. Предположения Пистолькорса [7] спустя 27 лет реализовались в антенне ОБ-Е как вблизи границы раздела двух сред (воздух—земля), так и уединенной, т.е. и более широких условиях постановки задачи, чем те, которые были в замыслах самого Пистолькорса. Здесь уместно вспомнить и о работе Зоммерфельда [6]. Он не обнаружил быстрые волны на проводнике, так как «на» проводнике их действительно нет. Они могут быть только «около» проводника. К условно седьмому выводу можно теперь добавить следу- идее умозаключение: КНД антенны ОБ-Е будет продолжать увеличиваться с ростом отношения £/Х до тех пор, пока не иссякнет энергия волны взаимодействия. Опираясь на уже упоминавшуюся концепцию Бриллуэна и рис. 8, можем объ- яснить природу излучения ромбических и У-об^азных антенн. Проводник с бегущей волной переносит энергию поверхностней волны внутри цилиндра значительного граничного радиуса р0, по сравнению с X, о< ью которого является сам проводник. По пост юенмю оси проводников в упомянутых антеннах пересекаются, а значит, пересекаются и потоки энергии, которые они несут вокруг себя. Поля Е и Н этих потоков когерентны, и процесс распространения приобретает волноводный ха- рактер. Волна на проводниках ромбической (V-образной) антенны оказывается быстрой вытекающей, что и порождает радиоволны. 95
С помощью рис. 8 и рис. 9 можно объяснить эффект увеличения КПД антенны бегущей волны при увеличении эквивалентного радиуса гжв ее проводника. Как видно из рис. 9, рост г0 вызывает рост р0 — граничного радиуса цилиндра с по- током энергии внутри него. Пересечения цилиндров большего радиуса приводят во взаимодействие и поля, убывающие медленнее, и большие объемы энергии, что в совокупности способствует процессу образования радиоволн. Автор склонен полагать, что сдвоенный ромб Айзенберга [10] имеет повышен- ный коэффициент усиления по отношению к адекватному одиночному ромбу еще и по причине увеличения эквивалентного радиуса своих проводников; что похожий результат можно получить, разнося провода ромба не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости с получением при этом заметной экономии матери- альных ресурсов и земли. С опорой на особенности, присущие волне Лаврова, закрыты, таким образом, все упомянутые выше «недомолвки» по антеннам бегущей волны, конструкция которых содержит линейные проводники. Волна Лаврова и сферическая волна в объеме взаимного пересечения создают волну взаимодействия. Назовем ее волной КХ, так и короче, и справедливо. Покажем, что эта волна многолика. Ее «образ» и «характер» зависят от параметров короткого проводника. Для этого воспользуемся понятиями падающей 1„ и отра- женной 10 волн тока из теории длинных линий и обоатимся к рис. 12. Действительно, при длине короткого проводника (противозеса) /=А./4 в зазоре Д отраженная от его разомкнутого конца волна 10 и падающая волна 1„, бегущая по длинному проводнику в сторону нагрузки, оказываются в фазе и по результату интерфе- ренции полей Нк на На следует говорить о «суммарной» волне. Однако если взять / = Х/2> то по тем же причинам результат интерференции полей Нк на Нд следует рассматривать, как волну «разностную». Эти два случая являются граничными, так как очевидно, что между ними будет возникать множество других по мере изменения длины противовеса в пределах 0<l<Х/2. (Случай 1=0 соответствует решению Г. А. Лаврова. Он самый простой с математической точки зрения и самый неясный с технической; как ввести ЭДС?). Если те же соображения отнести к полям Ек и Ед, то понятия «суммы» и «разности» поменяются местами. Выше было отмечено, что поля Н короткого и длинного проводников отличаются лишь разностью начальных колебаний в зазоре Д. (В общем случае они могут отличаться и амплитудами, но этот случай здесь не рассматривается.) Поля Е тех же проводников отличаются и разностью фаз колебаний, и ориен- тацией в пространстве. В дальнейшем «суммарную» и «разностную» волны взаимодействия будем различать по току (по результату интерференции полей W), а сами волны именовать соответственно волной КХ+ и волной КХ'. Будем следовать в расчетах, оценках и сопоставлении результатов схеме рис. 38, на которой определена точка наблюдения М и в декартовой (х, у), и в полярной (г, 0) системах координат. Поля, отнесенные к волне Лаврова, пометим значком (л); отнесенные к волне сферической — (с); отнесенные к волне КХ, соответственно (кх+; кх"). Результат интерференции (линейного взаимодействия) полей Нд и Нк пред- ставляет интерес не столько количественно, сколько качественно. Обратимся к рис. 39. На нем в уже привычном виде показаны распределения полей Нл, Нс и «КХ+ (последнее для суммарной волны взаимодействия) по координате у при фиксированном значении х0 = L. Очевидно, что в соответствии со своей природой 56
поле Нл убывает, а поле Нс растет с ростом у. Естественно, что поле как сумма предыдущих усредняется по координате у. Последнее означает, что рас- пределение поля Н по раскрыву антенны ОБ-Е становится более равномерным, если длина ее короткого проводника 1=^/4. Рис. 39. К пояснению интерференции полей Н в волне КХ+ Обратимся к рис. 40. На нем показаны распределения тех же полей Нл и Нс, что и на рис. 39, но поле получено для разностной волны взаимодействия. Очевидно, что найдутся такие координаты у0, 0О, где уровень поля обратится в нуль (Якх- =0). Последнее означает, что распределение поля Н по раскрыву антенны ОБ-Е становится неравномерным вплоть до полного провала под неко- торым углом 0О, если длина ее короткого проводника / = Х/2. 57
Рис. 40. К пояснению интерференции полей Н в волне КХ" Результаты интерференции полей £л и £с в точке наблюдения М(г, 0) рассмотрим с помощью рис. 41. Исходными здесь являются вектор Ёл, начало которого лежит на оси х, а конец находится в точке М; а также вектора ±£с. начала которых находятся в точке М, а направления взаимно противоположные при одинаковых модулях. Напомним, что вектор £л перпендикулярен оси х, а вектора ±£с — перпендикулярны радиусу г. Рис. 41. К пояснению интерференции полей Е в волнах КХ+ и КХ S8
В суммарной волне взаимодействия (в волне КХ+) вектор Ё + определяется своим началом в начале вектора Ёл, а своим концом в конце вектора -Ёс • Проекциями вектора Ё на ось х будет +£Х(КХ+), а на ось у — значение у2- В разностной волне взаимодействия (в волне ЮС) вектор Ё . определяется своим началом в начале вектора Ёл, а своим концом — в конце вектора +Ёс. Проекциями вектора Ё^- на ось х будет -FX(>a-)- а на ось У ~ значение у,. Из рис. 41 по построению нетрудно определить, что проекция вектора Ё * на ось х равна Mx = fX(^)"^|sine’ (1-35) а проекция вектора Ё . на ось х равна <,36> т.е. IE J =-l£ I проекции на ось х векторов суммарной и разностной волн I КХ |Х | КХ |Х взаимодействия равны по модулю и противоположны по знаку, в то время как проекции тех же векторов на ось у различны: Результат энергетического взаимодействия (квадратичного взаимодействия) полей Нцх и представляет интерес и качественно, и количественно. Здесь уместно условно расчленить плотность объединенного потока мощности, который характеризуется вектором Пойнтинга Пкх. - [Ёкх’Йкх] (1.38) на два. Один из них, |/7кх|х, движется по координате х, а второй, |/7кх|у, — по координате у. Первый продолжает движение и поддерживает мощность поверх- ностной волны Рп, а второй определяет мощность излучения Ps, уносимую радио- волнами. Мощность Рп+ пропорциональна значению у2 (для волны КХ+), а для волны КХ' соответствующая мощность Рп- пропорциональна значению yv Мощность излучений Р1+ (для волны КХ+) пропорциональна значению +£Х(кХ+), а мощность излучения Ps- (для волны КХ*) пропорциональна значению -£Х(КХ-)- Рис. 41 и соотношения (1.35), (1.36), (1.37) позволяют заключить, что Р < Р - /->/— (1.39) п* п Неравенство (1.39) утверждает, что в волне КХ+ доля мощности излучения по отношению к доле мощности, идущей в нагрузку, больше, чем в волне КХ*. А это, в свою очередь, позволяет сделать вывод о том, что КПД антенны ОБ-Е с длиной короткого проводника ( = Х/4 будет выше, чем у антенны ОБ-Е с длиной короткого проводника / = 1/2, при прочих равных условиях (намного выше, примерно на 5 + 5,5 дБ). Свойства и характеристики интересной волны КХ* автору не предста- вилось возможным изучить подробнее, и он оставляет эту работу очередному исследователю. 59
Вспомним выражение (1.23), где использование понятия — мощности из- лучения системы — напрашивалось по результатам эксперимента, хотя было не ясно, как и откуда она берется. С введением в жизнь понятия волн КХ появление Ps становится очевидным (наглядным и осязаемым). Позволительно сделать некоторые обобщения по процессу взаимодействия поверхностной и сферической волн, происходящему на длинном проводнике. Можно видеть, что магнитные поля этих волн после интерференции «склонны» совместно продолжать движение вдоль проводника, сохраняя наследственные признаки поверхностной волны. В этом ракурсе поверхностная волна представ- ляется переносчиком общей (суммарной) мощности колебаний вдоль проводника и ее консерватором. Поля электрические ведут себя иначе. После интерференции результирующий вектор электрического поля Ё * наклонен к оси провода (к оси х) так, что его проекция на эту ось определяет долю мощности излучения в общем потоке мощности волны КХ+, причем, чти важно, отнсшение Г 4 £KXJy ^KXlx здесь достигает минимума. Волна КХ+ оказывается энергетически самой «выгодной» в тех случаях, когда поставленной целью является создание эффективного антенного устройства (на что и направлены наши усилия). По характеру действия поля Нд, Ед и Нк можно назвать полями-«донорами». Поле £к ведет себя как поле «вампир». Оно «сосет» суммарное магнитное поле и «связывает» его в энергию радиоволн, образуя Ps системы «проводник—земля», а в отсутствие земли — системы «короткий проводник—длинный проводник». Выше автор обращал внимание на некорректность применения выражения (1.9) для расчета ДН линейных антенн бегущей волны с возникновением нестыковок энергетического плана. Анвлиз волны КХ поясняет, в чем корень этих ошибок. Поясняет, почему и как изменяются поток Рп мощности, идущий вдоль провода, и поток Ps мощности, уходящий от провода в радиальном направлении. Если нет Рс (мощности сферической волны), то нет и Ps — пропадает предмет для рассу- ждений. Не о чем становится говорить, и, заметим, что никакое изменение d3 диаметра проводника антенны бегущей волны здесь не поможет, какая бы «зна- менитость» не утверждала обратное. По построению l«L и справедливо положить, что мощность Рк, отдаваемая источником колебаний в короткий проводник, и мощност Рд, отдаваемая тем же источником в длинный проводник, находятся в соотношении РК<РД или даже Рк « Рд (мощность Рк меньше или даже много меньше, чем Рд), при этом Ро = ^к+ где Ро — мощность источника колебаний. В отсутствии потерь есть основание полагать, что РК = РС, т.е. мощность, поступающая в короткий проводник, полностью трансформируется в мощность сферической волны. Также и РД=РП, т.е. мощность, поступающая в длинный проводник, полностью трансформируется в мощность поверхностной волны (волны Лаврова). При отсутствии потерь в системе «проводник—земля» справедливо соотношение Р0 = РЕ+Рн, где, повторимся, РЕ — мощность излучения системы, Рн — мощность, выделяемая в нагрузке. Как по- казывают эксперименты, РЕ>РН, а тем самым РЕ>Рк=Рс> те- мощность излучения системы оказывается больше (или даже существенно больше), чем мощность сферической волны, оставаясь пропорциональной пислед.ей Описываемый фе- номен своим существованием обязан векторному произведению «маленькой» про- 60
екции вектора на «большой» (суммарный) вектор , в результате которого образуется ощутимая радиальная составляющая вектора Пойнтинга, а с ней и ощутимый поток мощности, уносимый радиоволнами. Сделаем условно восьмой (новый) вывод: в многообразии состояний волны КХ существует одно — волна КХ+ — самое выгодное энергетически для построения системы «проводник—земля» в качестве антенны. Условно девятый (новый) вывод: мощность излучения системы «проводник- земля» оказывается больше (даже много больше), чем мощность Рс сферической волны, которая является стимулятором появления Рх. Сразу определим то, из упомянутого «наблюдаемого», чему не было даже намека в работах ОЧО и других предшественников. Объяснились условно второй, третий, четвертый, пятый, седьмой, частично восьмой и девятый выводы. Й если бы эксперимент не предшествовал проведенному анализу в развитии описываемых событий, то все упомянутые результаты эксперимента вытекали бы из него как следствия и могли быть высказаны априори! Можно спросить, а как быть с условно первым, шестым и частично восьмым выводами? Чем и как объяснить их проявление в результатах эксперимента? Для того чтобы «увидеть» ответы на эти вопросы, обратимся к рис. 42, 43, 44. На рис 42,а в плоскости 5, ортогональной длинному проводнику и располо- женной в пределах системы «проводник—земля», показана условно картина си- ловых линий поля £ для волны Лаврова, когда h «X. На рис. 42,6 та же картина показана в стилизованном виде с тем, чтобы выделить и подчеркнуть ее самые характерные особенности. Глядя на оба рисунка, отметим следующее: 1) сверху от оси провода (по координате +у) число силовых линий «Мл; 2) слева и справа от оси провода (по координате ±z) число силовых линий Нлг = А/+л<|«л; 3) снизу от оси провода (по координате -у) число силовых линий АСЛ<Д/ИЛ, у 2 где Мл — условно сбщее число силовых линий поля в волне Лаврова; 4) все силовые линии исходят от оси провода (находятся в условной фазе 0°). На рис. 43,а и 43,6 сделано то же самое для сферической волны. Глядя на рис. 43,а и 43,6 и пользуясь предыдущими обозначениями, отметим следующее: 1) Л/Д = = N+z = Ncz = lwc, где Mc — условно общее число силовых линий поля Е в сферической волне; 2) все силовые линии входят в ось провода (находятся в условной фазе 180°). Образуем из этих парциальных волн волну взаимодействия КХ+, для чего наложим стилизованные картины силовых линий рис. 42,6 и рис. 43,6 друг на друга с учетом их фазы в предположении, что МЛ = МС, и получим рис. 44. 61
Рис. 42. Поперечный срез волны Лаврова Рис. 43. Поперечный срез сферической волны Рис. 44. Поперечный срез волны взаимодействия КХ+ 62
Рис. 44 — стилизованная картина силовых линий поля £ в волне КХ+. По этой картине Систавим «илозесный портрет» реальной волны КХ+: 1) » 1м™ , N™ » 1м™ — число силовых линий над проводом соизмеримо с числом силовых линий под проводом, где М™ — условно общее число силовых линий поля Е в волне КХ+; 2) Ч™ = N™ число силовых линий слева и справа от провода много меньше их общего числа; 3) часть силовых линий исходит от оси провода, а часть силовых линий входит в ось провода (силовые линии перестал! быть синфазными). Сопоставляя рис. 42,6 и рис. 44, видим: 1) в волне ЮС силовые линии совпадают по направлению, 2) в волне ЮС ослаблены (отсутствуют) z составляющие поля Е, что влечет за собой ослабление (отсутствие) излучения на «паразитной» (перпендикуляр- ной) составляющей поля, если за «основную» (параллельную) принять у составляющие поля; в совокупности п. 1 и 2 объясняют наличие более высокого КНД проводника с бегущей волной ЮС по сравнению с КНД того же проводника с волной Лаврова; 3) в волне КХ+ под проводом силовых линий меньше, чем силовых линий в волне Лаврова; 4) в волне КХ+ над проводом силовых линий больше, чем силовых линий в волне Лаврова; в совокупности п.п. 3 и 4 объясняют меньшие потери в земле для волны ЮС по сравнению с волной Лаврова. Рис. 42, 43 и 44 действительно позволяют «видеть», как и почему реализуются условно первый, шестой, восьмой выводы, сделанные на основе результатов экспериментов. Важно отметить, что качественно все выводы реализуются всегда, какое бы соотношение между числами Мп и М0 ни было взято, так как возможность обес- печения условия противофазное™ между парциальными волнами в волне КХ сомнению не подлежит. Представляется интересным сообщить дополнительно следующее. Оказывает- ся, существует закономерность, что при неизменной мощности источника коле- баний Ро, изменение тока, например увеличение тока 1П на проводнике длиной L с бегущей волной, влечет за собой изменение, в данном случае — сужение, ДН антенны независимо от причин, которые вызвали изменение тока. Доказательством этому служит следующая цепочка рассуждений. 1) Уровень поля Е излучения антенны в точке наблюдения М дальней зоны пропорционален току 1п. 2) Вектор Л Пойнтинга в точке М пропорционален Е1 2 3 4 квадрату уровня поля в этой точке. 3) мощность излучения равна произведению П5 вектора Пойнтинга на пло- щадь поверхности, которую пронизывает поток излучения. 4) Условие Ро = = PS требует пропорционального уменьшения значения 5 при увеличении Л. 63
5. Уменьшение S равносильно сужению ДН антенны, росту её КНД, электри- ческой длины /-з<в и> как следствие, изменению /?£ сопротивления излучения (без изменения геометрической длины L проводника с бегущей волной тока). Для краткости обозначим эту закономерность как «парадокс тока». «Парадокс тока» наблюдается у антенн ОБ-Е и лучевой для волны КХ+. В этой волне (по сравнению с иными возможными) наблюдается ^избыток» поля Н при «недостатке» поля Е при общей мощности полей, равной Ро их источника. Этот случай адекватен увеличению тока 1П по п. 1 приведенных рассуждений и приводит к результатам, изложенным в их п. 5. Источник [10, с. 146, рис. V.1.S] приводит зависимость /?Е провода, обтекаемого бегущей волной тока, от значения Z./X. Позволительно спросить: «какому случаю возбуждения и нагрузки провода соответствует эта зависимость?» Ясно, что ответа не последует, ибо такой вопрос ни у кого и никогда не возникал. Этот пример как частный случай из многих возможных приведен для иллюстрации необходи- мости внесения поправок в соответствующие теме разделы хотя бы в учебные программы ВУЗов связи. Возвратимся к вопросам трактовки понятия КПД для антенны ОБ-Е. Здесь мощность Ро источника колебаний расходуется на три вида основных потерь: Ps — потери на излучение радиоволн, Рпз — потери в земле, Рн — потери в нагрузке, считая, что потери в проводниках всегда пренебрежимо малы. Потери на излучение и потери в земле распределены по длине L проводника с бегущей волной. Энергия расходуется в процессе распространения колебаний от начала про- водника к его концу, остатки которой «сливаются» в нагрузку, как в бочку под водосточной трубой. Для пользователя ОБ-Е в качестве антенны потери Ps есть потери полезные. Поэтому КПД антенны ОБ-Е в общепринятом смысле будет иметь вид КПД0Б.Е = = Р°'(Рпз + Рн). (1.40) 'о т0 г0 Суммарную мощность потерь Рп = Рпз + Рн = const (1.41) можно трактовать как ту часть мощности Ро, которая осталась не преобразованной в Рт для данного образца антенны ОБ-Е. Перераспределение мощности потерь Рп между Рпз и Рн зависит от параметров земли. В соответствие своей исходной формулировке условий возбуждения колебаний на прямолинейном проводнике (в известной степени искусственных) Г. А. Лавров получил то строгое решение, которое содержало только медленную поверхностную волну. Тем самым им было доказано, что бегущая волна тока по линейному проводнику с амплитудой Тп, которая несет в себе всю мощность Ро источника колебаний, не создает поле вида (1.2) в произвольной точке М дальней зоны, т.е. не создает радиоволны. Реальные условия возбуждения колебаний на том же проводнике приводят к результату, при котором бегущая волна тока создает радиоволны. Анализ работы антенн Бевереджа и ОБ-Е показывает, что на одном и том же проводнике с бегущей волной тока в системе «проводник—земля» доля мощности Р£, уносимая радиоволнами при Ро = const, может быть различной и зависит от схем концевых участков системы: схем включения генератора и нагрузки. 64
Этот результат утверждает, что бегущая волна тока на проводнике только участ- вует в процессе создания радиоволн и что этот процесс не единоличный, а груп- повой. Чем же реальные условия возбуждения проводника отличаются от условий его возбуждения по Лаврову? В самом общем виде, как мыслится, эта разница заключена в том, что в реальных условиях невозможно заключить в бегущую поверхностную волну тока на проводнике всю мощность источника колебаний Ро. Некоторая часть ДГ0 этой мощности неизбежно расходуется на образование волны сферической. Оба типа волн несут когерентные колебания. Их взаимодей- ствие и создает поле вида (1.2), т.е. создает радиоволны. Для антенны Бевереджа основными очагами генерации сферической волны являются ее снижения. Для антенны ОБ-Е ими являются'ее противовесы. Возвращаясь к концепции Бриллуэна, можем сказать, что те точки (участки) проводника с бегущей поверхностной волной тока, которые являются причиной изменения направления движения колебаний, и являются очагами генерации сферической волны. Ими оказываются концы проводников, изгибы, утолщения и прочее, что можно охарактеризовать одним словом: неоднородности. (Глядя на конструкцию полотна типовых ромбических антенн, можно обнаружить перечис- ленные неоднородности.) Именно поэтому для описания антенн бегущей волны (любого типа) применять выражения вида (1.2) надо с оглядкой. Это принципиально новое положение в теории антенн бегущей волны могло быть высказано самим Лавровым Г. А., если бы он проанализировал результаты собственных исследований. Теория Лаврова, которая вроде бы только мешала создавать антенны бегущей волны, оказала на деле неоценимую доселе услугу в понимании процессов, которые имеют место на их проводниках в реальных условиях практики. Автор, применив эту теорию, лишь оптимизировал возбуждение бегущей волны на линейном проводнике по критериям антенного устройства. Обратимся к диполю Герца, чтобы понять, что происходит с электрическими за- рядами на проводнике для стоячей и бегущей волн. По логике гипотетических условий создания диполя Герца, при которых длина его плеча 1-»0, он представляет собой лишь клеммы ввода ЭДС. Эти клемы имеют малый конечный объем V. Г. Герц мыслил их в виде сфер. Допустим, что к таким клеммам приложена периодическая во времени ЭДС, так, что в первую % периода колебаний напряжение нарастает от нуля до макси- мума. На протяжении этого времени объемы V клемм заполняются зарядами (-) и (+), а в вакууме вокруг клемм образуется магнитное поле Н, которое обусловлено зарядами, изменяющимися и во времени, и в объемах V. Во вторую 1/4 Т периода колебаний напряжение спадает от максимума до нуля. На протяжении этого времени объемы V клемм освобождаются от зарядов (-) и (+) путем трансформации их энергии в энергию электрического поля Е, которое «замыкает» заряды разных знаков. «Опустошенные» объемы I/ клемм оказываются готовыми принять очередную порцию зарядов, но уже с переплюсовкой их знаков, и процессы повторяются. Магнитное и электрическое поля в вакууме вокруг клемм энергетически взаимо- действуют между собой с образованием радиоволн. Энергия радиоволн со ско- 3-1854 65
ростью v=C удаляется, освобождая пространство для следующей порции. Этими пульсациями выполняется закон сохранения энергии, которая переходит из одного вида в другой без исчезновения. Отождествлять менаду собой отрезок проводника Д£Б с бегущей волной тока и вибратор Герца тех же размеров Д£ со стоячей волной тока представляется неправомерным. Причина этому, на наш взгляд, состоит в том, что на отрезке проводника Д£.Б нет разности потенциалов в отличие от диполя Герца, между концами которого она есть. Если принять это утверждение, то окажется, что отрезок и вибратор Герца — это принципиально разные электродинамические системы. А если это так, то как же можно линейный проводник с бегущей волной тока дробить на отрезки Д£б и определять поле от каждого из них в произвольной точке М дальней зоны по тем же правилам, которые действуют для вибратора Герца? В ответе на этот вопрос заключена вся теория излучения радиоволн проводником с бегущей волной тока*. Возьмем любой источник знаний по антеннам и посмотрим раздел «Теория излучения и приема антенн», например, [10, глава V]. Естественно, ни о чем подобном там не сказано. А в результате, в разделе «Одиночный провод, обте- каемый бегущей волной тока» (там же, с. 118) нет указаний, какому случаю возбуждения и нагрузки этого провода соответствуют приведенные расчеты. (По- лучается нечто, похожее на письмо Чеховского Ваньки Жукова — на письмо без адреса). Практика антенн со времен Г. Герца «терпит» теорию излучения радиоволн применительно к проводникам со стоячей волной тока на них. Практика ромбических и V-образных антенн со времен Е. Брюса «терпела» эту теорию и продолжает ее «терпеть» до сих пор (ибо за нее пока никто не взялся). Практика антенн со времен Д. Карсона «терпела» теорию излучения радиоволн применительно к линейным проводникам с бегущей волной тока до тех пор, пока антенна Бевереджа была одна, имела низкую эффективность и не принималась разработчиками во внимание в качестве «серьезной». К тому же, по-видимому, ее многочисленные исследователи (после Д. Карсона), делая диссертации, про- пускали мимо сознания свои же позитивные результаты испытаний, опасаясь войти в противоречие с официальной наукой. С появлением антенны ОБ-Е положение изменилось. Конкурировать с ней по эффективности и стоимости претендентов не видно. Поэтому практика больше не в силах «терпеть» огрехи бытующей теории и ученым (ее носителям) надо бы пересмотреть свои позиции. В случае несогласия с автором у них теперь осталась только одна возможность: прекратить тотальное отрицание фактов и выдвинул им в объяснение нечто свое, адекватно отражающее действительность. Из-за частых негативных ссылок на источник [10] может сложиться впечатление, что Г. 3. Айзенберг чем-то «насолил» автору. Это не так. Автор знавал Григория Захаровича. Не раз, за чашкой чая оба разнокалиберные собрата по профессии обсуждали «бэ-эски», ромбы, «бегучки» Бевереджа и прочее антенное. Метр по отечески снисходительно выслушивал упреки в свой адрес по поводу не вдруг различимых ^печаток (и ошибок) в работе [10] и неторопливо, приглу- * См. приложение к очерку. 66
шенно, «заедая» окончания слов, отвечал: «Константин Павлович, Вы... знаете мои книги даже лучше... чем я сам. Хе... Хе... Ошибки? Это студенты... Я задаю им задачи по курсовому проектированию, а они их выполняют «спустя рукава», вот и ошибки в расчетах... Это студенты...». Г. 3. Айзенберг — это эпоха в создании, разработке и введении в строй КВ антенн магистральной радиосвязи. По его воспоминаниям, начинали они работать вместе с А. А. Пистолькорсом. Затем, матерея, почувствовали тесноту в одной «берлоге». А. А. Пистолькорсу пришлось уйти. (По-видимому, насквозь интеллигентный, он уступил в «борьбе сумо» своему цепкому сопернику.) Автору доводилось встречаться «глаза в глаза» и с Александром Александро- вичем, докладывая ему свои разработки по зигзагообразным антеннам. Кстати, как считает автор, его монография [11] — это одна из лучших книг по антенным устройствам. Уже отмечалось, что конечной целью всех усилий было получение коэффициента усиления КУ0Б.Е. Что КУ0Б.Е есть величина относительная и отнесена она к КУ0Б на условиях равенства геометрических размеров L и d проводника с бегущей волной и пара- метров земли под обеими антеннами. Эксперимент (рис. 31), показал, что в пределах значений h (d/2 < h <, 0,05k), в которых существует антенна ОБ, ее КУ0Б= 1/4КУ0Б.Е за счет меньшего КНД. Эксперимент (рис. 27) показал, что с ростом значений h (от h = 0,05k до Л = 0,5k) КУОБ.Е прирастает на 10 дБ. Из перечисленного следует, что антенну ОБ-Е можно построить так, что ее КУ0Б.Е будет в 40 раз (сорок!) превышать КУ0Б антенны ОБ, построенной на том же месте, той же длины и того же диаметра. Повторим (коротенько) цитату из отзыва профессора В. Г. Ямпольского «...ис- пользование антенны ОБ-Е в реальных условиях не дает никаких преимуществ по сравнению с антенной Бевереджа...» и скажем, что профессор архи неправ, как и ОЧО в целом. В реальных условиях [4] преимущество ОБ-Е над ОБ по КУ достигнуто в 20 (двадцать) раз (13 дБ) с возможным достижением до 40 (сорока) раз (16 дБ) при оптимальном увеличении h. Преимущество в КУ до 40 раз, господа хорошие ученые, это много, даже сказочно много, как немало, впрочем, и 20-ти лет одной человеческой жизни, потраченных на доказательство правоты идей в условиях вашей обструкции. Теория антенн с бегущей волной тока на линейном проводнике со «времен Адама» не соответствовала реалиям жизни. Поэтому ученые, условно причисленные к ОЧО, и стали истинными «жертвами» своих заблуждений. Этим позволим завершить рассмотрение результатов исследований и перейти на их основе к рекомендациям построения линейных антенн бегущей волны. Практически всегда заманчиво без особых затрат, не слишком увеличивая поперечные размеры, дополнительно увеличить вдвое КУ антенны. Например, [10] такой результат преподносит с законной гордостью, говоря о сдвоенном ромбе Айзенберга. Схемы рис. 45 дают возможность это сделать для антенны ОБ-Е. Для увеличения ее КУ не менее важно использовать любую возможность поднять высоту h подвеса проводника над землей в пределах h<kCP/2, где кСР — средняя длина волны заданного диапазона. 3 67
а) Рис. 45. Способы построения антенны ОБ-Е с удвоенным коэффициентом усиления Итак, в процессе эволюции, антенна ОБ-Е приобрела очертания могучего устройства с колоссальным коэффициентом* (см. отзыв Е.Коваленко). _ эффективность стоимость (1.42) Сравнение ОБ-Е с антеннами типа БС-2 уже упоминалось в отзыве И. Сафонкина и работе [4]. * Упоминая коэффициент С, уместно сказать добрые слова в адрес маршала Войск связи А. И. Белова, который ввел его как критерий оценки устройств и систем коммуникации и связи. ее
Глава II ПРАКТИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ОБ-Е АНТЕННЫЙ КОМПЛЕКС ОБ-Е Рассматривая состояние антенно-приемных трактов КВ радиоцентров, В. Д. Че- лышев приходит к заключению, что они во мн>>гом не удовлетворяют практику [24]. Результаты работы [4] позволяли пересмотреть взгляды на принципы построе- ния антенн, антенных комплексов и компоновки таких комплексов на антенном поле, имея целью получение возможности их автоматизации и повышения надеж- ности магистральных радиосвязей [5], [25], [26]. Первая весомая практическая реализация результатов и замыслов [4] была осуществлена в объекте «Гамма» [27]*. Этот объект был подвергнут всестороннему обсчету и тщательным сравнительным испытаниям [28]. В выводах [28], акта сравнительных испытаний комиссия отметила высокие экономические, техниче- ские, эксплуатационные и другие специальные показатели объекта «Гамма». Вы- воды [28] не просто рекомендовали, они требовали незамедлительного переосна- щения своих радиоцентров комплексами ОБ-Е. (см. отзыв Е. Коваленко). Однако, несмотря на существование документа [28], Федоров В. Д. (см. его отзыв) дал отрицательное заключение на целесообразность применения антенн ОБ-Е на узлах связи, воспрепятствовав реализации новой техники на узлах связи, вопреки мне- ниям и требованиям самих же узлов связи. Чтобы превратить антенные поля в полноазимутальные с равновероятным приемом сигналов, был создан антенный комплекс ОБ-Е. Он включает в себя три антенны ОБ-Е различной длины £ = 60; 120; 240 м, которые ориентированы на местности в одном общем азимуте. Комплекс рассчитан на поием радиоволн в диапазоне 10м^Х£100м, (З-гЗО) МГц с ионосферным характером распространения (пространственные вол- ны) на трассах большой протяженности /?>1000 км. Параметры ионосферы не- стабильны во времени и неоднородны в пространстве, поэтому в точке приема радиоволн наблюдаются нестабильность углов еПР по отношению к горизонту и колебания уоовней поля. Характеризуя далее антенны, входящие в комплекс, будем для краткости име- новать их «короткая», «средняя», «длинная». Вероятные углы прихода радиоволн лежат в пределах [29] з°<;еПр<:зо0. (2.1) Антенны ОБ-Е, входящие в комплекс, на данной частоте f0 имеют ДН с раз- личными углами t‘max, их главные лепестки ДН по разному наклонены по отношению к горизонту и зависят от отношения £/Х. Такой набор антенн в комплексе позволяет обеспечить оптимальный прием радиоволн на одну из антенн с учетом фактора (2.1). * Осуществить проектирование объекта «Гамма» было бы невозможно без таранной силы В. М. Тимофеева, здравомыслия и административного ресурса С. С. Аксенова. Не было бы объекта «Гамма» и без усилий Б.Н. Чуйкова, выступившего на стороне «заказчика». Б. Чуйков сумел вовремя объединить «свои» потребности с «нашими» возможностями. Сумел убедить свое руководство (М. В. Шульгу) в том, что «игра стоит свеч». В результате выиграли вое. 69
При этом не имеет значения, какая из величин претерпевает изменение, L или X, а какая остается постоянной. Важно, что обеспечивается уверенный прием радиоволн, приходящих в существенно более широком секторе углов 0ПР, чем возможно осуществить с применением только одной антенны. Число (три) антенн в комплексе выбрано минимально достаточным по экономическим соображениям. Длины антенн обеспечивают высокие значения КНД по диапазону частот и плавное перекрытие ДН в вертикальной плоскости. Конструктивно антенна ОБ-Е занимает сравнительно мало места в поперечнике, что позволяет разместить их в комплексе рядом и считать единым антенным устройством данного азимута (данных азимутов). Минимальную ширину ДН (ф0,5ть> в горизонтальной плоскости имеет «длинная» антенна на Xmin =10 м. Этот угол Фо,5т<п= 15°- Он принят параметром комплекса ОБ-Е. Сектор азимутальных углов, равный 15, является рабочим сектором ком- плекса. «Короткая» антенна имеет наименьшее значение КНД по сравнению с осталь- ными. Ее рабочий диапазон укорочен за счет длинноволнового участка и заключен в пределы 10 м<Х<60 м. Основное назначение «короткой» антенны заключается в обеспечении приема радиоволн, приходящих под большими углами 0ПР. На рис. 46,а приведены главные лепестки ее ДН в вертикальной плоскости на крайних частотах диапазона. Как видно, в пределах углов ©05, «короткая» антенна способна принять радиоволны, приходящие под углами: 7°<©пр<24° наХ^л = Юм 9°<0ПР<42° наХтах = 60м (2.2) На рис. 46,6, в приведены аналогичные предыдущему ДН для «средней» и «длинной» антенн. Для них, соответственно, имеют место соотношения: 4°<0ПР<16° HaXmjn = Юм 6° < 0Пр <40° наХтах • ЮОм 2 ©пр — 9,5 наХт|п — Юм 4°<еПР<28° на’Хтах = ЮОм (2.3) (2.4) Отметим, что для приема радиоволн, приходящих под углом ©ПР=2О, полотно антенны типа БС-2 [10], поднимают на мачты, высотой 25м Антенны ОБ-Е на объекте «Гамма» имели опоры высотой 4м. Минимальный угол ф01Бт1Л раскрыва диаграммы направленности в горизонталь- ной плоскости имеет «длинная» антенна на Он равен Фо.бгЛп • Максимальный угол Фо.5гП|П имеет «короткая» антенна на своей Хтах = 60м. Он равен Фо,5тах~65 . (2.5) (2.6) Соотношения (2.2), (2.3), (2.4), (2.5) и (2.6) являются пространственно-угловыми параметрами антенного комплекса ОБ-Е. 70
71
Характеристики антенны ОБ-Е определяются длиной L проводника с бегущей волной тока, его эквивалентным радиусом гэ диапазонными свойствами проти- вовеса для создания волны КХ+ и высотой h подвеса всех проводников над землей. Согласие рис. 27 высоту h следует иметь, по крайней мере, не менее 5 м, что на Хтах=100м дает отношение (/7Дтах) = О,О5. Выбор эквивалентного радиуса гэ определяется такими факторами: — увеличением КУ антенны; — обеспечением согласования с питающим фидером; — стоимостью сооружения. Понижение волнового сопротивления проводника улучшает все электрические характеристики антенны. Однако оно достигается за счет роста гэ, последнее же увеличивает стоимость антенны. На выбор волнового сопротивления проводника антенны оказывает влияние волновое сопротивление фидера, применяемого для ее питания, а также способ включения фидера в точки 1-2 зазора Д по рис. 47. Компромиссный характер определения волнового сопротивления фидера при- водит к целесообразности заключить его в пределы: Zo « (200 ч-300) Ом. (2.7) Расчет волнового сопротивления можно сделать, пользуясь формулой Кессе- ниха [31], полученной им для уединенного проводника, ZB = 6ofln— - 0,577). (2.8) k лгэ 7 На среднегеометрической длине волны ХСР=31,6 м рабочего диапазона ан- тенного комплекса ОБ-Е для получения 7в = 200 Ом необходимо иметь гэ»140мм. (2.9) Обеспечить соотношение (2.9) можно в составном проводнике, в который входят четыре проводника, радиусом г0 = 2 мм, расположенные параллельно друг другу в одной плоскости на расстояниях 5^340 мм. Проводники можно распо- ложить в вертикальной или в горизонтальной плоскостях по отношению к земле. Располагать в вертикальной плоскости удобнее конструктивно, а в горизонтальной плоскости — выгоднее, так как при этом КУ антенны будет большим. 72
Номинал нагрузочного резистора при этом должен быть равен /?н = 2000м. (2.10) Для получения ZB = 300 Ом достаточно использовать два параллельных провод- ника радиусом г0 = 2мм и расположить их параллельно на расстоянии S» 1000 мм друг от друга. При этом номинал нагрузочного резистора должен быть равен /?н = ЗОООм. (2.11) Согласно (2.8) ZB зависит от значения \ и в диапазоне волн с десятикратным перекрытием вменяется в 1,8 раза. Это ухудшает степень согласования проводника с нагрузкой и антенны с фи- дером, с чем приходится мириться. Роль противовесов в работе антенны ОБ-Е трудно переоценить. В принципе они должны быть «четвертьволновыми» на каждой из волн рабочего диапазона антенны. Приблизиться к этому требованию можно, выполняя каждый противовес в виде плоского пучка проводников разной длины. Длина условно первого самого протяженного, должна быть немного больше, чем (прЗ^-. (2.12) а длина последнего, самого короткого, должна быть немного меньше, чем гДе ^-тах и ?-min ~ граничные длины волн рабочего диапазона антенны. Закон изменения длины последующего провода по отношению к предыдущему следующий: = =....... = = 0,85. (2.14) пр, 'пр2 ‘пр(„_п Располагают провода противовеса (лучи) в roi мзонтальной плоскости веером, попарно-симметрично относительно оси антенны. Угол при вершине таксго веера не должен превышать 120°. Противовесы выполняют одинаковыми на стороне возбуждения и на стороне нагрузки. В качестве фидера, питающего антенну, может быть использован коаксиальный кабель 75 Ом (типа РК) или симметричный д^ухпроводный кабель (типа РД-200). Как в первом, так и во втором случаях между фидером и точками 1-2 возбуждения антенны, рис. 47, должен быть включен симметрирующий, он же согласующий, трансформатор. Повышающая обмотка трансформатора должна быть симметрич- ной, а понижающая — несимметричной (если фидер взят типа РК). Си мметричная обмотка не должна иметь заземленной средней точки. Коэффициент трансфор- мации N устройства должен соответствовать исходным условиям задачи, например, если /?н = 300 Ом, а волновое сопротивление фидера ZB = 75 Ом, то W = ^ = 4. (2.15) /Э В случае применения симметричного двухпроводного фидера обе обмотки трансформатора должны быть симметричными и не должны иметь заземленной средней точки. 73
Включать фидер в точки питания антенны без применения симметрирующего трансформатора запрещается! В точки 3-4 антенны включают нагрузочный резистор R4. Испытания антенною комплекса ОБ-Е показали, что во времени доли участия в приеме информации каждой из антенн комплекса различны. Так, например, «короткая» антенна работала на протяжении Т0% общего времени, «средняя» — 27 и «длинная» — 23%, рис. 48. Указанные проценты косвенно характеризуют вероятность реализации значении углов прихода 0Г|Р радиоволн на трассах раз- личной протяженности. Можно отметить, «то наличие только «средней» антенны (а не комплекса в целом) привело бы к уменьшению вероятности приема сигналов в четыре раза. Каждую из антенн, входящую в комплекс, можно использовать одновременно для приема сигналов одной и той же частоты, или для приема сигналов разных частот Д, f2- nf3. Рис. 48. Доли участия антенн различной длины комплекса ОБ-Е в приеме сигналов В последнем случае и рассти ния R до корреспондентов тоже могут быть не одинаковыми: R^^R2^R3. В случае выхода из строя о«ной (или даже двух) антенн сохраняется возмож- ность приема сигналов на третью антенну комплекса с такой же вегоятностью, которая была бы на любом стандартном узле связи с одной КВ антенной на данном азимуте. Регламентное обслуживание антенн комплекса ОБ-Е производится поочередно, что сохраняет ему беспрерывную работоспособность. Перечисленное позволяет расширить функциональные возможности и повысить надежность эксплуатации антенной техники связи
АНТЕННОЕ ПОЛЕ «ГАММА» Рассмотрим принципы построения и характеристики объекта «Гамма» — ан- тенного поля, на котором размещены комплексы ОБ-Е. Объект «Гамма» предна- значен для обслуживания стационарного приемного радиоцентра (СПРЦ) и входит в него составной частью. В свою очередь, СПРЦ предназначен для одновременного приема сигналов в КВ диапазоне от многих источников, расположенных в раз- личных направлениях и на различных расстояниях. В отличие от существующих антенных полей объект «Гамма» [30] представляет собой универсальное антенное поле, предназначенное для приема сигналов в КВ диапазоне равновероятно по всем азимутам. Оно состоит из однотипных антенных комплексов ОБ-Е, расставленных оди- наково равномерно (регулярно) на антенной площадке вокруг технического здания. Такое построение гарантирует уверенный прием сигналов на трассах различной протяженности /? > 10ОО км по всем азимутам в любое время суток и года с минимальными затратами материальных сил и средств. Схема объекта «Гамма» показана на рис. 49. Центральная зона поля радиуса г предназначена для размещения технических и подсобных строений, башен и т.п. Известно, что здание экранирует радиоволны, если оно находится перед излуча- телем в непосредственной близости от него. Поэтому антенны комплекса ОБ-Е размещены на поле так, чтобы продолжение их осей не пересекало центральную зону. Угол у, рис- 49, есть угол между радиусом г окружности центральной зоны, проведенным из центра в начало «длинной» антенны и осью этой антенны. Все антенные комплексы ОБ-Е располагают на антенном поле симметрично и равномерно. Это условие выполняется, если угол г одинаков для антенн всех комплексов. Минимально необходимое число m антенных комплексов на поле определяется углом <Po,5min= 15° и равно т = ^ = 24. (2.16) Радиус окружности, ограничивающий все антенное поле, равен R = л/г2-2г(1соэу + /?, (2.17) где L, — размер «длинной» антенны. Угол у может принимать значение в пределах 0°<у<180°. Очевидно, что минимальный радиус /?min, при котором антенное поле занимает наименьшую площадь и остается работоспособным, соответствует углу у = 90°. При у = 90° ось «длинной» антенны касается окружности радиуса г, а «гшп = Расстояния между осями антенн в комплексе одинаковы и могут достигать 15 м. В целях экономии земельной площади, а также рациональной компоновки антенных комплексов на антенном поле, возникает необходимость в размещении антенн, входящих в смежные комплексы, на одну общую для них опору на стороне возбуждения. В принципе такое размещение антенн из-за их взаимного влияния не всегда допустимо, так как может вызвать искажения в ДН. Проверка антенн ОБ-Е на значение переходного затухания между ними при разнице в азимутах, равной 15°, позволила рекомендовать такой метод построения. 75
На рис. 50 показана saai симость в дБ переходного затухания между смежными антеннами соседних комплексов в зависимости от частоты в МГц. Как видно из рис. 50, развязка между антеннами практически исчлючает их влияние друг на друга. Рис. й9. Схема антенного поля «I амма» Антенна ОБ-Е допускает оеверсирование: использование ее для приема сиг- налов прямого направления в секторе азимутальных углов Дер и обратного на- правления в секторе углов Дер+ 180°. Э’о обстоятельство практически полезно и выгодно, так как позволяет исполь- зовать одно и то же антенное полотно дважды, независимо принимая сигналы в двух азимутальных секторах. Для реализации этой возможности антенна ОЕ-Е на обоих своих концах имеет схемы возбуждения, каждая из которых для противо- лежащей служит нагрузкой, создающей режим бегущей волны на проводнике длиной L. Принципиально возможно выделите (на время) одну из антенн комплекса из его состава и включить в тракт приема, минуя ШАУ (широкополосный антенный усилитель). Исключение из тракт^'приема ШАУ и коммутатора не позволяет использовать выделенную антенну многократно, ито является недостатком. Однако такое ис- 76
ключение существенно снижает уровень помех, попадающих на вход приемника, что многократно увеличивает вероятность приема слабых сигналов, маскируемых помехами при типовом (штатном) использовании комплекса. Рис. 50. К оценке переходного затухания между смежными антеннами ОБ-Е соседних комплексов На антенном поле «Гамма» есть возможность дополнительного размещения отдельных антенн ОБ-Е «среднего» и «короткого» размеров. Этой возможностью следует пользоваться с целью применения в обход ШАУ. Углы раскрыва ДН «средней» и «короткой» антенн ОБ-Е в горизонтальной плоскости во всем их рабочем диапазоне частот шире 15°. Это обстоятельство позволяет по мере необходимости использовать данный комплекс ОБ-Е для работы в секторах азимутальных углов соседних комплексов слева и справа (как дубли- рующий прием, как подстраховка на период регламентных и ремонтных работ и т.п.). При работе КВ линий радиосвязи с ионосферным распространением радиоволн наблюдается эффект замирания — изменения напряженности поля в точке приема. Различают два вида замираний: интерференционные и поляризационные. В различных точках пространства замирания происходят неодновременно. Это обстоятельство позволяет бороться с ними различными методами разнесенного приема. Для разнесенного приема требуются две и более антенны со своими фидерными устройствами и приемниками, а также устройством автовыбора сиг- нала. Антенный комплекс ОБ-Е позволяет применить один из способов разнесенного приема — угловое разнесение. При этом имеется ряд вариантов использования двух антенн в процессе приема сигналов: — «короткая» — «средняя» антенны (в диапазоне рабочих частот «короткой» антенны; — «короткая» — «длинная» антенны (в диапазоне рабочих частот «короткой» антенны); — «средняя» — «длинная» антенны во всем КВ диапазоне. 77
Для второго способа разнесенного приема сигналов следует выбрать наиболее удаленные друг от друга территориально антенны, которые имеют параллельные оси. Схема рис. 49 позволяет видеть, что такой парой антенн могут быть, например, антенны, взятые из комплексов А и Б, при условии их реверсирования. Эффект от применения приема сигналов с пространственным разнесением антенн получается тем большим, чем меньшая корреляция наблюдается между замираниями сигналов в местах расположения антенн. Поэтому наибольший эф- фект может быть достигнут применением комбинированных методов разнесения, например пространственно-углового. Для его реализации нужно в пары разне- сенного приема брать антенны комплексов А и Б различной длины. Объект «Гамма» весьма и весьма эффективен. Его следует применять в тех случаях, когда пункт С совсем не хочет, чтобы его слышали в пункте Д. Для этого пункт С принимает свои меры, а пункт Д строит объект «Гамма». В случае если пункты С и Д намерены дружно обмениваться информацией объект «Гамма» может быть существенно упрощен и стоить вдвое дешевле. Для этого из антенного комплекса ОБ-Е изымается «длинная» антенна. Все остальное делается так, как изложено выше.
Глава III ЛУЧЕВАЯ АНТЕННА КЛИНОВИДНЫЙ ПЛОСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ПРОВОДНИК-АНТЕННА КВАЗИБЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ БЕЗ ПОТЕРЬ В СИСТЕМЕ «ПРОВОДНИК—ЗЕМЛЯ» Результаты работы с антенной ОБ-Е позволяли создать линейную ненагружен- ную антенну квазибегущей волны, размещенную над идеальной землей, предна- значенную для излучения в КВ диапазоне. Напомним, что в недавнем прошлом для этих целей очень широкое применение имели ромбические антенны [10]. Антенна получила название лучевой [38]. Ее схема показана на рис. 51. Подробно с ней можно ознакомиться в работе [39]. В лучевой антенне отсутствует резистор- нагрузка, а земля металлизирована. В совокупности ее конструкция исключает потери энергии источника колебаний на Джоулево тепло. Лучевая антенна не- сколько превосходит по диапазонное™ и эффективности излучения базовую ром- бическую антенну ™па РГ, большая диагональ которой по длине равна длине луча. Лучевая антенна имеет более низкое (на 6...8 дБ) побочное излучение в горизонтальной плоскости по сравнению с базовым ромбом и сравнительно стабильные по диапазону частот входные сопротивления. Последнее обеспечивает антенне естественное согласование с питающим несимметричным фидером. 7 — Идеальная земля 3 - Луч 2 — Проводники противовеса 4 — Источник колебаний Рис. 51. Схема лучевой антенны При почти равной длине с базовым ромбом лучевая антенна занимает меньшую площадь и подвешена на более низких опорах, что позволяет ей занимать в пространстве существенно меньший объем. На основе лучевой антенны, естественно, появилась возможность экономить земельные площади, отводимые под передающие антенные поля. Лучевая антенна гармонировала с современными ей мощными КВ передатчиками, имеющими несимметричный выход для которых не было несимметричных направленных антенн в начале 80-х годов прошлого столетия. В связи с тем, что КПД антенны практически равен единице, ее КУ численно равен КНД. 79
Для создания на луче антенны режима сильно затухающей волны (квг зиб эгущей волны) сам луч конструктивно задуман плоским клиновидным с плавно понижаю- щимся волновым сопротивлением от начала к концу (от точки ввода ЭДС возбу- ждения к концу). Режим квазибегущей волны на луче янтенны позволяет получить высокий КНД по диапазону частот и стабильность в значениях ьходнэго сопротивления ZBX. 3 лучевой антенне по рис. 51 следует выделить три основных эле мента, рис. 52, каждый из которых (облавливает свою роль в их общем взаимодействии. 1. Систему посредников возбуждения антенны — систему противовесов, риг. 52,а. 2. Систему проводников, формирующих ДН антенны — луч антенны рис. 52,6. 3. Систему проводников металлизации земли, рис. 52,в, которые определяют КПД антенны и формируют ее ДН. 80
Какие задачи выполняют эти элементы и как их надо выполнять конструктивно. На систему возбуждения — противовесы — кроме основной задачи накладывается еще задача по устранению антенного эффекта фидера. На рис. 52,а показан вариант размещения противовесов, который ослабляет антенный эффект фидера за счет его прокладки в плоскости расположения самих противовесов. Число и длины противовесов в группе выбираются по тем же критериям, которые описаны для антенны ОБ-Е. Для лучевой антенны применены четыре группы (пучка) про- тивовесов, что видно из рис. 52,а. С целью увеличения КПД антенны и возможности подведения к ней больших мощностей исключен концевой резистор из ее схемы. Это решение затруднило создание на луче режима квазибегущей волны. На выбор конструкции луча по- влияли результаты работы [12], в которой даны рекомендации по построению «несогласованных» ромбических антенн. Здесь термин «несогласованных» полно- стью адекватен термину «ненагруженных». Отметим, что ромбические антенны без концевого резистора разработал Б. В. Брауде. Луч антенны выполнен из пучка прямолинейных проводников, веерообразно расположенных в горизонтальной плоскости, рис. 52,6. Волна тока на луче такой конфигурации должна, с одной стороны, интенсивно затухать, чтобы снизить до минимума энергию отраженной волны от конца луча, неся потери на излучение радиоволн. С другой стороны, волна тока должна сохранять до конца проводника еще достаточную интенсивность, чтобы обеспечить излучение радиоволн и кон- цевым участком луча. По сути дела, на долю луча ложится выполнение двух противоречивых (взаимоисключающих) требований: — всю энергию токов высокой частоты источника колебаний без остатка транс- формировать в энергию радиоволн; — выполнить предыдущую задачу равномерно по всей длине луча. Невыполнение первого требования ухудшает КНД антенны и условия согласо- вания с фидером. Невыполнение второго ухудшает диапазонные свойства антенны. Отметим сра- зу, что физика процессов, протекающих на луче антенны, фактически не изучена, хотя именно она определяет параметры и характеристики антенны. Металлизация земли, рис. 52,в, для лучевой антенны применена с целью повышения КПД. Она представляет собой группу проводников, расположенных под лучом параллельно его оси. Под противовесами проводники металлизации расположены в виде сетки. В итоге, конструкция антенны довольно проста, особен- но схема ее питания. Простота схемного решения любого устройства есть один из критериев его технического совершенства, а проще прямолинейного проводника над землей, трудно что придумать. На рис. 53 показаны ДН лучевой антенны, снятые в угломестной плоскости для различных отношений £/Х. На рис. 54 приведены ДН в азимутальной плоскости в сечениях, соответст- вующих максимумам ДН на рис. 51. На рис. 55 приведен КУ лучевой антенны по отношению к изотропному излу- чателю, полученный экспериментально методом сравнения с эталонной антенной (сплошная кривая с крестиками для различных отношений £Д). Там же пунктиром приведена зависимость КУ от ХД0 типовой ромбической антенны РГу^0,5, заимствованная из [10]. Сопоставление кривых 1 и 2 с учетом углов наклона направления максимального излучения антенны к плоскости гори- 57 зонта позволяет считать, что лучевая антенна и ромб РГ—0,5 по электрическим @1
характеристикам близки друг к другу и могут быть использованы на трассах протяженностью до 1000... 1200 км, 82
Рис. 54. Диаграмма направленности лучевой антенны в Н-плос :ости поляризации для различных £Д
При этом если принять за Хтах=50 м нижнюю границу диапазона антенн, то будем иметь следующие их основные размеры соответственно: Лучевая антенна Длина луча, м...............................................120 Ширина луча, м...............................................12 Высота подвеса конца луча, м..................................8 Высота по,, веса начала луча, м...............................4 Занимаемый объем, Ул ® №...................................4350 РГ^О.5 Длина большой диагонали, м....................................131 Длина малой диагонали, м.....................................77,5 Высота подвеса проводников (стандартный ромб), м.............20,8 Занимаемый объем, VP « м3................................. 104000 Отношение Ур/1/л» 24. Объем лучевой антенны не дотягивает и до 5% от объема ромбической. Такая разница в конструктивных характеристиках устройств при равенстве их функциональных параметров «внушает» (как сказал бы известный персонаж TV-6). Однако все тот же Федоров В. Д. (см. его отзыв) счел нецеле- сообразным применение и лучевых антенн на радиоцентрах. (По контексту доку- мента на радиоцентрах отечественных, а не на радиоцентрах неприятельских, как может подумать читатель-патриот.) Может показаться, что автор очень выгодно подобрал антенну для рис. 55 с целью гротескного сопоставления с лучевой. Рис. 55. Зависимости от L/Х и коэффициентов усиления 1 — ромбическая антенна; 2 — лучевая антенна Рис. 56 позволяет сопоставить с Лучевой еще некоторые антенны, более или менее подходящие друг к другу по функциональным (электрическим) характери- стикам. 84
КУ Л Рис. 56. Зависимости от X /Х^ коэффициентов усиления 1 - лучевая антенна, 2—логопериодическая антенна; 3 — синфазная горизонтальная антенна с апериодическим плоским рефлектором; 4 — ромбическая антенна Данные для рис. 56 были заимствованы из [10] и [40]. Выделим труд [40] как уникальный сборник at теннс-фидерных устройств, настоящий атлас антенн. На рис. 56 даны зависимости КУ по отношению к изотропному излучателю от параметра Х/Хтрх. где Хтах — максимальная длина волны рабочего диапазона антенны. Здесь соответственно: 1 — лучевая антенна; 2 — логопериодическая антенна с вертикальными вибраторами; 3 — синфазная горизонтальная диапа- зонная антенна с апериодическим плоским рефлектором; 4 — ромб РГ^0,5. Для всех антенн рис. 56, за исключением лучевой, высота опор для подвеса проводников сос гавляет h = 0,5Xmax! что примерно в три раза больше высоты опор лучевой антенны, а следовательно, по их стоипосги примерно в 8.. ,9 раз дороже. Дадим некоторые рекомендации по построению лучевой антенны дл1 х^- 50 м. Полотно антенны выполняют из 12 проводников равной длины £=120 м. Его начало поднимают в точках гитания на высоту hH = 4 м над землей, а конец — на высоту hK = 8м. При этом угол между осью антенны и горизонтом составляет 2°. Луч выполняют V-образной формы из двух пучков проводников по 6 штук в каждом. Провод» ки в пучке перемыкают равномерно по длине пучка. Провода противовесов располагают в горизонтальной плоскости и закрепляют на леерах из ошлангованного синтетического каната. Луч, противовесы и металлизацию земли выполняют из биметаллической про- волоки диаметром 4 мм. В качестве опор применяют одноствольные мачты из асбестоцементных труб. °асстояние между мачтами — длина пролета может составлять 45 м. Допустимая с трела провеса проводников установлена равной 5% от длины пролета. 8Ь
Приложение Здесь автор, рассуждая «вслух», не агитирует читателя, а лишь приглашает его на путь сопоставления: математических уравнений, физических величин, про- цессов и понятий (входящих в эти уравнения в качестве функций и их переменных) и результатов теории и практики, на которые можно достоверно опереться на текущий момент времени. Выпишем выражения для дивергенции и ротора электрического и магнитного полей в дифференциальной форме. divD = р; (1) dive = 0; (2) rot£--f; (3) rotW-in + f. (4) Здесь: D — вектор электрического смещения; В — вектор магнитной индукции; Е — напряженность электрического поля; Н — напряженность магнитного поля; р — объемная плотность зарядов; in — объемная плотность тока проводимости. Это уравнения Максвелла — Великие Уравнения. Ток 1П можно считать результатом движения, например, со скоростью vp группы зарядов с плотностью р: »п * Р^р • (5) Закон сохранения заряда требует, чтобы при любом изменении р в пространстве и во времени полный заряд всей системы не изменился. Заряд, находящийся внутри любого объема V, из которого его часть вытекает наружу через поверхность 5, ограничивающую объем V, должен уменьшаться. Если же часть заряда втекает через поверхность S, то заряд внутри объема V должен увеличиваться*. И далее там же: «Если рассматривать все меньшие и меньшие объемы, в пре- деле мы получим, что дивергенция вектора р!/р в рассматриваемой точке, т.е. вы- ходящий наружу поток, отнесенный к единице объема и к единице времени, дол- жен быть равен взятой с обратным знаком скорости изменения заряда, отнесен- ного к единице объема в той же точке, т.е. dlvpl^-Sp/dt». Представляется, что «смысл» цитируемых слов не соответствует «смыслу» цитируемой формулы. Для их соответствия следовало бы записать, что ,6) В свою очередь уравнение (4) должно получить дополнительный член — про- изводную вектора D по координате пространства rotW = Jn + g + g. (7) ‘Рамо С. и УиннериДж. Поля и волны в современной радиотехнике. М.; Л.: ОГИЗ, 1948. С. 203 §4.03. 8в
Уравнение (7) удовлство >яет условию сохранения заряда и непрерывности тока. Уравнение (7) можно записать в привычном виде rotW =/П + 7С + 7СД. (8) Его первые два члена известны. Они характеризуют ток проводимости тп и ток смещения /с (как скорость изменения D пс «координате» времен). Третий член 7ОД автор предлагает ввести и рассматривать как дополнительный ток сме щения, который имеет другую природу (как скорость изменения 0 по «координате» про- странства). В свою очередь, 1 равнение (3) примет вид Обратимся к оис. 1. На нем по оси Z отложен отрезок I линейного проводника, разомкнутый на конце. В начало координат введена ЭдС возбуждения колебаний, создающая на проводнике электрический заряд с погонным значением Р = Г^°”- (9) Закон распределения заряда по такому проводнику имеет вид [11], р(г) = pmcos£(/-z). (10) Выражение (10) можно назвать аоячей волной заряда обратимся к рис. 2. На нем показан тот же отрезок I проводникаг а по оси ординат отложено знаы ;ние тока i(z), которое в каждой точке z проводника равно производной и характеризует скорость изменения заряда по координате про- вода. -'(*) = = imsink(l-7) = iC!x(z). (11) Гыргжоние (11) известно под названием сто чей волны тока. Выпишем выражение для напряженности поля £ в произвольной точке М дальней зоны (когда :»Х) от элемента dz проводника по рис. 2. dE = -j ^sinee4*'. (12) Рис. 1. Стоячая волна заряда на проводнике Рис. 2. Стоячая вол! :а тока на гроводнике 87
Выражение (12) — это поле вида (1.2). В выражении (12) вместо значения тока i стоит знак вопроса с тем, чтобы, Читатель, задать его Вам: «Какой ток из уравнения (4) следует подставить в (12), чтобы результат вычислений совпадал с результатом эксперимента?» Выбор невелик. Есть два значения тока /п и /с = . Наука «подсказывает», что здесь надо брать тот ток, закон распределения которого задан по проводнику, со значением тока i(z), которое соответствует элементу dz проводника. Другими словами: следует подставить в выражение (12) значение тока стоячей волны, соответствующее координате z элемента dz. Автору представляется, что эта «подсказка» ошибочна. Здесь должен быть ток /од, которого в уравнении (4) нет. В данном конкретном случае решения физической задачи излучения радиоволн проводником со стоячей волной тока «по случаю» ток i(z) и ток ?сд тождественно равны в каждой точке z проводника. Это формальное совпадение, так как физи- ческая суть их происхождения различна. Практика находится в согласии с расчетами поля по (12) с применением тока j(z) вместо тока iCR в точке г для стоячей волны тока только потому, что эти токи «однофамильцы». Сделаем акцент — Распределение тока /(z) на линейном проводнике по закону стоячей волны формально тождественно совпадает с законом распределения тока ;сд(г) (дополнительного тока смещения) на том же проводнике. Поэтому в задаче расчета поля излучения от такого проводника нет необходимости в выборе между током j(z) и током 7од(г), что позволяет применять уравнения Максвелла и в традиционной записи, и в записи с включением тока ica, как не проти- воречащие опыту. — При условии отсутствия потерь /’п = 0, мощность Рс источника колебаний, создающая стоячую волну тока на проводнике, полностью трансформируется в мощность уносимую радиоволнами. — Мощность излучения Ръ обусловлена, по нашему мнению, током 7СД. Обратимся к рис. 3. На нем по оси Z отложен тот же отрезок I линейного проводника, но уже с бегущей волной заряда вида P(z) = Ригл (13) [11], и соответственно, рис. 4, с бегущей волной тока ;(2) = 7гогл. (14) Очевидно, что для функции (13) отсутствует производная по координате z ^ = 0. (15) dz По той же причине и ток в выражении (8) для бегущей волны на проводнике тоже отсутствует (;сд=0). Возвратимся к выражению (12) и спросим: «Какой ток (вместо знака вопроса) нужно сюда подставить для случая бегущей волны?» Как известно, «подсказка» науки здесь указывает на ток (14) (по аналогии с предыдущим случаем), т.е. указывает на тот ток, закон распределения которого 88
задан по проводнику. Если подставить ток (14) в выражение (12), то оказывается, что отрезок проводника с бегущей волной тока излучает радиоволны и создает мощность со всеми вытекающими отсюда энергетическими нестыковками, о которых говорится в очерке. На наш же взгляд, в выражение (12) надо подставить ток /сд по выражению (15). При этом Рг=0 и получается все наоборот: проводник с бегущей волной тока не излучает радиоволны. Этот же результат получил и Г.А. Лавров (путем очень сложных выкладок). Рис. 3. Бегущая волна заряда на проводнике Рис. 4. Бегущая волна тока на проводнике Сделаем акцент 2; — Распределение тока ?(z) на линейном проводнике по закону бегущей волны не имеет ничего общего с законом распределения тока /од(г) (дополнитель- ного тока смещения) на том же проводнике, так как здесь ток 1од=0. Поэтому в задаче расчета поля излучения от такого проводника есть необходимость 6 выборе между током i(z) и током /сд(г). Результаты решений Г. Губо и Г. Лаврова диктуют этот выбор в пользу тока /сд. Последнее не позволяет применять уравнения Максвелла в традиционной записи, как противоречащие опыту, и склоняют чашу весов в пользу их записи с включением тока гсд. — При условии отсутствия потерь Рп = 0, мощность Ро источника колебаний, создающая бегущую волну тока на проводнике, полностью переносится этой волной вдоль проводника. — В процессе этого переноса ток /од участия не принимает, так как он равен нулю. Обратимся к рис. 5 и рис. 6. Здесь по оси Z расположен все тот же отрезок / линейного проводника с законами распределения заряда и тока по координате г, по виду напоминающими соответствующие законы распределения, которые присущи длинной линии, на конце которой включена комплексная нагрузка. Очевидно, что этот случай распределения p(z) и /(z) является промежуточным между двумя предыдущими, которые могут быть приняты в качестве граничных. Можно утверждать, что по мере изменения отношения = КБВ (рис. 6) ^глах (коэффициента бегущей волны) на проводнике в пределах 1 s КБВ > 0 мощность излучения тоже будет изменяться в пределах 0< PZ<PO, при условии Рп = 0. На проводнике по рис. 5 можно определить и выделить переменную и постоянную составляющие в распределении заряда p(z) по координате z. Взяв производную от переменной составляющей, можно определить ток /гл, а по нему вычислить аг мощность излучения Pz. 89
Рис. 5. «Промежуточная» волна заряда Рис. 6. «Промежуточная» волна тока на проводнике на проводнике При этом мощность Ро источника колебаний осознанно расчленяется на две составляющие: — мощность излучения и (Ро-Р£) — мощность колебаний, распространяющихся вдоль проводника (мощность поверхностной волны). Отметим, что распределение, при котором -> 0, выгодно для построения *тах антенн, так как при этом а КГ1Д-> 1- (Примером этому случаю служит лу- чевая антенна.) Для открытой фидерной линии условие -> 0, наоборот, очень невыгодно. ?тах Будучи хуже согласованной с нагрузкой, она будет интенсивнее излучать ра- диоволны (терять энергию) с ухудшением КПД. (Примером этому служит практика работы с открытыми фидерными линиями КВ антенн магистральной радиосвязи.) Сделаем акцент 3: — Распределение заряда p(z) на рис.5 на линейном проводнике антенны типично для практики. — В практических задачах, связанных с излучением такого линейного провод- ника, разделять (с пониманием вопроса) между собой мощность и мощ- ность (Р0-РЕ) на текущий момент времени возможным не представляется. — Уравнение Максвелла (7) с дополнительным током смещения /сд = Ц по- зволяет, по нашему мнению, описывать поле излучения от линейного проводника с большим ассортиментом законов распределения зарядов на нем в согласии с практикой. Возвратимся к причинам, следствием которых является ток ;сд. К ним следует отнести «толчки», «броски» и т.п. проявления резкого (ударного, взрывного) пе- рераспределения заряда по пространству некоторого объема. Радиоволны появляются при условии, когда электрические заряды движутся по проводнику с ускорением (замедлением). В данном контексте не рассматривается радиосвязь как таковая, а лишь оцениваются (как оптимальные) условия трансформации энергии «дергающихся», «сталкивающихся» электрических зарядов в энергию радиоволн (волн, не связанных с токопроводящими элементами). Еще в XIX в. Н. Тесла сумел передать на расстояние электрическую энергию, не применяя токопроводящие элементы. 90
Сделал он эту передачу с помощью своих «высокочастотных и высоковольтных» трансформаторов. («Тряся» и «тасуя» электрические заряды по их объему, он достиг мощного излучения, возможно в целом спектре частот-гармоник от ос- новной частоты колебаний). Н. Тесла не объяснил, как (по каким законам физики) происходит это «чудо». Скорее, он их не знал, чем не хотел раскрывать свой секрет. (Н. Тесла, не имея представления о существовании тока 7СД, воспользовался плодами его проявления — радиоволнами.) Вибратор Тесла напоминает своими малыми размерами диполь Герца. В отли- чие от Г. Герца Н. Тесла в некоторый объем I/ поместил не сферу, а спираль. Этим он многократно увеличил количество зарядов, приходящихся на единицу объема V. Подобрав период Г колебаний ЭДС Н. Тесла оптимизировал процесс трансформации энергии электрических зарядов в энергию электрического поля Е и достиг такой высокой интенсивности, что осуществил ионизацию воздуха, получил молнию, которая и развлекала й пугала американцев. Полагаю, что в основе феномена вибратора Тесла лежит «парадокс тока». Судя по патентам РФ на изобретения за №2143775 и №2161850, Д. С. Стребков и С. В. Авраменко продолжают опыты Н. Тесла. В описании своих патентов упомянутые авторы применяют самые разнообразные термины и понятия вплоть до экзотических, кроме (на наш взгляд) основного, на чем все и держится, кроме радиоволн. Имеющиеся рассуждения об электрических цепях, которые, якобы, не подчиняются законам Кирхгофа, скорее всего, потеряют почву, как только Ток /сд войдет в обиход. По иронии судьбы, на протяжении всей истории развития радиотехники, ра- диоволны — ее стержень — скрывали (похоже) корни своей генеалогии от глаз жрецов науки. Пожелаем току ;сд — отцу радиоволн — усилиями заинтересованных скорее занять свое место в семье уравнений Максвелла!
Заключение Монопольно владея означенной информацией, автор считает себя обязанным опубликовать ее, понимая, что очерк запоздал, так как апогей применения КВ диапазона ушел в прошлое. Однако «все остается людям» и результатами проведенных исследований «при- росла» и наука, и практика в общечеловеческом масштабе. Отечественные же наука и практика действительно понесли ущерб и матери- альный, и престижный (особенно в исчислении даты приоритета сделанных от- крытий в области электродинамики при отсутствии своевременной публикации). Известно, что государство богато реализованным трудом его граждан, наиболее плодотворные из которых — изобретатели. Самые благополучные государства Земли те, у которых порядок с патентным правом. В СССР патентное право было близко к нулю. А кто сейчас держит в руках дорогостоящий процесс от Заявки — до Патента? Кто контролирует этот процесс? Думается, что Изобретатель и Изо- бретательство в Российской Федерации заслуживают более пристального государ- ственного внимания. Думается ощутимо пагубным монопольное уложение головных институтов (ор- ганизаций) доя прогресса в любой отрасли науки и техники. Уйти от застоя можно только в условиях добротной конкуренции. Что нового получила наука? 1. Выявлены несоответствие бытующей теории антенн с бегущей волной тока на линейном проводнике реалиям практики и его причины (см. приложение). 2. Открыто физическое явление — волновой процесс с волноводным характе- ром распространения колебаний на уединенном линейном проводнике с бегущей волной и в системе «проводник—земля». 3. Показано, как и за счет чего здесь возникает и протекает процесс излучения радиоволн. 4. Обнаружен и сформулирован «парадокс тока». 5. Предложен иной взгляд на «происхождение» радиоволн Примечание. Новый волновой процесс характерен некоторыми нюансами: — «постоянная» распространения бегущей волны на проводнике оказывается не постоянной и меняется по координатам пространства вдоль и поперек проводника; — в сист еме «проводник—земля» возможны условия, при которых наблюдаются одновремен- но две бегущих волны: быстрая V > С и медленная V < С; — эквивалентная длина антенны ОБ-Е больше эквивалентной длины антенны Бевереджа (примерно в четыре раза) при одинаковых геометрических размерах длины 1, диаметра d и высоты подвеса h « X; — антенна ОБ-Е имеет самофокусировку, у нее отсутствует граничное значение ^/Лтп; после которого наступает спад в значениях КНД; — в системе «проводник—земля» существует множество состояний 6ei ущей волны КХ как результат наложения волны сферической на волну Лаврова, среди которых можно выделить одно — волну КХ+ — самое выгодное энергетически для антенных систем; — мощность излучения Ps системы «проводник—земля» оказывается пропорциональной мощ- ности Рс сферической волны, которая вызывает ее появление. При этом мощность Pz превосходит мощность Рс; — возможны условия для построения системы «проводник—земля» в качестве антенны квази- бегущей волны с минимизацией потерь энергии на Джоулево тепло. 92
Что нового получила практика? 1. Создана линейная антенна бегущей волны — рупор без видимых стенок — с предельно возможным «на сегодня» коэффициентом _ эффективность стоимость 2. Разработан рациональный КВ антенный комплекс ОБ-Е (набор антенн ОБ-Е различной длины), позволяющий принимать радиоволны с ионосферным характером распространения во всем спектре вероятных углов их прихода по отношению к горизонту на трассах большой протяженности R >1000 км. 3. Создано рациональное, компактное, полноазимутальное антенное поле «Гам- ма» с равновероятным приемом КВ сигналов по всем азимутам на основе антенных комплексов ОБ-Е. 4. Создана линейная антенна квазибегущей волны с большим коэффициентом С — лучевая антенна, с минимизацией потерь в системе «проводник—земля». «Каждому — по вере его». (Каждому воздается по его убеждению, устремлению, настойчивости, самоотверженности). Ученик в чем-то продвинулся дальше Учителя? Спасибо Учителю и да здравствует Ученик! «Идеологический» конфликт Г. Лавров — К. Харченко разрешился просто и естественно. Волна Лаврова гармонично вошла в волну КХ, в процесс с волноводным характером распространения, создающий радиоволны. На этом дружески пожать бы руку... да некому.
Литература 1. Лавров Г. А. Докторская диссертация. Мытищи. — 1958. 2. Лавров Г. А., Князев А. С. Приземные и подземные антенны. — 1965. 3. Бевередж Г. Волновая антенна. J. Amer.IEE.1923, V42, №3, р. 258-269. 4. Харченко К. П. Отчет по инициативной НИР «Исследование возможностей повышения эффективности и эксплуатационной надежности антенн и антенных полей приемных радиоцентров магистральной радиосвязи», шифр «Провод», СУР-1, Мин. связи СССР, М., 1983. 5. Харченко К. П. и др. Однопроводная антенна бегущей волны. Авторское свидетельство СССР №1020895. — 1983. 6. Зоммерфельд А. Электродинамика. — М., 1958. 7. Пистолькорс А. А. К теории провода у границы раздела двух сред / Радио- техника, № 3, т. 8, 1953. 8. Белоусов С. П., Ямпольский В. Г. Двухпроводная антенна бегущей вол- ны. Электросвязь, № 5, 1962. 9. Уолтер К. Антенны бегущей волны. — М., 1970. 10. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. — М., 1962. 11. Пистолькорс А. А. Антенны. — М., 1947. 12. Антенны / Под ред. Ю. К. Муравьева. — Л., 1963. 13. Карсон Д. Распространение волн по воздушным проводам с возвратом тока через землю. BSTJ 1926, V5, №4, Р.539-554. 14. Белоусов С. П. Направленные антенны для профессионального приема ра- диовещания в диапазоне 200-5-2000 м. — М., 1961. 15. Белоусов С. П., Ямпольский В. Г. К определению постоянных распростра- нения волны в длинном проводе. — Радиотехника, 1959, т. 14, № 7, с. 3-7. 16. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. — М., Л. 1961. 17. Айзенберг Г. 3. Антенны ультракоротких волн. — М., 1957. 18. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. — М., 1955. 19. Харченко К. П. Антенна магистральной декаметровой радиосвязи типа ОБ-Е и ее принцип действия. Доклад на II научно-техническом семинаре. Ленинградское областное правление НТОРЭС им. А.С. Попова 16-17ноября. — 1982. 20. Харченко К. П. Об эффективности излучения линейного горизонтального проводника, размещенного над землей. Сб. Вторая военная научно-техническая конференция. 4.1. Л., ЛВВИУС им. Ленсовета, 1986. 21. Фрадин А. 3. Антенны сверхвысоких частот. М., 1957. 22. Серков В. П., Слюсарев П. В. Теория электромагнитного поля и распро- странения радиоволн. Ч II. Л., ВАС. — 1973. 23. Муравьев Ю. К. Антенные устройства доя радиосвязи. — Л., 1973. 24. Челышев В. Д. Добротность по помехозащищенности антенно-приемного тракта КВ приемного радиоцентра. Вопросы расчета и проектирования антенн и радиолиний. — Л.,ВАС, 1987. 25. Харченко К. П. и др. Антенная система. Авторское свидетельство СССР №1124390 от 17.05.83. 26. Харченко К. П., Аксенов С. С., Тимофеев В. М. Повышение эксплуатационной надежности антенн и антенных полей КВ приемных радиоцентров. — Электросвязь, № 6, 1987. 27. Рабочий проект на строительство объекта «Гамма». — ГСПИ. Мин. связи СССР. 1985. 28. Акт комиссии по сравнительным испытаниям антенного поля шифр «Гамма». В. ч., ноябрь 1987. 29. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. —, М., 1952. 94
30. Харченко К. П. и др. Антенная система. Авторское свидетельство СССР №1288789 от 12.09.85. 31. Кессених В. Н. Доклады Академии наук СССР. Т. 27, № 6, с. 558, 1940. 32. Губо Г. Журнал прикладной физики. 1950, 21, с. 1119-1128. 33. Харченко К. П., Демидов В. П., Тимофеев В. М. Экспериментальные иссле- дования варианта антенны бегущей волны. — Электросвязь. №11, 1985. 34. Бекетов В. И, Харченко К. П. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн. — Связь. 1971. 35. Харченко К. П., Арбузов А. И. Экспериментальные исследования СВЧ моделей однопроводных антенн бегущей волны с различными конструкциями противовесов. Вопросы расчета и проектирования антенн и радио линий. — ВАС. Л., 1985. 36. Харченко К. П. и др. Авторское свидетельство СССР №1467585 от 11.05.87. 37. Протокол измерений электрических характеристик линейных антенн бегущей волны, имеющих различные схемы возбуждения и нагрузки. ГСПИ. — Мин. связи СССР, 1987. 38. Харченко К. П. и др. Авторское свидетельство СССР №1401536 от 7.04.86. 39. Харченко К. П. Отчет по разработке экспериментальной передающей КВ антенны продольного излучения, шифр «Авантаж». ГСПИ. — Мин связи СССР, 1987. 40. Гвоздев И. П., Муравьев Ю. К., Серков В. П., Чернолес В. П. Характеристики антенн радиосистем связи. — ВАС, Л., 1978.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «РАДИОСОФТ» http://www.radiosoft.ru e-mail: info@radiosoft.ru Отдел реализации тел./факс (095) 177-47-20 e-mail: real@radiosoft.ru Адрес и телефон для заявок на "НИ|'И по почте 111578 Москва, а/я 1 «Пост-Пресс» Тел./факс (095) 307-06-61, (095) 307-06-21 e-mail: postpres@dol.ru Харченко Константин Павлович КВ АНТЕННЫ-РУПОРЫ БЕЗ ВИДИМЫХ СТЕНОК Почему и как излучают линейные антенны бегущей волны. Конструкции. Комплексы. Поля. Ответственный за выпуск А. А. Халоян Редактор М. Ю. Нефедова Компьютерная верстка А. В. Харьков Дизайн обложки С. П. Бобков Сдано в набор 10.08.2002. Подписано в печать 18.12.2002 Формат 70x100/16. Бум. газетная. Печать высокая. Печ. л. 6. Тираж 4000 экз. Заказ 1854 Издательское предприятие РадиоСофт. 109125, Москва, ул. Саратовская, 6/2. Лицензия на издательскую деятельность № 065866 от 30 апреля 1998 г. ISBN 5-93037-101-6 ФГУП Владимирская книжная типография 600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7 Качество печати соответствует качеству представленных диапозитивов