Телевидение?.. Это очень просто!

Беседа семнадцатая ЛОВУШКА ДЛЯ ВОЛН

Незнайкин. — Теперь, когда мы узнали, как надо питать телевизор низким, анодным и высоким напряжениями…

Любознайкин. — Ты думаешь, что этого достаточно? Разве мог бы ты, дружище, довольствоваться одной материальной пищей?

Н. — Право, не понимаю, какая еще духовная пища нужна телевизору.

Л. — Ты просто забыл. То, что в конечном счете должно оживить экран. Изображение, переносимое в форме видеосигнала на несущей частоте.

Н. — Очевидно. Но этот род питания меня очень мало беспокоит. Как и в радиоприемнике, кусочек проволоки, пышно именуемый антенной, нас вполне устроит.

Л. — Вот уж в этом я совсем не уверен. Разве только, что ты окажешься по соседству с передатчиком, где поле очень интенсивно, а то твой кусочек проволоки окажется весьма жалкой антенной.

Н. — Что-то не вижу никакой разницы с радио.

Л. — Не забудь, что мы используем метровые волны, которые не очень-то далеко распространяются, с полной уверенностью их можно принимать только в пределах видимого горизонта. Проводящие препятствия их задерживают или сильно ослабляют, потому что, обладая прямолинейным характером, они не отличаются гибкостью более длинных волн, огибающих препятствия.

Н. — Отсюда следует, что приходится очень заботливо относиться к телевизионным антеннам.

Л. — Да, Незнайкин, антенна в телевидении — чрезвычайно важный элемент приемного устройства. При хорошем выполнении она с успехом заменяет один или два усилительных каскада высокой или промежуточной частоты. Вот почему нужно, чтобы мы вплотную занялись ее изучением… В то время как в радиовещании длина антенны намного меньше принимаемой волны, в телевидении эти длины соизмеримы, благодаря чему можно настроить антенну на принимаемую частоту.

Н. — Но не будешь же ты утверждать, Любознайкин, что натянутая проволока является колебательным контуром, обладающим частотой настройки и резонансной кривой?!

Л. — Несомненно буду. Необходимо к тому же, чтобы резонансная кривая была достаточно широкой для пропускания не только всей полосы частот видеомодуляции, но и звукового сопровождения, передаваемого на соседней длине волны, так как изображение и звук нужно принимать на одну и ту же антенну.

Н. — Можно догадаться, что антенны, отвечающие всем этим условиям, достаточно сложны. У них должны быть конденсаторы для настройки и демпфирующие сопротивления для расширения полосы пропускания.

Л. — Ничего подобного, Незнайкин! Истина значительно проще. И ты ее откроешь, рассуждая логически. Ты знаешь, что такое волны?

Н. — Это электромагнитные поля, созданные током высокой частоты, протекающим по передающей антенне, которые отправляются на прогулку с поразительной скоростью 300 000 км/сек.

Л. — Твое определение по существу, хотя и не по терминологии, правильно. Ты знаешь, что эти волны порождают электродвижущую силу во всех проводниках, встречающихся на их пути. Можешь ты мне сказать, какое минимальное расстояние отделяет две точки пространства, между которыми волны создают в проводнике наибольшую разность потенциалов?

Н. — Достаточно представить себе поле в какой-то определенный момент в виде застывшей синусоиды, чтобы установить, что максимальная разность существует между вершинами положительного и отрицательного полупериодов, а эти вершины удалены одна от другой на половину длины волны (рис. 126).

Рис. 126. Разность потенциалов между точками А и В, отстоящими друг от друга на половину длины волны, максимальна. Стержень о длиной λ/2 является полуволновой антенной.

Л. — И если взять металлический стержень, длина которого равна половине длины волны, то между его концами можно получить максимум напряжения. Такой стержень и является полуволновой антенной.

Н. — В общем, волны, проходящие мимо твоего стержня, сообщают попеременно то положительный, то отрицательный потенциал одному из его концов, тогда как другой его конец становится соответственно то отрицательным, то положительным. Таким образом, за время одного полупериода электроны устремляются от одного конца к другому, затем во время следующего полупериода — в противоположном направлении.

Л. — И заметь, что время, затрачиваемое током, чтобы пройти от одного конца до другого этой полуволновой антенны, как раз равно полупериоду волны, потому что скорость распространения тока равна скорости радиоволн.

Н. — Если я правильно понял, колебания электронов вдоль стержня естественно совершаются в такт волнам, которые их вызывают. Именно поэтому, без сомнения, ты сказал, что мы используем настроенные антенны.

Л. — Я употребил этот термин как раз в этом смысле. Предоставленные самим себе, электроны стержня колебались бы с той же частотой, если бы какой-нибудь начальный импульс нарушил их распределение вдоль проводника… Правда, мое рассуждение имеет несколько отвлеченный характер, так как оно действительно для очень тонкого стержня, подвешенного в пустоте вдали от других проводников. В действительности же из-за соседства мачты, служащей опорой, крыши и почвы появляются емкости, которые увеличивают собственный период стержня. Чтобы правильно настроить его на принимаемые волны, нужно слегка укоротить ею. В среднем его длина должна быть на 6 % меньше половины длины волны.

Н. — Значит, если я хочу принять волну 6,03 м, соответствующую частоте 49,75 Мгц, то придется брать стержень длиной 3 м за вычетом 6 %, т. е. около 2,83 м.

Л. — Это не совсем верно, так как нужно, кроме того, принять на ту же антенну звук, передаваемый на частоте 56,25 Мгц, т. е. на волне 5,34 м. Поэтому ты должен выбрать длину стержня немного меньше, порядка 2,75 м.

Н. — Но нужно тогда иметь довольно широкую полосу пропускания. От чего она зависит?

Л. — От диаметра стержня или, точнее, от отношения его длины к диаметру. Для получения достаточной полосы пропускания диаметр стержня не должен быть слишком малым. Практически используют трубки диаметром порядка 1–2 см, так как применять сплошные стержни нецелесообразно.

Н. — Я припоминаю, что токи высокой частоты протекают по поверхности проводников. Ты это называешь поверхностным эффектом. Интересно, нельзя ли сделать антенну из нескольких параллельных проволок, образующих нечто вроде цилиндра?

Л. — Такие антенны успешно применяются. Натяни с десяток проволок на обручи диаметром 10 см, и у тебя получится превосходная полуволновая антенна, имеющая вполне достаточную полосу пропускания.

Н. — Другой вопрос. Эти антенны должны устанавливаться горизонтально или вертикально?

Л. — Это зависит от ориентации электромагнитного поля, или, как говорят, от направления его поляризации. Вертикальная передающая антенна излучает вертикально поляризованные волны. Их и принимать нужно на вертикальные антенны. На такие антенны работают в метровом диапазоне волн английские передатчики на 405 строк. Во всех же остальных странах, кроме некоторых старых французских передатчиков, используется горизонтальная поляризация.

Н. — Если я правильно понял, в этом случае антенны передатчиков, так же как и приемников, должны быть расположены горизонтально?

Л. — Конечно. Однако распространение волн — явление в достаточной степени капризное, и плоскость поляризации может в пути измениться. Поэтому иногда можно добиться лучшего приема, более или менее наклоняя приемную антенну.

Н. — Мне кажется, что снижение, подводящее к приемнику ток от антенны, должно быть подключено к одному из концов стержня.

Л. — Ты что, серьезно думаешь, что там имеется ток?

Н. — Очевидно! Ведь между концами наибольшая разность потенциалов.

Л. — Да, но обращал ли ты внимание на то, в каком месте больше всего истерт ковер на твоей лестнице?

Н. — К чему ты говоришь какой-то вздор?

Л. — Чтобы тебе наглядно показать распределение напряжений и токов в стержне. Вообрази себе дом, построенный в предвидении атомных войн и имеющий по восьми надземных и подземных этажей. Все 16 этажей заселены примерно равномерно. Полагаешь ли ты, что ковер на лестнице будет изношен совершенно одинаково на всем его протяжении?

Н. — Нет. На крайние этажи пройдут только те, кто там живет: любители быть ближе к небу и опасающиеся бомбежек. Но по той части ковра, которая находится на уровне земли и которая ведет к выходу, пройдут все жильцы, как пользующиеся дневным светом, так и троглодиты, обреченные на пользование электрическим светом. Износ ковра в этом месте будет гораздо более заметен.

Л. — А ты не замечаешь сходства между обитателями нашего атомного жилища и электронами стержня?

Н. — Понял! По концам стержня проходят только малочисленные электроны, населяющие концы. Но по мере приближения к центру стержня количество электронов, составляющих ток, увеличивается; к ним прибавляются все электроны промежуточных частей стержня. В центре ток наиболее интенсивен, это целая толпа электронов (рис. 127)!

Рис. 127. Ток I максимален в центре полуволнового вибратора, тогда как разность потенциалов U максимальна между его концами. Чтобы получить максимальный ток, стержень посредине разрезают и включают в этом месте двухпроводный кабель снижения.

Л. — Видишь, мой пример намного облегчил рассмотрение существенного вопроса. Теперь, когда ты знаешь, где ток интенсивнее всего, ты поймешь, что именно из середины стержня его нужно выводить, чтобы направить к приемнику.

Н. — Но, дорогой Любознайкин, как ты думаешь поступить? Чтобы воспользоваться этим током, нужно каким-то образом включить входную цепь приемника в центр колебательного стержня. А это невозможно!

Л. — Почему невозможно? Разрежь стержень посредине и подведи ток к входной цепи с помощью двух параллельных проводников. У тебя получится классическая и самая распространенная из телевизионных антенн: полуволновая антенна, или вибратор, образованный из двух четвертьволновых стержней. Правда, стержни в действительности короче на 6 %, чем четверть длины волны. Расстояние между внутренними концами стержней должно составлять несколько сантиметров, и они закрепляются при помощи изоляторов на мачте.

Н. — Такие антенны мне приходилось видеть. И я заметил, что снижение действительно идет из центра антенны.

Л. — Правильно. Роль снижения (фидера) чрезвычайно важна. Нужно, чтобы оно наилучшим образом обеспечивало передачу на приемник энергии из антенны. На столь высоких частотах, какие мы используем, задача эта непроста. Нужно, в частности, избегать отражения энергии в снижении.

Н. — Что ты таким образом называешь?

Л. — Если снижение плохо согласовано с одной стороны с антенной, а с другой с входной цепью приемника, то поступающая туда энергия высокой частоты может лопасть во входную цепь только частично. Остальная часть отразится по направлению к антенне, которая в свою очередь частично отразит ее к приемнику, и т. д.

Н. — В общем, плохая передача, выполненная в несколько приемов, вместо одновременной передачи. А каковы будут практические последствия этого?

Л. — На экране появятся многократные изображения. Кроме основного изображения, воспроизведенного первым и наиболее значительным потоком энергии, возникнут другие изображения, обусловленные последовательными отражениями энергии, более слабые и слегка смещенные по отношению к первому. Смещение происходит оттого, что за время этого короткого интервала электронное пятно успеет слегка переместиться. Обычно такие смещенные изображения называют повторными изображениями или просто повторами.

Н. — Сам того не желая, я получал такие отражения, занимаясь фотографией. Стоит в процессе печати чуть-чуть сдвинуть негатив по отношению к бумаге, как получается аналогичный результат.

Л. — Хотя это и любопытное явление, но избегать его нужно любой ценой. Для этого характеристическое (волновое) сопротивление снижения, с одной стороны, должно быть равно полному сопротивлению антенны в центре, а с другой — входному полному сопротивлению приемника.

Н. — Клянусь электродом! Что еще такое, все эти полные сопротивления?

Л. — Я мог бы ответить тебе весьма изящным пируэтом, сказав, что в соответствии с высшим законом — законом Ома — речь идет в обоих случаях об отношении напряжения к величине тока. Это тебе немного объяснило бы. Поэтому лучше сказать, что всякая антенна обладает сопротивлением, емкостью и индуктивностью и в соответствии с этим некоторым кажущимся сопротивлением, называемым также полным сопротивлением. Полное сопротивление полуволнового вибратора в центре равно приблизительно 72 ом. Снижение также имеет сопротивление, емкость и индуктивность, распределенные по всей длине. Результирующее полное сопротивление называется волновым сопротивлением. И, наконец, входная цепь приемника также обладает некоторым полным сопротивлением.

Н. — Если я тебя правильно понял, чтобы все шло хорошо и энергия антенны была без отражений передана приемнику, достаточно, чтобы волновое сопротивление снижения и входное полное сопротивление приемника были равны по 72 ом.

Л. — Ты не ошибаешься. Бывают разные типы кабелей с таким волновым сопротивлением, применяемые для снижения (рис. 128): двухпроводные линии, состоящие из двух параллельных проводов, заключенных в полиэтилен; двухпроводные линии, окруженные защитной металлической оболочкой (экраном); витые провода, подобные применяемым для осветительной проводки; наконец, коаксиальные кабели, состоящие из внутреннего провода или центральной жилы и второго провода в виде наружного металлического экрана, покрытого защитной оболочкой.

Рис. 128. Различные типы кабелей для снижения антенны.

_{а — симметричный двухпроводной кабель, заключенный в полиэтиленовую ленту; б — витые провода; в — коаксиальный кобель (1 — центральная жила; 2 — диэлектрик; 3 — металлическая оболочка; 4 — защитная изолирующая оболочка).}

Для всех двухпроводных снижений применяют симметричную входную цепь, причем отвод от средней точки первичной обмотки входного трансформатора присоединен к шасси, а в случае применения коаксиального кабеля обычно с шасси соединяются металлический экран и соответственно один из концов входной обмотки (рис. 129).

Рис. 129. Схемы включения снижений.

_{а — симметричного кабеля; б — коаксиального кабеля.}

Н. — Обязательно ли нужно ставить антенну на крыше?

Л. — Не всегда. В благоприятных случаях, т. е. на сравнительно близком расстоянии от передатчика, можно довольствоваться комнатной антенной.

Н. — Но в зависимости от длины волны, на которой работает передатчик, размеры вибратора могут быть около 2–3 м. Что-то такая антенна не вяжется с представлением о гостиной.

Л. — Длину можно значительно сократить, увеличив индуктивность антенны с помощью катушки, включенной между двумя стержнями вибратора (рис. 130). Все это вместе настраивается на необходимую волну. Правда, эффективность в этом случае будет несколько меньше эффективности нормального вибратора. Можно также в комнатной антенне согнуть стрежни вибратора под углом 90°.

Рис. 130. Несколько вариантов антенн с четвертьволновыми вибраторами.

_{а — с дополнительной индуктивностью; б — перевернутая Г-образная; в — перевернутая Т-образная; г — перевернутая U-образная; д — петлевая.}

Напомню тебе еще о двух типах малогабаритных антенн: перевернутых Т- и U-образных антеннах. Антенна последнего типа очень удобна для установки под стропилами чердака.

Н. — А что делать, если входное полное сопротивление приемника больше 72 ом? Можно ли применять трансформатор полных сопротивлений?

Л. — Да, так и делают. Но существуют другие типы антенн, с более высоким сопротивлением. Так, включив параллельно полуволновому вибратору стержень длиной в полволны, получают антенну петлевого типа. Ее сопротивление в центре равно 300 ом. Такая антенна интересна тем, что ее сопротивление можно варьировать путем изменения отношения диаметров вибраторов и параллельного стержня.

Н. — Я что-то сильно опасаюсь, что с телевизионными антеннами происходит то же, что и с лекарством от насморка. Уже одно их несметное количество показывает, что ни одно из них не радикально. И в телевидении, вероятно, нет идеальных антенн.

Л. — Как и в других областях, идеал всегда недостижим. Но антенны, которые я тебе описал, обычно обеспечивают хороший прием, когда электромагнитное поле достаточно интенсивно в месте приема и когда нечего опасаться повторных изображений.

Н. — А как они возникают?

Л. — Ты ведь знаешь, что проводящие тела, размеры которых во много раз больше длины волны, способны отражать волны.

Н. — Знаю, потому что в этом заключается принцип радиолокации, где используются волны достаточно короткие, чтобы их могли отражать такие небольшие объекты, как самолеты. Более длинные волны отражаются от ионизированною слоя атмосферы и какой-то жалкий самолет не может быть для них зеркалом.

Л. — Значит, ты понимаешь, что метровые волны, применяемые в телевидении, могут отражаться от многих проводящих поверхностей: металлических мостов, газгольдеров, железных заводских труб или даже обычных построек из железобетона. Из-за этих отражений, особенно частых в больших населенных пунктах, приемная антенна будет принимать, кроме волн, идущих прямо от передатчика, те, которые направляются к ней после отражения (а то и двух отражений). Так как путь отраженных волн длиннее, чем прямых волн…

Н. — …Дай мне докончить это рассуждение, которое я уже когда-то высказывал, когда мы рассматривали явления замирания. Так как оба пути не равны, то и волны придут не в одной и той же фазе. Если они придут в противофазе, то результатом этого будет ослабление. Если же они придут в фазе, то они взаимно усилятся и все будет в порядке!

Л. — Нет, Незнайкин, даже и в этом случае не все будет в порядке. Ибо из-за границы во времени прихода прямого и отраженного сигналов на экране появится второе, повторное изображение, смещенное по отношению к первому вправо на интервал, как раз пропорциональный этой разнице во времени.

Н. — Мне думается, что при измерении на экране расстояния, отделяющего основное изображение от повторного, можно было бы вычислить разность времени прихода волн.

Л. — Нет ничего легче. На экране шириной 30 см при развертке в 625 строк пятно пробегает около 5 000 м в секунду. Эта скорость, как бы почтенна она ни была, в 60 000 раз меньше скорости электромагнитных волн. Следовательно, в то время как пятно пробегает по экрану 1 мм (а это происходит за 1/5 000 000 сек), волны проходят 60 м. Если повторное изображение сместилось на экране телевизора на 5 мм, то разность путей составляет 300 м, что дает возможность иногда установить с полной уверенностью проводящую поверхность, виновную в злодеянии.

Н. — А если это газгольдер или металлическая башня, мне остается только взорвать их с помощью динамита?

Л. — Чтобы устранить вторичное изображение, вовсе нет необходимости прибегать к таким варварским мерам. Часто достаточно использовать направленную антенну, чтобы в значительной степени ослабить, а то и совсем уничтожить повторное изображение, являющееся результатом отраженной волны.

Н. — Я знал, что при передаче используются направленные антенны, чтобы улучшить распространение волн в определенном направлении. Я знаю даже, что можно благодаря рефлектору сосредоточить короткие волны в узкий пучок наподобие пучка, отраженного маяком с параболическим зеркалом. Но я не знал, что приемная антенна может быть направленной и способной принимать преимущественно волны, идущие из заданного направления.

Л. — Большое количество явлений природы обладает обратимостью. Ты вспомнил только что о маяке с параболическим зеркалом, которое отражает в виде параллельных лучей свет, излученный источником в его оптическом фокусе. И, наоборот, если улавливать при помощи такого зеркала солнечные лучи, то оно будет концентрировать их в фокусе, где возникшая при этом теплота сможет расплавить кусок металла.

Н. — Значит, направленная антенна будет одинаково работать и при передаче и при приеме. Нам остается лишь применить одну из таких антенн, снабженных целой сетью проводов, образующих зеркало, и мы освободимся от повторных изображений.

Л. — Такое решение было бы радикальным, но и довольно дорогим. Однако, использовав только три — пять проводов из всей совокупности, образующих цилиндро-параболическое зеркало, можно получить достаточную направленность; кроме того, можно собрать больше энергии, что окажется весьма полезным при большом удалении от передатчика. Вообще даже один отражающий проводник дает заметное улучшение усиления и обеспечивает некоторую направленность. Этот проводник чуть-чуть большей длины, чем вибратор, помещается за ним на расстоянии четверти волны.

Н. — Решительно, Любознайкин, я тебя что-то перестаю понимать. Можно еще допустить, что три провода могут отдаленно походить на параболический рефлектор. Но один!..

Л. — А ты, Незнайкин, подумай немного. Ты бы сообразил, что рефлектор также принимает волны, вызывающие в нем токи. Эти токи в свою очередь вызывают волны, которые, попадая на вибратор, усиливают в нем ток.

Н. — Может быть, ты и прав. Но я предпочитаю свой метод анализа, который я сейчас же и применю. Я полагаю, что в какой-то определенный момент волна, подойдя к вибратору, переместит там электроны сверху вниз. Эта же волна дойдет до рефлектора на одну четверть периода позже, потому что отделяющее ее от вибратора, расстояние как раз и составляет одну четверть волны. Здесь она также вызовет то же самое движение электронов сверху вниз. По законам индукции, которая, как известно, является синонимом противодействия, такое перемещение электронов породит волну, старающуюся сообщить электронам движение в обратном направлении, т. е. снизу вверх. Эта волна в свою очередь дойдет до вибратора позже на одну четверть периода. И там она погонит электроны снизу вверх, следовательно, в направлении, обратном распространению начальной волны! Почему же ты утверждаешь, что налицо усиление?

Л. — Бедняга! Твое так хорошо начатое рассуждение провалилось со всеми выводами всего-навсего потому, что ты забыл одно важное обстоятельство. Менаду моментами, когда начальная волна прошла через вибратор и когда волна вернулась от отражателя, прошло время, равное одному полупериоду (рис. 131).

Рис 131. Положение волн, приходящих от передатчика и от рефлектора, и движение электронов в вибраторе В и рефлекторе Р в три последовательных момента времени, отстоящих друг от друга на четверть периода.

Таким образом, в момент, когда волна, пришедшая от отражателя, начнет перемещать электроны вибратора снизу вверх, волна, которая туда в это время придет от передатчика, будет уже иметь фазу, противоположную фазе, которая была полпериода назад. А она также…

Н. — …переместит электроны снизу вверх! Ты прав. Теперь я понимаю, что отражатель увеличивает усиление антенны. И я понимаю, что оно максимально для волн, приходящих со стороны вибратора. Для источников, расположенных сбоку или сзади, он неэффективен.

Л. — Антенна с отражателем наиболее употребительна в Англии. Вместе с поперечным поддерживающим брусом вибратор и рефлектор образуют букву Н. Крыши домов, где распространено телевидение, покрыты целым лесом Н, характерным для английского городского пейзажа.

Н. — Жаль, что нельзя, как в оптике, концентрировать волны не только с помощью рефлекторов, но и с помощью объективов. Тогда была бы аналогия с телескопами и подзорными трубами астрономов.

Л. — Следует остерегаться слишком далеко идущих аналогий. Однако есть одно приспособление, которое в известной мере можно грубо уподобить объективу: это директор.

Н. — Не имеешь же ты в виду директора телевизионного центра.

Л. — Хватит этой несносной игры слов. Директором называют проводник, немного более короткий, чем вибратор, и помещенный перед ним в направлении на передатчик, тогда как рефлектор длиннее вибратора и помещается за ним. Директор редко применяется в сочетании только с вибратором, но его часто добавляют к Н-образной антенне, направленность которой, так же как и усиление, он увеличивает (рис. 132).

Рис. 132. Направленная антенна с рефлектором и директором.

_{а — с полуволновым вибратором; б — с петлевым вибратором.}

Н. — Но, кроме небольшой разницы в размерах, директор похож, как близнец, на рефлектор. Как же получается, что действие его как раз противоположно?

Л. — Небольшая разница, о которой ты говоришь, является решающей. Рефлектор длиннее вибратора и его сопротивление имеет индуктивный характер. Директор же короче, и его сопротивление имеет емкостный характер. Это значит, что они по-разному изменяют фазу отраженных волн. Не вдаваясь в подробности, отмечу лишь, что размеры этих элементов (так называемых пассивных в отличие от активного элемента — вибратора) в достаточной степени критичны. Кроме того, в случае их наличия уменьшается полное сопротивление в центре антенны и притом тем значительнее, чем они ближе расположены к вибратору, так как расстояние в одну четверть волны необязательно. Чтобы полное сопротивление не оказалось слишком малым, простой вибратор чаще всего заменяют петлевым.

Н. — Мне кажется, дорогой Любознайкин, что ты сегодня немного злоупотребил собирательной способностью той антенны, которой является мой бедный мозг…