Свойства излучения вертикальных антенн

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости отвесного излучателя над зем­лей отличается малым углом возвышения, что крайне желательно для дальней радиосвязи. Однако при этом предполагается, что антенна установлена непосредственно на хорошо проводящем грунте или что его про­водимость улучшена благодаря соответству­ющей сети заземления. Графики на рис. 6 демонстрируют, на­сколько недостаточная проводимость зем­ной поверхности отрицательно влияет не только на КПД антенной системы при от­весном положении излучателя, но и на его вертикальную диаграмму направленности, вызывая рост угла возвышения. Идеаль­ный случай представлен кривой 1, когда угол возвышения теоретически равен 0. На практике этот случай нереализуем, по­скольку предполагает идеальную проводи­мость грунта на высоких частотах. Кривая 2 относится к ситуации, когда четвертьвол­новый штырь установлен на плохо прово­дящем грунте. Из-за больших потерь в зем­ле КПД антенны явно ниже 50% даже в максимуме, где угол возвышения возраста­ет до 30°. Кривая 3 описывает положение, реализуемое при хорошей проводимости грунта, когда КПД достигает 65%, а угол возвышения в максимуме составляет 20-25°. Подобные диаграммы имеют место, только если вход излучателя находится непосред­ственно на грунте. При подъеме входа ан­тенны над грунтом на диаграмме появляют­ся различные боковые лепестки.

Простой вертикальный излучатель ха­рактеризуется круговой диаграммой на­правленности в горизонтальной плоскости. Диаграмма зависит от свойств грунта, а так­же от наличия окружающих препятствий, которые искажают ее форму.

На вертикальные диаграммы отвесных из­лучателей существенно влияет их длина l (высота), приведенная к рабочей длине волны . Отметим, что необязательно вы­бирать геометрическую длину излучателя так, чтобы выполнялись условия собствен­ного резонанса. Механическая длина шты­ря может быть совершенно произвольной, лишь бы обеспечивался электрический ре­зонанс (/4, /2, 3/4 и т.д.) с помощью та­ких дискретных схемных элементов, как удлиняющие катушки или укорачивающие конденсаторы. Эту возможность широко используют на практике.

На рис. 7. представлены примеры вер­тикальных диаграмм отвесных излучателей различной длины, установленных прямо на грунте средней проводимости. У четверть­волнового излучателя вертикальная ширина диаграммы по половинной мощности со­ставляет около 45°, а угол возвышения мак­симума близок к 30^o (рис. 7а). Ширина диаграммы штыря длиной 3/8 сужается до 32°, угол возвышения ее максимума убывает до 23° (рис. 7б). Еще благоприятнее ши­рина 30° и угол возвышения 17° у полуволно­вого штыря над грунтом (рис. 7в). Наи­лучшими свойствами обладает известный излучатель длиной 5/8 с шириной 24° и уг­лом возвышения всего 12° (рис. 7г). При дальнейшем удлинении излучателя его свойства вновь ухудшаются. Сопоставление вертикальной диаграммы излучения го­ризонтального полуволнового вибратора с вертикальными диаграмма­ми отвесных излучателей (рис. 7) явно указывает на преимущества последних для дальней связи по такому параметру, как угол возвышения.

Геометрическую длину излучателя 5/8 можно считать оптимальной при дальнем радиообмене. С увеличением длины верти­кальная диаграмма становится все менее благоприятной для дальней связи из-за бы­строго роста угла возвышения главного луча и слишком крутого излучения радио­волн.

Излучатели, размер которых превышает четверть длины волны, благоприятны так­же и по величине сопротивления излуче­ния R_s. Как видно из рис. 5, R_s прохо­дит через максимум между значениями длины /4 и /2. Благодаря этому в данном интервале повышается КПД и расширяет­ся частотная область излучателя.

Вертикальная антенна не реализует сво­его назначения, если ее не установить на открытом и по возможности плоском уча­стке местности. Это значит, например, что ее не следует сооружать в промежутке меж­ду городскими зданиями. На густо застроен­ных территориях такую антенну надо ста­вить на самых высоких опорах, чтобы она возвышалась над любыми окрестными препятствиями. Разумеется, вертикальный штырь, удаленный от грунта, уже не сможет вести себя «нормально» относительно зем­ли и станет, образно говоря, искать свою «вторую половину» в первую очередь сре­ди металлоконструкций близлежащих зда­ний, что самым непредсказуемым образом изменит его параметры. К тому же возрас­тает вероятность превратить его в источник помех телевизионному и радиоприему. По­этому сеть заземления должна быть при­способлена к условиям, когда вход антенны удален от грунта. Такая сеть строится в виде совокупности ненастроенных ради­альных противовесов. Если поблизости имеются какие-либо металлоконструкции, то их следует включить в состав сети заземления.

На практике редко удается разместить столь растянутую систему проводников на возвышенном основании. В таких случа­ях почти всегда применяются радиальные противовесы, настроенные рабочей длиной волны на четвертьволновый резонанс.

Здесь достаточно трех настроенных чет­вертьволновых противовесов, но их ис­пользуют и в большем количестве. Проти­вовесы распределяют вдоль радиусов через равные угловые интервалы вокруг антенны и гальванически соединяют у ее основания. Сюда же подключают грозозащитное за­земление.

Как правило, настроенные противовесы располагают горизонтально, тогда входной импеданс четвертьволнового излучателя составляет около 40 Ом. Более высокая ве­личина (к примеру, 70 Ом) является при­знаком наличия в системе больших сопро­тивлений потерь, понижающих ее КПД. «Естественный» способ увеличить вход­ное сопротивление состоит в том, чтобы проложить лучевые противовесы с накло­ном вниз. Чем больше наклон, тем сильнее растет сопротивление. В предельном слу­чае, когда лучи идут отвесно вниз, входное сопротивление достигает 60 Ом, поскольку при этом образуется вертикальный полуволновый вибратор.

Вертикальные антенны несимметричны относительно земли и поэтому всегда дол­жны возбуждаться такими же несиммет­ричными фидерами, то есть коаксиальны­ми кабелями.

ЛЕКЦИЯ №5 (РРвАФУ)

Реализация радиоволн в ВЕРТИКАЛЬНЫХ АНТЕННах С КРУГОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Радиолюбители уже почти не пользуются классической антенной Маркони, посколь­ку гораздо выгоднее установить верти­кальный излучатель как можно выше, за­менив естественное заземление противо­весом вокруг входа антенны. Подобные противовесы расходятся от основания ан­тенны по радиусам, поэтому их называют радиальными. На любительском жаргоне вертикальную антенну с несколькими на­строенными четвертьволновыми радиаль­ными противовесами именуют антенной Groundplane (англ. ground plane - плос­кость заземления).

В принципе антенна Groundplane с на­строенными радиальными противовесами представляет собой полуволновый вибра­тор с центральным питанием и характери­зуется таким же, как у него, теоретическим усилением 6,83 dBi (приведенным к изот­ропному излучателю). Усиление же антенны Маркони составляет 5,61 dBi. При этом предполагается, что речь идет о согласованных вертикальных антеннах без потерь над идеальным грунтом. Большее усиление вертикальной полуволновой по сравнению с горизонтальной по­луволновой ан­тенной объясняется полным отраже­нием волн от идеального грунта, чего на самом деле никогда не происходит.

Антенна Groundplane. (М. Ponte - французский патент № 764473, 1933 г.)

Схема такой антенны представлена на рис. 1. Как можно большее количество проводников (радиальных противовесов) длиной по /4 прокладывается в горизон­тальной плоскости вокруг входа антенны по радиусам от ее оси.

Рис. 1. Антенна Groundplane с горизонтальными радиальными противовесами.

Вблизи ее входа про­тивовесы соединяются друг с другом, но вер­тикальный штырь остается изолированным от них. Должно быть, как минимум четыре таких противовеса, а поскольку здесь ра­ботают с резонансными четвертьволновы­ми отрезками, имеющими пучности на­пряжения на концах, их надо подвешивать на изоляторах.

Входное сопротивление антенны Gro­undplane составляет около 36 Ом, поэтому при питании через коаксиальный кабель возникает рассогласованность с фидером. Этого можно избежать, натянув проти­вовесы не горизонтально, а наклонно вниз под углом 135° к излучателю. В таком случае входное сопротивление достигает 50 Oм.

Для обеспечения согласованности с 50-омным коаксиальным кабелем приходится прокладывать противовесы круто вниз, и Groundplane превращается в почти отвес­ный полуволновый вибратор двойной дли­ны относительно антенны Groundplane.

Точное согласование коаксиального кабе­ля с входным сопротивлением подобной антенны обеспечивается четвертьволновым согласующим шлейфом. Однако изготовить коаксиальный тупико­вый шлейф механически сложно без подхо­дящего коаксиального тройника. Тому, кто не верит в возможность электрически бе­зупречного герметичного соединения коак­сиальных кабелей, лучше реализовать со­гласование с помощью схем на дискретных элементах.

На рис. 2 демонстрируется весьма удачная схема трансформатора, разработан­ная В. Зеефридом. Речь идет о Т-образной цепочке, которой можно заме­нять четвертьволновый коаксиальный транс­форматор в силу эквивалентности их элект­рических свойств. Индуктивность катушек L₁ и L₂ одинакова. Они размещаются так, чтобы индуктивная связь между ними ока­залась невозможной. Рекомендуется изго­товить катушки без каркаса из жесткой проволоки, чтобы подстраивать индуктив­ность в определенных границах, слегка ме­няя промежуток между витками. Для све­дения к минимуму потерь в согласующем устройстве целесообразно применить пе­ременный конденсатор С с воздушной изо­ляцией.

Рис. 2. Согласование антенны Groundplane через эквивалент трансформатора

При расчете эквивалента трансформато­ра исходят из необходимости согласовать полное сопротивление кабеля Z_k с вход­ным сопротивлением антенны Z_a, не допус­кая отражений. Импеданс цепочки транс­форматора Z_t рассчитывается по известной формуле:

Z_t=( Z_k Z_a)^1/2.

Кроме того, справедливы следующие вы­ражения:

Z_t = L₁ = L₂ = 1/C, =2 f =6,28 f .

Пример

Пусть входное сопротивление антенны рав­но 36 Ом, для ее питания используется ко­аксиальный кабель с волновым сопротив­лением 50 Ом.

Z_t = = 42,43 Ом =L₁ =L₂

Для рабочей частоты 14,15 МГц получим:

L₁ =L₂= Z_t / =42,43/(214,1510⁶) = 0,477 мкГн.

Емкость конденсатора С рассчитывается по соотношению:

С=1/( Z_t ) = 1/(214,1510⁶42,43)=265 пФ

В итоге воспользуемся конденсатором на 300 пФ - «с запасом», чтобы учесть факто­ры, которые не принимались во внимание при расчетах.

Катушки и конденсатор следует помес­тить в герметичную коробку, например в корпус какого-либо электротехнического изделия, предназначенного для сырых по­мещений. Точная настройка возможна лишь с помощью рефлектометра. Если его нет, следует настраиваться по мак­симуму сигнала с помощью индикатора на­пряженности поля.

При согласовании посредством частот­но-зависимых цепочек надо помнить, что они сужают полосу частот антенны. Поэтому необходимо заранее решить, стоит ли несколько сузить полосу ради более строго­го согласования (например, при работе только в телеграфном режиме) или лучше смириться с КСВ величиной 2 при прямом подключении кабеля ради более широкой полосы. На практике любители часто выби­рают прямое питание антенн Groundplane через 50-омный коаксиальный кабель. В таком случае следует ожидать КСВ около 1.5, что считается приемлемым.

Простейший способ непосредственного согласования антенны Groundplane состоит в том, чтобы воспользоваться фидером из двух параллельно включенных 75-омных коаксиальных кабелей. Суммарное волно­вое сопротивление такого фидера прибли­зительно равно 38 Ом и мало отличается от входного сопротивления самой антенны. Впрочем, этот способ применим лишь на малых расстояниях между входом антенны и передатчиком.

Если изготовить коаксиальный четверть­волновый трансформатор из стандартного кабеля, параллельно соединив отрезки 75-омного и 50-омного кабелей, согласо­вание будет обеспечено при входном сопротивлении антен­ны Groundplane 33,3 Ом. Кроме того, 70-омный трансформатор вместе с 50-омным фидером гарантирует согласование с вход­ным сопротивлением антенны величиной 35,7 Ом, а вместе с 60-омным фидером - с входным сопротивлением 41,7 Ом. Во всех указанных случаях согласование окажется достаточно строгим, если антенна работает в режиме резонанса.