Вертикально поляризованные антенны.

Антенна Ground Plane. Импеданс, КПД.

Переходим к рассмотрению класса антенн, обладающих замечательными свойствами. Принципиально, эти антенны, не отличаются от антенн с горизонтальной поляризацией, но имеют свои интересные особенности. Вертикал - это диполь, у которого одно из плеч установлено вертикально, а другое плечо или несколько проводников, соединенных вместе - горизонтально над поверхностью земли.

Одним из примеров вертикалов, является классическая антенна Ground Plane, или коротко - GP. Схема этой антенны показана на Рис.1, из которой мы видим, что антенна состоит из вертикально расположенного излучателя и горизонтально расположенных радиальных проводников, соединенных параллельно у основания антенны - радиалов.

                                                             

                                                                                                              Рис.1

Размеры вертикального излучателя и радиалов, равны по 0.25 лямбды. Все вертикалы, относятся к классу низкоомных антенн, т.е. антенн, питаемых током, хотя у высоких вертикалов, оно может быть и выше обычного.

Вертикалы, высотой 0.25 лямбды, расположенные непосредственно над землей, имеют прижатое к земле излучение, что является их положительным качеством, при дальней связи. Это особенно важно, на диапазонах 7, 3.5, и 1.8 Мгц, где, получение прижатого к земле излучения, с помощью горизонтальных антенн крайне затруднено, ввиду

ограниченной высоты подвеса антенны, трудности обеспечения высоты подвеса 0.5 лямбды.

На Рис.2 показано распределение токов в антенне.

                 

                                                                                                                 Рис.2

Максимальный ток протекает в нижней части антенны, следовательно, именно эта часть, как уже рассматривалось в предыдущих статьях, вносит основной вклад в излучение антенной энергии. Токи в радиалах, растекаются в противоположных направлениях, поэтому они взаимно уничтожаются, что уничтожает горизонтально поляризованные волны.

Сопротивление излучения одиночного вертикала, высотой 0.25 лямбды, равно 36.6 .

Входное сопротивление(импеданс) антенны будет отличаться от значения 36.6 Ом в сторону увеличения импеданса, т.к. импеданс, состоит из суммы сопротивления излучения и плюс сопротивление потерь в земле и системе противовесов(радиалов) антенны. Например, мы, измерив импеданс антенны на рабочей частоте, получили значение импеданса Z=70 +j0 Ом. Это означает, что мы имеем сопротивление потерь:

 R= 70 - 36.6 = 33.4 Ом

 С этим значением сопротивления потерь, мы будем иметь GP, у которого КПД будет равен

 КПД= [36.6/(36.6+33.4)]х 100%= 52%

 Мы будем терять почти половину мощности на передачу и примерно 1 S балл на прием. Поэтому, когда вам, кто-либо,

говорит, что его вертикал работает без согласования с кабелем 75 Ом и при этом , КСВ равен 1, то можно смело сказать, что этот вертикал имеет КПД , приблизительно 50% и хорошей его работу, назвать никак нельзя. Поэтому, чем ближе импеданс вертикала к значению 36.6 Ом, тем лучшего качества земля, меньше сопротивление потерь и выше КПД. Можно по-другому оценить КПД вашего вертикала. Например, вы питаете вертикал, высотой 0.25 лямбды, кабелем 50 Ом и получили , при этом, КСВ= 2. Это означает, что, при этом КСВ, импеданс вашего вертикала , либо 25 Ом , либо 100 Ом. Но импеданс 25 Ом не может быть, т.к. сопротивление излучения вертикала, высотой 0,25 лямбды, равно 36.6 Ом, без учета потерь в земле и меньше этого значения , он быть не может. Значит вариант 25 Ом - отпадает. Следовательно, импеданс антенны 100 Ом. Далее, разделив 36.6 на 100 и умножив на 100%, мы получим КПД=36.6%. Это потеря 2/3 мощности на передачу и примерно 1.5 S балла на прием.

Одна очень важная особенность вертикалов:

 

Если вы расположите рядом с вертикалом, на расстоянии 1/8 лямбды или ближе, малошумящую антенну( диполь, антенна Бевериджа, и т.д.), то эта антенна станет принимать намного больше шума. Вертикал переотражает принятые помехи и шум эфира. Этот эффект надо учитывать, при расположении антенн.

Радиалы.

 

Очень важное значение имеют радиалы антенны, провода, расходящиеся радиально от основания вертикала. Во-первых, их всегда должно быть четное количество. Это потому, что токи в радиалах протекают в противоположных направлениях, растекаются от основания вертикала, Рис.2, а значит, они попарно взаимно уничтожаются. Если радиалов нечетное количество, то ток в одном из радиалов не будет скомпенсирован, и поэтому в диаграмме излучения, появится горизонтальная составляющая, причем с очень высоким углом излучения т.к. радиалы расположены горизонтально и не очень высоко. Между парами радиалов надо соблюдать угол в 180 град., в противном случае , будет не полная компенсация горизонтальной составляющей излучения радиалов.

В случае, когда земля имеет плохую проводимость, можно рекомендовать, закопать в землю, на глубину 5-10 см, изолированные ПВХ провода, что улучшит качество земли и повысит КПД вертикала. Оптимальное количество радиалов и их длина:

 

кол-во рад.  оптим. длина

              (лямбда)

 

4                 0.1

12                0.15

24                0.25

48                0.35

96                0.45

120               0.5

Если нет возможности закопать провода, например, вертикал устанавливается на крыше, то в этом случае устанавливаются радиалы, непосредственно под вертикалом.

Для радиалов справедливо правило, относящееся к дипольным антеннам: поскольку на конце радиала всегда максимум напряжения, и минимум тока, т.е концы радиалов принимают очень незначительное участие в формировании диаграммы вертикала, радиалы возможно сгибать до 30% их длины. Значительного воздействия, на работу вертикала, это не окажет. Это может быть очень полезным, когда место для установки радиалов, недостаточно. Ограничение - радиалы нельзя сгибать под острым углом, угол должен быть не меньше 90 градусов.

Какое количество радиалов достаточно, для хорошей работы вертикала? Как оценить сопротивление потерь в земле? Обратимся к таблице, взятой из книги Джона Деволдера[Л.1]

Эта таблица оценивает сопротивление потерь в земле(Ом), в функции от количества радиалов и их длины.

 

Длина радиала Количество радиалов

(лямбда)  2      15   30    60      120

 

0.15     28.6  15,3   14,8     11,6   11,6

0,20     28,4   15,3   13,4     9,1    9,1

0,25     28,1   15,1    12,2    7,9   6,9

0,30     27,7   14,5    10,7    6,6   5,2

0,35      27,5   13,9    9,8    5,6   2,8

0,40      27,0     13,1   7,2   5,2   0,1

 Из этой таблицы видно, что увеличение длины радиалов, снижает сопротивление потерь, начиная от 30 радиалов и выше. Диаметр проводов для радиалов, можно выбирать 0,8-1,5 мм, поскольку по ним протекает ток значительно меньший чем у вертикала.

Кабель питания вертикалов, желательно пропустить через токовый дроссель, устраняющий токи оплетки кабеля. Если такой возможности нет, можно обойтись без дросселя, но рекомендуется прокладывать кабель возможно ближе к земле, чтобы он не излучал. В противном случае могут возникнуть проблемы с помехами ТВ, особенно в зоне неуверенного приема.

Выше уже приводился пример, как можно измерить сопротивление потерь вертикала, у которого высота равна 0.25 лямбды.

Если же земля хорошего качества, вертикал можно установить непосредственно на земле, применив шунтовое питание.

Высота установки вертикала.

 

 Какую же высоту установки вертикала выбрать? Давайте обратимся к EZNEC и смоделируем наш вертикал, для среднего качества земли. Вообще говоря, почти для всех типов антенн, справедливо правило: чем выше-тем лучше. В реальной жизни, всегда существуют оптимальные высоты установки антенн.

На Рис.3 дана диаграммы вертикала для различных высот установки - 0.01, 0,1, 0,15 и 0,25 лямбды, высота от земли до основания вертикала.

                           

                                                                                                                 Рис.3

Мы видим, что наилучшие углы излучения, получаются при высоте установки 0,1 и 0,15.

При высоте 0,25, диаграмма раздваивается, и мы теряем часть мощности на излучение под большим углом, около 60 градусов, который не является оптимальным.

На Рис.4 даны диаграммы, для высот 0.5, 1.0, 1.5, и 2.0 лямбды.

                                                             

                                                                                                                  Рис.4

Излучение дробится на несколько лепестков, причем, чем больше высота, тем больше количество лепестков, что снижает эффективность антенны.

На Рис.5 дана зависимость КСВ вертикала, от частоты, для кабеля 50 Ом, при 4-х радиалах. Вертикал и радиалы, подняты над землей, среднего качества, на высоту 0.1 лямбды.

                                                

                                                                                                                         Рис.5

 

                              3.2.4 Выбор места установки вертикала.

 Вертикалы требуют для установки достаточно много свободного места. Ранее уже рассматривался вопрос свободного пространства для установки вертикалов и все необходимые расчеты, связанные с этим.

В радиусе, минимум 0,5 лямбда от вертикала, не должно быть никаких вертикальных металлических предметов( мачты, ж/б столбы, провода) т.к. это сильно изменяет импеданс антенны и ее диаграмму.

Как правило, все вертикалы, изготавливаются из медной или дюралюминиевой трубы, диаметром 25 мм и толще. Такой толстый излучатель, имеет высокую паразитную емкость с землей, поэтому его физическая длина, должна быть, несколько, меньше.

Лучшим вертикалом, считается вертикал, высотой 5/8 лямбды. Этот вертикал, излучает под углом 10 градусов. Эта антенна, будет очень эффективно работать на 14, 21, 28 Мгц. На НЧ диапазонах, этот вертикал не будет эффективен, ввиду того, что угол 10 градусов, является не оптимальным для этих диапазонов. Оптимальные углы, были рассмотрены выше. Высокие вертикалы, будут рассмотрены подробнее немного позже.

 

Укороченные вертикалы. Теория.

Иногда, нет возможности установить полноразмерный вертикал, высотой 90 эл.градусов. В таких случаях, представляется возможным установить укороченный вертикал, но для компенсации уменьшения высоты вертикала, используется искусственная емкостная нагрузка, расположенная на вершине вертикала. На Рис.6, показана конструкция такого укороченного вертикала.

                                     

                                                                                                                   Рис.6

 Мы видим вертикал , высотой < 90 градусов, а недостающая высота, компенсируется применением радиальных проводников, соединенных с вершиной вертикала. Все концы радиалов должны быть соединены вместе [Л.2]. На Рис.7, показана диаграмма входного импеданса укороченных вертикалов.

                                                   

                            Рис.7

 Можно заметить, что при уменьшении высоты вертикала меньше 90 градусов, его импеданс стремительно понижается.

Можно применить формулу для расчета сопротивления излучения укороченных вертикалов [Л.1]:

 

R = 36.6 x sin² L

 

Мы знаем недостатки антенн с низким импедансом, поэтому надо всегда стремиться к получению высокого импеданса. Какой же длины должны быть проводники искусственной емкостной нагрузки, для компенсации укорочения вертикала?

 

 Расчет емкостной нагрузки для укороченного вертикала.

 

Допустим, мы решили установить вертикал, высотой 29 метров, и диаметром 15 см, но мы бы хотели, чтобы он также работал и на диапазоне 1.85 Мгц, с искусственной емкостной нагрузкой при вершине. Вычислим длину укороченного вертикала, для этой частоты [Л.1]:

 

 Лямбда= 300/1.85 = 162.16 метра.

 Для получения четвертьволнового вертикала, разделим длину волны на 4.

Лямбда/4= 163.93/4= 40.54 метра.

 Учитывая коэффициент укорочения для вертикалов 0.96, найдем высоту полноразмерного вертикала на 1.83 Мгц:

 Н= 40.98 х 0.96 = 39.92 метра.

 Тогда высота нашего 29 метрового вертикала составит:

 Н= 90 х (29/39.34)= 66.3 градуса.

 Нам не хватает до полноразмерного вертикала:

 L = 90 - 66.3 = 23.7 градуса

 Теперь рассчитаем характеристический импеданс вертикала, представляя его в виде короткой однопроводной линии передачи.

 Z = 60 [ ln(4h/d)-1]

 Где h - высота планируемой антенны (2900 cм)

d- диаметр антенны (15 см)

 Величины h и d, должны быть одинаковой размерности.

 Подставляя в нашу формулу значения, получим :

 Z = 60 [ ln (4 x 2900/15) - 1] = 339 Ом.

 Рассчитаем реактивность искусственной емкостной нагрузки по формуле:

 Х = Z/tang t

 Где t -электрическая длина емкостной нагрузки( 23.7 град.)

 Х = 339/tang 23.7 = 770 Ом

 

Рассчитаем емкость, которая имеет это реактивное сопротивление на частоте 1.85 Мгц:

С( pF)= 1000000/6.28 х 1.85 х 770 = 112 pF

 

Диаметр емкостной нагрузки нашего вертикала:

D= (C x 1.12)/39.37 = (112 x 1.12)/39.37 = 3.18 метра.

 

Это и есть конечный результат.

Количество радиалов для емкостной нагрузки должно быть четным, и не менее 6. Формулы справедливы только для радиалов с соединенными по периметру концами. 8 таких закороченных радиалов, эквивалентны 21 обычным радиалам.

Эту систему искусственной емкостной нагрузки, иногда называют ,,емкостной шляпой,,. Если мы расположим радиалы горизонтально, то в этом случае, согласно графику на Рис.7, входной импеданс нашего укороченного вертикала будут равен 30 Ом.

 

Некоторые конструктивные особенности укороченных вертикалов.

 В том случае, если мы расположим наши радиалы не горизонтально, а наклонно, что существенно удобнее для растяжки антенны, то платой за это будет, снижение импеданса антенны. Экспериментально установлено, что наклонная часть радиалов(емкостной нагрузки), должна занимать не более 57% от высоты вертикала. При таком расположении радиалов, импеданс снизится не столь значительно. На Рис.8 показана конструкция укороченного вертикала, с наклонной системой искусственной емкостной нагрузки [Л.2].

                          

                                                                                                               Рис.8

 

Совершенно очевидно, что качество земли или качество ,,земляных,, радиалов, расположенных у основания вертикала, приобретает зачительно более важное значение с укороченными вертикалами, чем с полноразмерными. Сопротивление потерь в системе ,,земляных радиалов,, сказывается тем сильнее, чем более низкий импеданс имеет вертикал. Поэтому, системе противовесов, в этом случае, надо уделить более пристальное внимание. Пример:

Для полноразмерного вертикала, имеющего сопротивление излучения 36.6 Ом, при сопротивлении потерь в земле, допустим 10 Ом, мы получим КПД вертикала:

 КПД = 36.6/(36.6 +10)= 78.5%

 

Но то-же сопротивление потерь для укороченного вертикала, высотой 45 градусов, и имеющего сопротивление излучения, согласно Рис.7, всего 18 Ом, даст нам другое значение КПД:

 КПД = 18/(18+10)= 64%

 

Необходимо учитывать, что снижение импеданса антенны, приведет к уменьшению полосы пропускания антенны.

 Ширина полосы пропускания вертикала и методы настройки его в резонанс.

 Оценить ширину полосы пропускания антенны, можно по формуле:

B = F/Q,

 Где F - рабочая частота

 Q - добротность вертикала ( Q = Z/Rизл + Rпот.)

Rпот - сопротивление потерь системы заземления вертикала( 10 Ом - средняя земля)

Брем данные из примера расчета емкостной нагрузки для укороченного вертикала:

 Вычислим добротность Q:

 Q = 339 Ом/30 + 10 = 8.47

 Отсюда искомая ширина полосы пропускания:

 B = 1.85/8.47 = 0.218 Мгц или 218 кГц

Для сравнения, полоса пропускания полноразмерного вертикала, будет 240 кГц. Разница не очень значительна, потому что высота нашего укороченного вертикала равна 66.3 градуса. Если же мы выберем вертикал, высотой 45 градусов или 0,125 лямбды, то полоса будет существенно меньше, т.к сопротивление излучения такого вертикала, согласно графика на Рис.7, будет 18 Ом. Характеристическое сопротивление антенны, будет:

 Z = 60[ln(4h/d) - 1]= 316.6

 Найдем добротность вертикала:

 Q = 316.6/18 + 10 =11.31

 Откуда ширина полосы пропускания укороченного вертикала:

 B = 1.85/11.31 = 0.163 Мгц или 163 кГц.

 

 Это и будет шириной полосы по уровню -3db/

 Сравните это значение с 240 кГц, для полноразмерного.

 Это плата за уменьшение габаритов вертикала.

Все данные для этого расчета взяты из предыдущего примера.

Если вертикал оказался немного коротким, т.е. имеет резонанс несколько выше по частоте, можно рекомендовать применение включения в основание вертикала, переменной индуктивности, подбором которой, можно понизить частоту резонанса до

требуемой. Следует применять индуктивность с максимально возможной добротностью катушки, т.е. катушка должна иметь возможно толстый провод(желательно посеребренный), и отношения диаметра катушки к длине намотки, долно быть около 1. Поскольку любая катушка индуктивности, имеет конечное значение добротности, то потери вертикала, уменьшение его КПД - неизбежно. Поэтому не следует применять индуктивность, включенную в основание вертикала, без особой необходимости.

Если же вертикал имеет резонанс несколько ниже по частоте, то вместо индуктивности, можно применить переменную емкость. Поскольку переменная емкость с хорошим диэлектриком имеет добротность, превышающую на порядок добротность индуктивности, потеря КПД вертикала, в этом случае , будет значительно меньше.

Этими элементами подстройки, вертикал настраивают по минимуму КСВ, на нужной частоте.

Диаграмма направленности укороченных вертикалов, ничем не отличается от диаграмм полноразмерных вертикалов.

 

 Базовая линейная нагрузка укороченных вертикалов.

 

Рассмотрим еще один метод компенсации недостающей высоты, для укороченных вертикалов. На Рис.9, показана конструкция укороченного вертикала, с линейной базовой нагрузкой.

                             

                                                                                                            Рис.9

 

Базовая нагрузка - нагрузка, включенная в основание вертикала, базу. Линейная - т.е. не содержащая никаких нелинейных элементов(индуктивностей или емкостей).

Схема достаточно проста, и из нее понятно, что мы применяем такую нагрузку для компенсации недостающей высоты вертикала.

Конструктивные особенности такой схемы нагрузки, изображены на Рис.10.

                                                

                         Рис.10

 Все трубы дюралевые или медные. Перемычку А, лучше изготовить перемещающейся по трубкам, с тем, чтобы можно было провести подстройку вертикала в резонанс. В нижней части рисунка, изображена схема согласования импеданса вертикала с сопротивлением питающего кабеля. Изменением индуктивности и емкости, добиваются минимума КСВ на рабочей частоте. Высота трубок В и С, около 5 метров, а высота трубы вертикала - 29 метров.

Метод линейной базовой нагрузки, уступает методу ,,емкостная шляпа,, в том, что при этом методе, на основной рабочей частоте, сопротивление излучения вертикала, не превышает 20 Ом, в то время как первый вариант нагрузки, дает это же значение 24 Ом. Это сравнение дано для высоты вертикалов - 54 градуса. Т.е. эти два метода нагрузки, почти эквивалентны по еффективности работы антенны.

В качестве сравнения, приведу данные для еще одного метода согласования - нагрузочная базовая индуктивность, чаще известная под названием - ,,удлиняющая катушка,,.

Сопротивление излучения вертикала, с такой катушкой в основании, будет заметно ниже первых двух вариантов, и будет составлять всего 9.3 Ом для высоты 53 градуса. Такое низкое сопротивление излучения, может вызывать определенные трудности при согласовании кабеля с вертикалом, что будет вызывать большие потери в виде тепла, в реактивных элементах согласования(индуктивность и емкость), потому что, в точке питания вертикала, ввиду низкого сопротивления, будет проходить значительный ток питания антенны. К тому же, в итоге, мы получим узкую ширину полосы пропускания. Поэтому этот метод нагрузки укороченных вертикалов, можно считать, только как вспомогательный, т.е. когда нет больше никакого другого выбора нагрузить вертикал. КПД вертикала, с катушкой в базе, будет 28%, в то время, как первые два метода дают 55%. Разница существенная.

Все размеры справедливы для диапазона 1.85 Мгц, и для получения размеров для других диапазонов, все размеры необходимо пропорционально уменьшить. Для этого, надо разделить интересующую вас частоту на 1.85. Например:

Мы желаем изготовить подобную антенну для частоты 7.05 Мгц. Тогда, разделив 7.05 на 1.85, мы получим число 3.81.

Это значит, что все размеры вертикала надо уменьшить в 3.81 раза. Соответственно, если вам надо пересчитать размеры антенны с верхних диапазонов, на нижние, для этого надо умножить исходные размеры на вышеупомянутое число. Это правило пересчета на другие частоты, справедливо для любых антенн.

 

 

Влияние качества земли на работу высоких вертикалов.

 

Для того, чтобы сравнить и проанализировать высокие вертикалы с обычной высотой 0.25 лямбды, смоделируем, последовательно, работу трех вертикалов, различной высоты, при различном качестве земли. Используем для этого экперимента вертикал 0.25, 0.5, и 0.625 или 5/8 лямбды. На Рис.11 даны диаграммы для этих вертикалов, при условии ипользования идеальной земли(морская вода).

                         

                                                                                                               Рис.11

Мы видим, что усиление вертикала в 5/8 лямбды, равно 7 dbi, и угол излучения равен 5 градусов.Хорошо выражены два лепестка, под большим углом, но их интенсивность, намного меньше основного лепеска.

Диаграмма вертикала 0.5 лямбды, значительно отличается от первой. Усиление его несколько меньше, 5dbi, а ширина вертикального лепестка - больше. Этот вертикал уступает 5/8 вертикалу.

Вертикал 0.25 лямбды, уступает первым двум, т.к. имеет усиление 4dbi, а ширину диаграммы много шире.

На следующем Рис.12, показаны те-же верикалы, но качество земли - среднее.

                                                 

                                                                                                                Рис.12

Мы видим, как резко упало усиление 5/8 лямбды вертикала, до 1,18 dbi(почти на 1 S-балл), и что еще важнее, угол излучения, увеличился с 5 градусов, до 15! Энергия излучения перераспределилась на более высокие углы, где это усиление уступает главному лепестку, всего 2dbi, т.е. явное ухудшение характеристик вертикала.

Вертикал 0.5, меньше изменил свою диаграмму, т.е. угол увеличился не так значительно, что очень важно, но усиление упало до 0.18dbi.

Вертикал 0.25, изменил свою диаграмму, переместив излучение, на более высокие углы, но его усиление сравнялось с 0.5 лямбда вертикалом.

На Рис.13 изображены те-же диаграммы, для очень плохой земли(условия большого индустриального города).

                               

                                                                                                          Рис.13

 

Вертикал 5/8 лямбды, еще более выраженно концентрирует излучение на более высоких углах. Максимальное усиление его, уже на угле 22 градуса, причем, оно незначительно возросло до 2.19 dbi, и превосходит усиление с углов более 60 градусов, на 2 dbi. Высокие углы бесполезны, как уже ранее отмечалось, для DX связей.

Вертикал 0.5, имеет характеристику, очень близкую с

характеристикой вертикала 0.25, немного превосходя его в усилении, на 2dbi.

Из всей этой информации можно сделать однозначные выводы:

 Для высоких вертикалов, качество земли, имеет значительно более важное значение, чем для обычных вертикалов.

Литераратура.  John Devoldere, Low band DXing

 Erwin David, HF antenna collеction