Большинство вертикальных излучателей требует ВЧ заземления. И если для ВЧ диапазонов иногда существуют решения без такого заземления, то низкочастотных вертикалов без ВЧ заземления не бывает.
ВЧ заземление это или приподнятые резонансные радиалы или противовесы, лежащие прямо на земле. Для НЧ диапазонов такая система требует огромных площадей. А это дорого и непрактично. Даже если земля принадлежит вам, то сеть длинных проводов мешает её другому использованию, например для прохода, ландшафтного декора, сельского хозяйства и т.п. Что напрягает всех (кроме самого радиолюбителя - hi) и приводит к конфликтам.
Одно из решений таких конфликтов – закопать противовесы, так, чтобы сверху можно было что-то небольшое выращивать, или хотя бы косить газон и ходить. Но тут возникает дилемма: закопай неглубоко – ничего не вырастишь или противовесы порубят сельхозорудиями при рыхлении и копке, закопай глубоко - возрастут потери на обогрев земли и снизится КПД антенной системы.
Расчеты ниже помогут определить разумную глубину залегания противовесов, в зависимости от проводимости почвы и рабочих диапазонов.
Глубину проникновения ВЧ тока в частично проводящий материал посчитать легко. Это глубина скин-эффекта (ВЧ ток течет только по поверхности такого материала), для которой есть простая формула в зависимости от частоты тока и проводимости материала.
Беда в том, что для нашей задачи эта формула неприменима. Она выведена для стандартного ослабления в e раз. Т.е. глубиной скин-слоя считается такая, на которой ВЧ ток ослабляется в 2,718 раз. Т. е. на ~8,7 dB. Это правильно с точки зрения теоретической физики. Но для антенной практики идея потерять лишние 8,7 dB в заземлении не выглядит разумной.
Эти 8,7 dB не равны потере усиления антенны на такую величину (хотя, конечно, при заглублении противовесов потери в заземлении растут и от этого падает усиление антенны). Эта цифра 8,7 dB характеризует на сколько противовесы на такой глубине окажутся менее эффективными, чем при расположении их на поверхности. Т.е. это характеристика падения эффективности противовесов.
Поэтому я рассчитал глубину проникновения ВЧ токов в грунт (для трех разных его проводимостей) по уровню их ослабления 0,9. Это соответствует потерям эффективности противовесов около 1 dB (чуть меньше), что представляется разумной платой за возможность убрать их под землю.
Рассчитанные графики показаны на следующем рисунке.
По горизонтальной оси отложена частота в MHz, по вертикальной – глубина проникновения в сантиметрах по уровню 0,9. Разные цвета графиков соответствуют плохой, средней и хорошей земле.
Пользование графиками: для своей проводимости земли выбираете соответствующий график, по горизонтали частоту и на пересечении с графиком по вертикальной оси считываете глубину проникновения.
Вертикал на 1,8 и 3,5 MHZ. Земля средняя. По коричневому графику находим, что на 3,5 MHz глубина ~27 см. Можно закопать противовесы чуть глубже, чем на штык небольшой лопаты и спокойно занимать верхний слой землию под огород и клумбы.
Вертикал 1,8 ... 10 MHz. Земля хорошая. Оливковый график показывает, что глубина проникновения уменьшается от 27 см на 1,8 MHz, до 12 см на 10 MHZ. Поэтому, если все противовесы лежат на одной глубине, она должна быть не более 12 см. То есть газон и проходы сделать на поверхности земли можно, а огород и клумбы – нет.
Но при радиусе противовесов 1,8 MHz более 30 м теряется много площади под растения. Поэтому разумнее ступенчатое расположение противовесов по глубине. Противовесы 10 MHz закопать на 12 см: в радиусе их длины 7 м получается только газон, но теряемая площадь терпима (т.к. мала длина этих противоввесов). Для 7 MHz закопать часть противовесов от отметки 7 м и до их конца 10 м – на глубину 14 см (уже что-то небольшое может расти). Для 3,5 MHz часть от длины 10 м и до их конца 19 м – на 20 см (средние цветы) А часть противовесов 1,8 MHz от 19 м до их конца углубить на 28 см и выращивать в этом кольце сверху уже всё что угодно.
Вертикал 14 ... 28 MHz . Земля средняя. На первых 2,5 м длины противовесов глубже 10 см лучше не закапываться. Потом можно (если к тому вынуждают соображения использования земли для растений) опускаться до 18 см на 5 м длины.
Вертикал 7 ... 21 MHz . Земля плохая, песок. Зеленый график показывает, что глубина проникновения уменьшается от 32 см на 7 MHz, до 18 см на 18 MHZ. Значит первые 3,5 м длины всех противовесов должны быть не глубже 18 см. А потом глубина их залегания может плавно возрастать: до 22 см на длине 5 м (14 MHz), до 27 см в радиусе 7 м (10 MHz) и до 31 см для оставшихся по длине концов противовесов MHz.
Каждый шаг увеличения глубины на величину, определенную по приведенным выше графикам, добавляет ~ 1 dB потерь в эффективности противовесов. Так, если в примере 2 все противовесы приходится закопать на 25 см, то дополнительные потери составят: 1,2 dB на 10 MHz, 0,8 dB на 7 MHz, 0,3 dB на 3,5 MHz. В ряде случаев может оказаться, что дешевле (по всему комплексу проектирования: и антенная система, и ландшафт) допустить такие потери, но отдать площадь под антенной не только на противовесы, но и для использования в других целях.
Также, используя вышеприведенные графики, можно оценить разумность подключения к ВЧ заземлению каких-то уже существующих подземных проводников. Например, трубы, столбы, арматура. Если они заметно глубже, чем получается по графикам, то особого смысла в таких подключениях нет.
Противовесы под землей сохраняют ландшафт (и, возможно, спокойствие в семье, желающей что-то делать на земле) и позволяют в дальнейшем эксперименты с разными вертикальными излучателями на неизменном ВЧ заземлении.
Конечно, уложить противовесы в землю не так легко. Но это можно упростить, используя лист стали примерно 0,7 х 0,3 м, одна длинная сторона которого остро заточена, а ко второй приварен сверху толстый арматурный прут. Забивая такой лист (лучше, если он имеет насечки для устойчивости к сгибанию) в землю кувалдой и раскачивая его при этом, можно относительно быстро сделать узкую и длинную щель-канавку. Которую после укладки в нее противовеса просто притоптать, чтобы её края сошлась. В принципе, такую щель в земле можно прорезать острой прямоугольной лопатой, но из-за ее малой ширины это дольше.
Еще один полезный нюанс. Не поленитесь нанести расположение противовесов и их глубину на план участка земли. Это избавит от многих проблем в будущем, например, когда на участке потребуется что-то заметное (с фундаментом) построить или посадить (крупные кустарники или деревья).
31.03.2021