Эта статья рассматривает вопрос о влиянии физического радиуса укороченных радиалов на параметры GP, основание которого (и, соответственно, радиалы) высоко поднято над землей. Это ситуация ВЧ КВ диапазонов и УКВ. Поднять над землей радиалы и основание GP там относительно просто.
Но под радиалы требуется место. А с ним всегда сложности. Кроме того, полноразмерные λ/4 радиалы занимают места столько же, сколько и λ/2 диполь. Поэтому, если высота основания больше λ/2, то с точки зрения максимального усиления под низкими зенитными углами проще разместить обычный диполь, чем ставить вертикал. Разве что есть какие-то другие существенные причины (например, требование вертикальной поляризации и круговой азимутальной ДН при местных УКВ связях) вынудят применять именно вертикал.
Но при высоте основания 0,1 ... 0,4λ разумнее ставить вертикал. Однако классические λ/4 радиалы требуют много места вокруг антенны и поддерживающих концы поднятых точек опоры. Посмотрим, что можно сделать в смысле укорочения радиалов и как это повлияет на антенну.
Давно и хорошо известно, что укорочение излучающей части антенны ни к чему хорошему не приводит: быстро (пропорционально квадрату укорочения) падают полоса и сопротивление излучения. Снижается и усиление (хотя и не так быстро как полоса и Ra), особенно при заметном сопротивлении потерь в антенне.
Поэтому казалось бы укорочение радиалов должно привести к таким же эффектам: радиалы ведь часть антенны. Но фокус в том, что описанные выше безобразия случаются при укорочении излучающей части антенны. А радиалы неизлучающая часть. Их задача только принять ток с вертикала. Но ничего при этом не излучать. Систему радиалов специально делают неизлучающей. Излучение радиалов – паразитный и очень небольшой эффект в GP.
Поэтому укорочение радиалов при сохранении высоты GP не приводит к заметному изменению параметров антенны. Если, конечно, укорочение сделано так, что система радиалов не излучает. То есть токи в разных радиалах направлены навстречу друг другу и их излучение взаимно компенсируется.
Возьмем проволочный λ/4 GP на частоту 14,15 МГц. Его высота будет 5,3 м. Разместим его в свободном пространстве (сначала посмотрим радиалов в чистом виде влияние, без земли). И будем по очереди подключать к нему резонансные системы проволочных радиалов: от полноразмерной, до сильно укороченной. Все системы радиалов настроены в резонанс, т.е. суммарный (радиалы + GP) импеданс антенны чисто активен. Иначе говоря, на частоте 14,15 МГц наши системы радиалов являются резонансным ВЧ заземлением.
Для работы с вышеупомянутым GP были выбраны следующие 7 систем радиалов.
1. Радиус 5,3 м. Полноразмерные классические четыре λ/4 радиала под 900 (очевидный рисунок таких радиалов мне делать неохота).
2. Радиус 3,6 м с загнутыми концами:
3. Радиус 2,8 м,каждый из 4 радиалов имеет емкостную нагрузку:
4. Радиус 2,0 м. Радиалов осталось два. На прием тока это не влияет, т.к. система осесимметрична. Любопытная особенность этой системы: хотя а точках А и В максимумы напряжения, но они одинаковы и синфазны. Поэтому в точках А и В провода можно соединить. Внешний квадрат это сплошная проволока без изоляторов:
5. Радиус 1,8 м. В принципе, такая же система, как и предыдущая, но в точки максимумов напряжения добавлены дополнительные провода - емкостные нагрузки:
6. Радиус 1,1 м. Пара сложно изогнутых радиалов. Токи в каждой их точке противофазны:
7. Радиус 0,85 м. Предыдущий вариант, но сильнее скрученный:
Посмотрим как зависят параметры λ/4 GP от длины радиалов (поочередно используется каждая из семи вышеупомянутых систем радиалов).
Графики входного сопротивления:
Как видим, никакого падения пропорционально квадрату укорочения нет. При уменьшении радиуса радиалов в 6 раз (с 5,3 до 0,85 м) Ra падает от 23,1 до 18,8 Ом, т.е в 1,2 раза вместо ожидаемых нескольких десятков раз. Причина названа выше: идеальный токоприемник (система радиалов) ничего не излучает, т.е. вклад в сопротивление излучения нулевой. А ноль во сколько раз ни уменьшай – столько же и получишь.
Тогда почему вообще меняется R на графике? Дело в том, что токоприемник у нас не идеальный. И радиалы что-то все-таки излучают, несмотря на токовую взаимную компенсацию. Вспомним, что идеальный полуволновой диполь в свободном пространстве имеет Ra около 73,5 Ом. Значит, идеальный λ/4 излучатель должен иметь вчетверо (в квадрат укорочения раз) меньше, т.е. ~18,4 Ома. Он их и имеет. А все что на предыдущем графике выше этого значения – это вклад радиалов в Ra т.е. в излучение. При полноразмерных радиалах этот вклад 23,1 – 18,4 = 4,7 Ома. А при совсем коротких в 0,85 м 18,8 – 18,4 = 0,4 Ома. Вот оно, падение более чем в 10 раз (остальное "замыливают" потери, т.к. во всех моделях установлен медный провод).
Значит, укорочение радиалов не влияя на излучение самого штыря, приводит к уменьшению их излучения, а, следовательно, и усиления антенны? Не совсем. Излучение радиалов, конечно, сильно уменьшается. Но кто сказал, что это излучение полезно и увеличивает общее усиление антенны? Это совсем не так.
Взглянем на график зависимости усиления антенны от радиуса радиалов:
И увидим очень странную вещь: максимум усиления не соответствует полноразмерным радиалам. Он получается при радиусе радиалов 1,8 ... 2 м (т.е. 0,087 ... 0,094λ). Причина такого максимума: при длинных радиалах их излучение идет вверх и расширяет зенитную ДН, снижая усиление. При совсем коротких радиалах сказываются потери в проводах. Посередине между этими двумя спадами размещается размытый максимум.
Конечно, максимум усиления выражен слабо, весь размах графика всего-то 0,25 дБ. Но тем не менее: длинные радиалы в свободном пространстве для усиления вредны.
Тогда в чем подвох? Должны же в чем-то укороченные радиалы проигрывать. Да. Будет проигрыш в полосе. Резонансное заземление на то и резонансное, что принимает в себя ВЧ токи в какой-то полосе. И укорочение радиалов приведет к уменьшению этой полосы, из-за большей скорости изменения реактивности.
Поскольку прямо сравнить полосы мы не можем (т.к. меняется Ra), то на следующем графике показано насколько меняется реактивное сопротивление при изменении частоты от 13,9 до 14,4 МГц:
Вот тут уже никаких чудес: чем короче, тем больше размах реактивности. Правда увеличение до 1,8 ...2 м довольно мало, основной рост начинается при укорочении меньше 1,8 м.
Приведенные выше графики очень интересны. Но они для свободного пространства. А у нас антенны над реальной землей. А над ней радиалы выполняют еще одну функцию: экранируют ближнюю зону антенны от проникновения в грунт и бесполезного нагрева последнего. Понятно, что укороченные радиалы будут справляться с этим хуже. Разберемся насколько хуже.
На следующем рисунке показано, как меняется усиление GP от длины радиалов над средней землей. Приведены графики для нескольких высот и для сравнения повторен график для свободного пространства.
При высоте 2 м (0,09λ) ближняя зона вертикала оказывается почти наполовину в земле. Поэтому укорочение радиалов, ухудшая экранирование, приводит к падению усиления. Укорочение радиалов вдвое снижает усиление на 0,35 дБ, в 2,5 раза – на 0,45 дБ. Столько терять, конечно, жалко. Но стоит рассмотреть вопрос: может быть разумнее применить сильно укороченные радиалы, приподняв основание? Конструктивно это может оказаться проще. Например, вертикал с радиалами полноразмерными радиалами на высоте 2 м будет иметь точно такое же усиление, как вертикал с радиалами радиусом 2 м, на высоте 3 м.
При высоте 3 м (0,14λ) ближняя зона достает до земли. Поэтому укорочение радиалов, ухудшая экранирование, приводит к падению усиления. Но не очень большому: укорочение радиалов вдвое снижает усиление на 0,2 дБ, в 2,5 раза – на 0,3 дБ. Кроме того, что это небольшие величины, они легко могут быть скомпенсированы дополнительным подъемом на единицы % λ.
При высоте 5 м (0,25λ) "хвосты" ближней зоны еще дотягиваются до земли. Вообще, для обычной оценки простых антенн вроде полуволнового диполя и λ/4 GP мы считаем радиус ближней зоны λ/2π = 0,16λ. Но надо понимать, что ближняя зона не имеет выраженной границы. Поле плавно меняет свои свойства при удалении от антенны. Поэтому, когда рассматриваются тонкие эффекты (а в данном случае мы ловим десятые доли децибела), то влияние ближней зоны можно ощущать на расстояниях до четверти длины волны. Это мы и видим на графике для высоты 5 м: максимум усиления сместился в область 3,6 ... 5 м. Вывод: при высоте 0,25λ лучше всего использовать радиалы 0,17λ. А если допустить падение усиления на 0,1 дБ, то можно их укорачивать до 0,09λ.
При высоте 7 м (0,33λ) ближняя зона совсем не касается земли и график практически такой же (естественно, со сдвигом по усилению из-за влияния земли) как и для свободного пространства. Вывод: при высоте подвеса более 0,33λ (например, на УКВ) лучше всего использовать радиалы 0,087 ... 0,094λ (см. пп. 4 и 5), а полноразмерные радиалы не дают никаких преимуществ и даже несколько снижают усиление..
Перейдем от теории к конструкциям. Согласуем штырь удлинением до Ra = 50 Ом с компенсацией получившейся индуктивной составляющей последовательным конденсатором в точке питания.
И сравним параметры такого штыря с тремя системами радиалов: полноразмерными, радиусом 1,8 м и самыми маленькими 0,85 м.
При высоте основания 2 м над реальной землей для достижения 50 Ом требуется высота около 6,2 м. Такой GP с полноразмерными радиалами имеет полосу по КСВ < 2 792 кГц и Ga = 0,25 dBi. Этот же GP c радиалами радиусом 1,8 м дает полосу 776 кГц и усиление –0,07 dBi.
А при радиалах 85 см полоса сужается до 493 кГц а усиление до –0,16 dBi.
При высоте основания 5 м над реальной землей для достижения 50 Ом требуется высота около 6,7 м. Такой GP с полноразмерными радиалами имеет полосу по КСВ < 2 590 кГц (сужается из-за большей высоты и, соответственно, меньшей согласующей емкости) и Ga = 0,62 dBi. Этот же GP c радиалами радиусом 1,8 м дает полосу 600 кГц (т.е. даже чуть больше, чем с полноразмерными) и усиление 0,62 dBi (т.е. точно такое же, как с полноразмерными радиалами). А при радиалах 85 см полоса сужается до 452 кГц а усиление остается почти неизменным: 0,6 dBi.
Конструктивно укороченные радиалы могут быть выполнены либо на коротких трубах-распорках, либо как проволока, растянутая между изолированными оттяжками вертикала.
Bonn, 08.10.2013