Рис. 4.1.1.
Начнём с нашего старого знакомого (см. раздел 3.3) – l/2 диполя. Это файл … ANT\HF simple\Dipole\Dp20.maa (все остальные файлы моделей, упоминаемые в разделе 4.1, также находятся в папке … ANT\HF simple\Dipole\). О симметричном l/2 диполе почти всё рассказано в разделе 3.3. Почти, потому что не там не рассмотрен часто встречающийся в практике случай наклонного расположения диполя над землей.
Токи в наклонном l/2 диполе (его называют еще слопером - английское sloper и означает «наклонный») можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Естественно, горизонтальная составляющая тока имеет такую же ДН, как и горизонтальный диполь над землёй (то есть «восьмерку»), а вертикальная – как вертикальный (то есть круговую). Их сумма (с учетом фазы) дает слабое подобие направленной ДН – почти круговая ДН с одним минимумом. Или представьтё дипольную «восьмёрку» у которой полностью заплыл один из минимумов, а второй остался. Это и будет ДН слопера. А еще лучше откройте любой из файлов …Sloper 15 deg.maa, Sloper 30 deg.maa, Sloper 45 deg.maa, Sloper 60 deg.maa, Sloper 75 deg.maa, в которых приведены слоперы с разным углом наклона и посмотрите. Минимум излучения слопера направлен в сторону, противоположную наклону. Глубина минимума (точно также как и глубина минимума «восьмёрки» у простого диполя) зависит от высоты подвеса и качества земли.
Если питание слопера производится коаксиальным кабелем без устройства подавления тока оплётки (а это имеет смысл, если кабель отходит перпендикулярно диполю и находится в воздухе), то оплётку кабеля для получения суммарной ДН с меньшим вертикальным углом излучения надо подключать к нижнему плечу слопера, что иллюстрирует файл … sloper test.maa. Попробуйте в этом файле переставить источник в позицию w2b (что соответствует подключению оплётки к верхнему плечу) и посмотрите как испортится ДН в вертикальной плоскости.
Примемся теперь за асимметричный l/2 диполь. То есть диполь, у которого точка питания смещена в сторону, от середины (максимума тока). Такое смещение бывает иногда весьма полезно. Замечу, что в l/2 диполе смещение точки питания не изменяет распределения тока по диполю, а следовательно ДН и Ga остаются точно такими же, как и у симметричного l/2 диполя. Меняется лишь входной импеданс (рис 4.1.1.).
Привожу этот график, потому что часто он даётся неверно, что служит причиной многих недоразумений. Данные рис 4.1.1 относятся к диполю с неизлучающей линией (с подавленным синфазным током).
Ход графика станет понятнее, если представить диполь как последовательное соединение двух штырей, общей длиной l/2 (вернее чуть меньше - 0,49l, диполь имеет небольшое укорочение - см. раздел 3.3) Когда оба штыря по 0,245l (симметричный диполь) импеданс каждого чисто активен и равен 37 Ом, последовательное соединение дает 73 Ома – Ra симметричного l/2 диполя.
Если же мы сместим точку питания диполя на 0,1l в сторону, это эквивалентно последовательному соединению штырей с длинами 0,345l (импеданс 100 + j400 Ом – см. рис 3.4.3 и 3.4.4) и 0,145l (импеданс 10-j400 Ом - те же графики). Импеданс диполя равен сумме 100 + j400 + 10 - j400 = 110 Ом. То есть, несмотря на комплексные импедансы плеч (потребуется хорошее устройство подавления синфазного тока линии – см. раздел 3.6) они взаимно компенсируются и входной импеданс диполя остаётся активным. Пока остаётся.
Сместим точку питания еще дальше вбок - на 0,19l. Это соответствует последовательному соединению штырей с длинами 0,435l и 0,055l. По графикам рис. 3.4.3 и 3.4.4 получаем, что штырь 0,435l имеет 500 + j1050 Ом, а штырь 0,055l имеет 1 – j1200 Ом. Импеданс диполя равен сумме 500 + j1050 + 1 – j1200 = 500 - j150 Ом. Компенсации реактивностей уже не произошло, наш диполь имеет изрядную –jXa. Физически это происходит потому, что при у длинной половины диполя индуктивная составляющая растёт медленнее, чем емкостная у очень короткой половины (см. рис 3.4.3).
При попытке дальнейшего сдвига точки питания к краю антенна теряет резонанс из-за быстро растущей ёмкостной составляющей короткого плеча. Конечно, можно увеличив размеры антенны настроить её в резонанс. Но при этом меньшее плечо диполя в любом случае будет не короче 0,06…0,07l. То есть загнать точку питания ближе чем 0,06…0,07l к краю антенны (резонансной) не получается.
Из рис. 4.1.1 следует очень важный на практике вывод – не следует располагать точку питания дипольной антенны ближе 0,06…0,07l к её краю.
Слышу возмущенные крики – а как же l/2 диполи, питаемые с конца? Разберёмся.
Графики рис. 4.1.1 построены для случая неизлучающей линии питания. И они однозначно говорят, что просто запитанный с конца l/2 диполь при неизлучающей линии и отсутствии иных проводов (скажем передатчиком на батарейках, висящим прямо на антенне) работать не будет. Оно и понятно, антенна (как любая нагрузка току проводимости: лапмочка , динамик, резистор, антенна) должна иметь две клеммы. Значит, если мы хотим, чтобы при питании диполя с конца он работал, мы должны замкнуть цепь питания. К одной клемме у нас подключен 0,5l штырь (наш диполь) с Z1= 2..4 кОм + j0 Ом (см. рис 3.4.3 и 3.4.4). Чтобы замкнуть цепь мы просто обязаны подключить ко второй клемме источника что-то с модулем Z2 < 400 Ом (т.е. менее 0,1Z1). Это «что-то» замкнёт цепь питания диполя (то есть примет на себя ток питания) и общий входной импеданс антенны Za = Z1 + Z2 будет вполне терпимым: несколько килом Ra с небольшой реактивной составляющей (которую имеет наше токоприёмное «что-то»).
Как мы помним из раздела 3.4 токоприемным устройством является противовес. Что же служит противовесом в данном случае?
Обычно l/2 диполи с конца питаются двухпроводной линией. Вот она-то и является противовесом, принимающим ток антенны (для линии это будет ток асимметрии – см. раздел 3.6). Ток на конце диполя небольшой (высокое Ra), поэтому и ток асимметрии линии будет небольшим. Но будет. Откроем файл …end feer dipole.maa. Это l/2 диполь, запитанный с конца двухпроводной линией - l/4 трансформатором (рис 4.1.2).
По распределению токов трудно сказать, одинаковы ли токи в проводах линии (то есть, имеется ли ток асимметрии линии). Поэтому посмотрим на ДН (рис 4.1.3).
С первого взгляда и тут все симметрично. Но присмотримся ДН в горизонтальной плоскости, к составляющей V (малая, горизонтальная «восьмёрка»): слева её уровень –12 dB, а справа –10 dB. Вот она наша разница, показывающая, что вертикальная (потому мы и смотрели V) линия питания немного не симметрична и излучает. А следовательно – принимает на себя ток антенны, обеспечивая нормальную работу диполя.
Важный практический вывод – в дипольной антенне, питаемой с конца, обязательно должен быть второй провод, подключенный к источнику. Этот провод играет роль токоприёмника, замыкая цепь питания антенны. Часто роль такого противовеса играет линия питания. Её ток асимметрии и является током питания антенны. Поэтому в данном случае применять устройства подавления синфазного тока линии нельзя – антенна откажется работать.
В случае l /2 диполя не обязательно, чтобы длина противовеса была бы именно резонансной - l/4. Дело в том, что на конце диполя очень высокое сопротивление (единицы килоом), и на этом уровне несколько сот ом возможной реактивности противовеса ни к каким проблемам ни приведут. Диполь даже при небольшой расстройке собственной реактивностью легко скомпенсирует даже весьма большую jX противовеса, предельно допустимое значение которой можно ориентировочно определить как –j1000 Ом (с большей jX диполю не справится). Именно эта величина и определяет минимальную длину противовеса: для тонких проводов те самые 0,06…0,07l. Но если же противовес выполнить толстым, то ту же jX можно получить при меньшей длине противовеса. Например, в файле …0.5 dipole+short radial.maa показан l/2 диполь на 7 МГц, питаемый с конца, с противовесом длиной всего 0,02l (85 см). Но противовес выполнен из толстой (60 мм диаметром) трубы, поэтому имеет –jX около 1 кОм и l/2 диполь в состоянии компенсировать такую реактивность. Но для этого ему приходится уходить довольно далеко от своего резонанса (где его Ra максимально и составляет 4..6 кОм), поэтому Ra такой антенны заметно ниже – всего около 2 кОм.
l/2 диполи, питаемые с конца (с чем-то в роли противовеса) применяются довольно широко. Обычно для согласования используют не чистый l/4 трансформатор, а более гибкое в настройке классическое шлейфовое согласование (файл …0.5 lamda dipole witn feed line.maa). Нет никаких противопоказаний, чтобы расположить питающую линию не вертикально, а горизонтально, в линию с диполем (файлы …J-ant28-horiz.maa и …0.5llamda dipole 0.25trans.maa). ДН двух последних антенн не чистые дипольные «восьмёрки», а немного скошенные, что говорит о небольшом излучении линии (см. раздел 3.6).
Иногда применяют питание диполя с конца, через согласующее устройство (файл …0.5 lamda dipole witn feed line –1.maa). Это весьма удобный в практике вариант, но надо иметь в виду, что корпус СУ должен иметь отдельный провод-противовес, в который сможет уйти ток антенны. Ток этот весьма небольшой – из-за высокого сопротивления конца диполя (см. распределение токов в последнем файле), но тем не менее противовес обязан быть. При отсутствии такого противовеса-заземления ток будет искать выхода и найдет его в виде оплётки питающего коаксиала со всеми неприятностями, описанными в разделе 3.6. При наличии отдельного провода-противовеса у корпуса СУ коаксиал питания может и должен иметь устройство подавления синфазного тока оплётки.
Из графиков рис.4.1.1 следует очень важный вывод о любых антеннах: в принципе не бывает антенн, питаемых с конца. Ток от источника должен протекать между ЧЕМ-ТО и ЧЕМ-ТО (это очевидно – всякая нагрузка для генератора должна быть двухвыводной - иначе цепь не замкнется). Применительно к антенне это означает, что с ОБОИХ сторон от источника должно быть что-то, способное принять ток – провода, земля, или хотя бы заметная ёмкость (речь-то о ВЧ токе) на них.
Практически это означает, что если вам кажется, что однопроводная антенна питается с конца (полуволновой диполь, типа тех, что рассмотрены выше, или какой-нибудь LW, о которых речь впереди, в параграфе 4.1.7), то это именно кажется. Один провод с точкой питания на его конце никогда не может быть всей антенной – это лишь её часть. Обязательно ищите вторую часть антенны - путь для ВЧ тока, вытекающего со второй клеммы генератора (не с той, которая подключена к проводу). А если не найдетё – создайте этот путь (например, отдельным противовесом).
Путь ВЧ тока со второй клеммы генератора (или линии питания) надо ясно себе представлять и не надеяться на «авось». Это ВЧ ток в любом случае найдет себе дорогу. И она может быть весьма неожиданной и неприятной – например синфазный ток линии питания, ток по шине заземления TRX (с вариантом растекания по электросети всего дома), ток по электротехническому заземлению или металлическим коммуникациям дома - водопровод, отопление (опять же - с доставкой в каждую квартиру). Это приведет к помехам, как при передаче, так и при приёме.
Поэтому, если вы собираетесь использовать «веревку», питаемую с конца, обязательно ответьте себе на вопрос – куда (и по какому пути) в вашем случае утечет ток второй клеммы? Ток этот, кстати, совсем не мал – в точности равен току, втекающему в провод антенны. Но это и понятно ток обоих клемм любого генератора всегда одинаков.