Не секрет, что для многих радиолюбителей теория антенн немного сродни религии — крепко-накрепко запоминаются и неукоснительно соблюдаются при изготовлении антенн многие утверждения, не имеющие под собой веских оснований, но исправно кочующие из книги в книгу, от одного автора к другому.

Например, многие коротковолновики уверены, что вертикальная антенна может эффективно излучать только при наличии обширной системы заземления. А может ли обеспечить высокую эффективность четвертьволновый вертикал с малым числом очень коротких радиалов?

Рис.1. Диаграмма направленности полуволнового диполя в свободном пространстве.

Результаты исследований [1] показывают, что для создания хорошей антенны вовсе не обязательно зарывать в землю километры провода. Однако разговор о влиянии противовесов на эффективность работы вертикалов лучше начать... с короткого экскурса в историю.

Концепция использования земли как части антенной системы возникла еще на заре развития радиосвязи, когда первопроходцы (Попов и Маркони) проводили эксперименты на очень длинных волнах.

Тем не менее, эти эксперименты сформировали основу традиций конструирования антенн, поэтому оказалось вполне естественным, что эти традиции влияли на умы конструкторов антенн при освоении КВ-диапазонов.

Так, не было полностью осознано, что при переходе к более коротким волнам все менее эффективным и удобным, оказывается использовать землю в качестве одной из составляющих антенной системы.

По-видимому, если бы радио начало развиваться с диполеобразных антенн Герца, который экспериментировал с искровым оборудованием на очень коротких волнах, то вполне возможно, что концепция использования земли как части настроенной антенны вообще никогда бы не возникла.

Рис.2. Диаграмма направленности Ground Plane в свободном пространстве.

В 20-е годы XX века ряд радиолюбителей оценил достоинства антенных систем, непосредственно не связанных с землей, что, фактически, стало началом "эры противовесов".

Jack Patridge, 2KF, был первым британским радиолюбителем, который установил QSO с США на волне 200 м, используя Г-образную антенну с натянутым примерно в 2 м над землей проволочным противовесом.

Противовес в виде одиночного проводника оставался популярным и в 30-е годы, вплоть до появления систем из большого числа закопанных радиалов.

Своим рождением новые системы во многом обязаны классическим работам Джорджа Брауна, изобретателя многих антенн, среди которых и знаменитая Ground Plane. Тем не менее, и он не избежал заблуждений, утверждая, например, что прототип его Ground Plane состоит из двух четвертьволновых радиалов.

Как технический казус можно воспринимать требование Министерства торговли использовать в коммерческих антеннах Ground Plane четыре радиана (для придания им "более симметричной формы"), но это требование на долгие годы определило конструкцию таких антенн.

Рис.3. Диаграмма направленности Ground Plane с укороченными радиалами и удлинительной индуктивностью в свободном пространстве.

Итак, зачем вертикальной антенне система заземления? Чтобы последовательно приблизиться к ответу на этот вопрос, рассмотрим вертикальный полуволновый диполь, расположенный в свободном пространстве или, по крайней мере, удаленный от земли до такой степени, чтобы она не оказывала своего влияния (рис.1).

Сопротивление излучения в середине диполя окажется равным 78 Ом, а диаграмма направленности — классической "восьмеркой".

Следующим шагом LMMLI замена нижнего четвертьволнового проводника вертикального диполя двумя одинаковыми радиалами (рис.2) длина которых составляет точно четверть рабочей длины волны.

В этом случае протекающий через вертикальный элемент ток I₁ будет равен сумме одинаковых токов I₂ в каждом из радиалов I₁ = 2 · I₂. В силу того, что токи в радиалах равны, но текут в противоположных направлениях, излучение радиалов нейтрализуется, поэтому излучает только вертикальный элемент.

При этом диаграмма направленности антенны не изменяется, и принимая сигнал, излучаемый такой антенной, невозможно сделать определенный вывод, какая антенна используется — вертикальный диполь или Ground Plane.

Рис.4. Диаграмма направленности Ground Plane с укороченными радиолами и удлинительном индуктивностью над идеальной землей.

Поскольку в рассматриваемой антенне Ground Plane длина излучающего элемента составляет только половину длины полуволнового диполя, то сопротивление излучения должно быть в четыре раза меньше, чем у диполя, и не должно зависеть от параметров радиалов — ведь они не излучают!

Следовательно, сопротивление излучения антенны Ground Plane составляет 20 Ом, а вовсе не 35 Ом, как утверждается во многих книгах по антеннам.

Тот факт, что создаваемые радиалами поля взаимно нейтрализуются во всех направлениях, позволяет сделать два важных вывода:

• Во-первых, радиалы никоим образом не играют роль отражающей поверхности;
• Во-вторых, они не оказывают влияния на угол излучения главного лепестка диаграммы направленности антенны.

На практике основная проблема использования четвертьволновых радиалов связана с конечной точностью их изготовления, и как следствие этого, невозможностью поддержания в них полного равенства токов.

А если пространство для размещения антенны ограничено, и установка четвертьволновых радиалов вообще невозможна, то чем их можно заменить?

 Рис.5. Зависимость импеданса у основания четвертьволнового вертикала от высоты установки.

Выше было отмечено, что радиалы не излучают при равенстве протекающих в них токов. Следовательно, не излучающие радиалы могут быть укорочены до любой желаемой длины без влияния на сопротивление излучения. Однако при их укорочении необходимо сохранить резонансную настройку системы.

Это может быть сделано подключением удлинительной индуктивности по центру радиалов (рис.3). Эффективность системы будет оставаться высокой до тех пор, пока потери в удлинительной катушке индуктивности будут оставаться малыми относительно сопротивления излучения (20 Ом).

Перенесем антенну из свободного пространства непосредственно к земной поверхности (рис.4). Фактически антенна превращается из диполя в монополь, и ее сопротивление излучения при размещении над идеальной землей возрастает до 35 Ом.

Это определяется суммарным импедансом антенны и ее зеркального отражения в земной поверхности. Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости также изменяется и представляет собой "половину" диаграммы для диполя. Кроме того, для такой антенны характерны потери, обусловленные тонами, текущими в неидеальной земле.

Если рассматривать эту антенну и ее отражение в виде коллинеарной пары, можно оценить изменение ее сопротивления излучения в зависимости от высоты установки над землей. Результаты расчета, проведенного VK2BBF. приведены на рис.5.

Рис.6. Влияние характеристик почвы на формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Система радиалов не излучает, пока протекающие по ним токи равны и противоположно направлены. Отсутствие излучения означает, что в земле не возникают индуцированные радиалами токи и, следовательно, отсутствуют потери. Именно в силу этого одиночный радиал неэффективен, т.к. он излучает и индуцирует в земле ток, приводящий к потерям.

И если кто-то и использует вертикал с обширной системой радиалов, то, как минимум, желательно проверить равенство токов, протекающих в каждом из них. Кроме того, обширная система, состоящая, например, из 120 радиалов, не является обязательной для компенсации "потерянной" половины диполя.

Разумеется, характер почвы под монополем заметно влияет на диаграмму направленности антенны. Такие характеристики почвы как удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость во многом определяют параметры антенны, и их влияние сказывается на расстояниях до десятков длин волн от места установки антенны.

Рис.6 хорошо иллюстрирует влияние электропроводности почвы на формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

• одна из диаграмм соответствует случаю расположения антенны на идеальной земле,
• другая — на типичной почве.

Рис.7. Компактная система радиалов.

Видно, что в реальных условиях мощность идущего под малыми углами излучения падает, и усиление" антенны становится меньше.

В большинстве случаев лучше конструировать двух и многоэлементные системы из вертикальных антенн, что обойдется гораздо дешевле эквивалентной по параметрам горизонтальной антенны. Даже при расположении над идеальной землей вертикал будет обладать усилением 6 дБ относительно теоретического вертикала, размещенного в свободном пространстве.

Если сфазировать два вертикала, то можно получить усиление 5,3 дБ независимо от электропроводности почвы. Радиалы можно укорачивать до любой желаемой длины при соответствующем увеличении индуктивности удлинительной катушки, при условии, что ее сопротивление потерь остается малым относительно 20 Ом.

Для практического применения рекомендуется выбирать длины радиалов в пределах от 1/12 до 1/8l . Оставлять более длинные не имеет смысла, а при дальнейшем укорочении существенно уменьшается широкополосность антенны.

Рис.8. Система радиалов с линейным удлинительным элементом.

Простейший вариант системы радиалов — это один горизонтальный провод (или труба) длиной от 1/12 до 1/8l, хорошо изолированный, расположенный вдали от окружающих предметов и настроенный в резонанс с помощью удлинительной катушки индуктивности.

Если пространство для установки антенны весьма ограничено, то система радиалов может быть сложена (рис.7) для формирования очень компактной структуры. Для работы с вертикалами диапазонов 160 и 80 м достаточно установить радиалы на высоте 1 м (желательно помнить о технике безопасности и ограничить к ним доступ).

Если удлинительная катушка оказывается слишком большой и тяжелой, то в качестве альтернативы ей можно использовать "линейный удлинитель" (рис.8). В этом варианте требуемая индуктивность достигается подбором длины монтируемого на изоляторах провода.

Очень важно, чтобы собранная антенная система была настроена в резонанс. Точная настройка осуществляется тщательной регулировкой индуктивности удлинительной катушки или длины линейного удлинительного элемента с использованием гетеродинного индикатора резонанса (ГИР), антенного анализатора или КСВ-метра.

Phil Harman (VK6APH)

Литература:

1. Phil Harman, VK6APH. What on Earth? — CQ, January 2002.

Материал подготовил М. Сидоренко.