Штыревые антенны

1. Определение и понятия.

Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.

Если считать землю идеально проводящей и учитывать зеркальное отображение, то несимметричный вибратор можно считать половиной эквивалентного ему симметричного вибратора (рис. 1).

Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) [1].

Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковах токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис. 1).

Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при однаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис.2).

Все сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат — полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.

По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.

2. Земля штыревой антенны

Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35 длины волны, поэтому в этой зоне желательно провести "металлизацию" земли: соединить радиальные провода между собой перемычками (рис.3). Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всем расстоянии противовесов.

Противовесы следует изолировать от земли. Если они будут лежать на земле, то от влаги их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Так же должны быть изолированы от земли и их концы. Только в одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли: если они надежно соединены кольцом-перемычкой (рис.3).

Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47%, а КПД антенны с 3 противовесами — менее 5%. Значит, работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из ваших 200 ватт, подводимых к штырю, 180 ватт (!!!) напрасно теряются, попутно создавая TVI. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, скажем, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 ватт, и уже полностью не происходит при 5 ваттах. Значит, вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов.

Следует еще учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов. Из шарообразной она становится лепестковой, имеющей направление вдоль противовесов. Задача о нахождении оптимального количества противовесов была решена мною с помощью ЭВМ. Решение представлено на рис.4. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растет медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друге.

Угол их расположения относительно штыря должен быть от 90° до 1350. При больших и меньших углах падает КПД и д.н. искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это'можно объяснить тем, что протекающие между штырем и противовесами токи смещения занимают определенный объем пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшая длину противовесов, а, следовательно, уменьшая объем пространства, служащий формированию д.н., мы существенно ухудшаем характеристики антенны. С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя точка на противовесе. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее чем основной штырь.

Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибраторов приводит в негодность антенну из-за того, что тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается и рассеивается в тепло этой пленкой.

Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы). Обычная краска содержит частички красителя, поглощающие ВЧ энергию. Но, в крайнем случае, можно использовать и обычную краску.

3. Размеры вибраторов штыревой антенны

Как известно, сопротивление излучения антенны Ризл пропорционально отношению L/d, где L — длина и d — диаметр антенны. Чем меньше отношение L/d, тем широкополоснее антенна и больше КПД.

Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается "торцевой эффект". Он обуславливается емкостью между торцами вибратора и землей. Физически это выражается в том, что антенна получается "длиннее" расчетной. Для его уменьшения обычно широкополосные штыри имеют конусообразную форму. Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов должна составлять

d=D/2,4n, где

d — диаметр противовесов, D — диаметр штыря, n — количество противовесов.

Часто радиолюбители не могут установить четвертьволновый штырь и используют штырь, имеющий меньшие размеры. В принципе можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств. Однако короткие штыри имеют малое активное и большое реактивное сопротивление [3] и будут согласованы весьма неоптимально (на самих согласующих устройствах может рассеяться до 90% энергии). А если еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные антенны применяются. Но это только потому, что другие виды укороченных антенн будут работать еще хуже!

4. Диаграммы направленности штыревых антенн

Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. Важнейший результат [4] заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты его подвеса при наличии идеальной "земли". Практически это означает, что на какой бы высоте штырь ни находился, его сопротивление будет постоянным. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.

На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачта-антенны), нижний конец которых соединен с "землей" и которые питаются через гамма-согласование.

Диаграммы направленностей вертикальной плоскости полуволнового штыря приведены на рис.5. Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем положе угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей. Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, т.к. при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки.

Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна длине волны и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые [5]. Это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на четвертьволновый штырь или диполь.

5. Согласование штыревых антенн

Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей, их можно разбить на 3 группы.

1. Штырь согласованный, электрическая длина равна четверти длины волны;

2. Штырь с электрической длиной больше требуемой, эту длину "убирают" с помощью емкости;

3. Штырь длиной меньше четверти длины волны. Недостающую длину ''добавляют" катушкой индуктивности.

Необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пф на 28 — 18 МГц, параметры удлиняющей катушки — единицы мкГн до 21 МГц, десятки — до 3,5 МГц.

В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима к штырям длиной, кратной четверти длины волны.

6. Типы штыревых антенн

Несимметричный вибратор с экраном конечных размеров (рис.3). Эту антенну и'применяют в основном радиолюбители. В качестве экрана обычно применяют противовесы длиной не менее четверти длины волны.

Несимметричный петлевой вибратор (рис.6). Его д.н. совпадает с д.н. классического штыря. Однако он обладает преимуществом, выражающемся в том, что один его конец заземлен. Подбором толщины dl и d2 можно изменять его входное сопротивление в больших пределах. При d1=d2 сопротивление вибратора будет равно 146 Ом.

Сопротивление несимметричного вибратора, имеющего разные толщины, рассчитывается по формуле /1 /: Ra=(1+n2).36n, где n=ln(d/d1)/ln(d/d2).

Широкодиапазонные вибраторы, изготавливаются из толстых труб, штырей, пластин. Могут быть как коническими, так и ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми (рис.7). Перекрытие диапазона рабочих частот зависит от отношения I/O. Чем оно меньше, тем широкополосиее вибратор. Всем хорошо известная антенна UW4HW является широкополосным несимметричным вибратором, а вертикальный излучатель UA1DZ — широкополосным симметричным вибратором

Конические антенны — частный случай широкополосных вибраторов (рис.8).

Поле излучения создается токами, обтекающими конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле раскрыва 600 достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазона, равный пяти, при КБВ > 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6 . Диаграмма направленности дискоконусной антенны KB и УКВ примерно такая же, как и обыкновенного штыря. На KB применяют проволочный вариант конусной антенны (рис.8б), в которой вместо конуса используется плоский проволочный веер, а вместо диска — система заземления из радиальных проводов.

Отдельно хочу обратить внимание на антенны-мачты. Особенно-стью таких антенн является то, что нижний их конец заземлен.

Антенна верхнего питания (рис.9) возбуждается с помощью фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально. Д.н. его такая же, как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше, так как радиоволна отражается от земли при излучении.

Антенна среднего питания (рис.10) представляет собой мачту из двух частей, возбуждаемую последовательно в точках 1 и 2 напряжением, которое подается с помощью фидера, проложенного внутри нижней части. Сопротивление антенны в точках питания Ra=Rb/cos2kll, где к — коэффициент укорочения, Rb — сопротивление "чистого" вибратора в точке 3. Подбирая соотношение между 11 и 12, можно согласовать антенну с фидером питания. Принципиальное значение имеет то, что фидер должен проходить внутри нижней части антенны. Недостаток — трудности с изолятором для верхней ее части.

Антенна шунтового питания (рис.11) возбуждается параллельно при помощи шунта, подсоединяемого к мачте на некоторой высоте 11. Обычно входные реактивные сопротивления нижней и верхней частей антенны имеют индуктивный и соответственно емкостной характер, и по входному сопротивлению в точке 1 антенна эквивалентна параллельному контуру. Подбором величины 11 обеспечивается наилучшее согласование с фидером питания. Распределение токов таково, что частично ослабляет излучение антенны, поэтому шунт следует делать минимальных размеров. Классическая реализация шунтового питания — гамма-согласование.

Часто, особенно при построении антенн для низкочастотных диапазонов, нет возможности расположить вибратор вертикально относительно земли. При расположении штыря наклонно относительно земли диаграмма направленности, конечно, исказится.

Следует располагать по возможности больше противовесов под той частью антенны, которая наклонена. Надо, также по возможности, поднимать противовесы так, чтобы они образовывали с антенной угол не более 135°. Следует помнить, что такая антенна более тяжела в согласовании из-за наличия значительной реактивной составляющей.

Литература:
1. Н.Т.Бова, Г.Б.Резинков. Антенны и устройства СВЧ; Киев, Высшая школа, 1982.
2. Н.Н.Федоров. Основы электродинамики; М., Высшая школа, 1980.
3. З.Беньковский, Э.Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн; М.,Радио и связь, 1983.
4. Г.З.Айзенберг. Коротковолновые антенны; М., Радио и связь 1985.
5. Г.Б.Белоцерковский. Основы радиотехники и антенн; М., Радио и связь, 1983.