Правильне висловлювання може бути помилковим. Це не каламбур, а констатація факту. Вирване з контексту правильне висловлювання може ввести в оману, якщо, наприклад, не названі обмеження, при яких воно справедливо. Щось подібне, на думку автора цієї статті, сталося з характеристиками популярної антени 6λ/8.

У коротковолновиков і ультракоротковолновиков, а також серед власників Сі-Бі радіостанцій користується популярністю вертикальна антена довжиною 5λ/8. З радіоаматорський літератури та реклами добре відомо, що вертикальний випромінювач довжиною 5λ/8 дає максимально притиснутий до землі пелюстка діаграми спрямованості у вертикальній площині (у горизонтальній кругова діаграма) і тому володіє максимальним КНД. Найпростіший варіант антени зображено на рис. 1,а. Довжина випромінювача 5λ/8 не резонансна, тому її доводять до Зλ/4 введенням в полотно випромінювача індуктивного елемента: котушки L або відрізка замкнутою лінії з електричною довжиною λ/8.

"Зворотний" струм з обплетення кабелю розтікається по четвертьволновым противовесам. Вони не беруть участь у випромінюванні, оскільки струми в них спрямовані в протилежні сторони. Відгинати противаги вниз не можна, так як в цьому випадку електрична довжина антени збільшиться через вертикальної складової струму противаг, що згубно позначиться на діаграмі спрямованості. Часто нижній по малюнку висновок котушки індуктивності з'єднують з противагами. В цю ж точку підключають оплітку, а центральний провідник кабелю - до відведення котушки. В діапазоні 27 МГц противаги часто роблять коротше λ/4, відповідно збільшуючи індуктивність для налаштування антени в резонанс.

Розподіл струму в антені показано на рис. 1,б. Воно з хорошою точністю може вважатися синусоїдальним. Діаграма спрямованості (рис. 1,в) має "нуль" під кутом до горизонту і непотрібний побічний пелюстка під ще більшим кутом. Цей пелюстка - плата за притиснутий до горизонту головний пелюстка і згаданий максимальний КНД. Ось, мабуть, коротко і все. що було відомо авторові (так само, як і іншим радіоаматорам) про цю антени, і... спричиняло деяке здивування.

Про антені П'ять восьмих лямбда

Не давав спокою нижній ділянку випромінювача, де струм направлений в протилежну сторону по відношенню до струму у верхній, півхвильовий частини. Адже відомо, що діаграма спрямованості формується наступним чином: поля від кожного малого відрізка випромінювача підсумовуються в будь-якому напрямку з урахуванням їх амплітуд і фаз. В напрямку на горизонт довжини шляхів розповсюдження хвиль від всіх відрізків однакові і додаткового набігу фази немає. Поля від ділянок верхньої, півхвильовий частини антени синфазны і складаються по амплітуді, а поля від нижній частині (де напрямок струму протилежний) противофазны і... віднімаються!

З цих міркувань виходило, що більш короткий - напівхвильовий вертикальний випромінювач повинен працювати краще, ніж вібратор довжиною 5λ/8. А якщо напрям струму в нижній ділянці випромінювача довжиною 5λ/8 якимось чином змінити на протилежне, то він буде більш ефективним. Для доказу цього висновку можна було розрахувати КНД теоретично, або поставити відповідний експеримент. Але підозрюючи, що це все давним-давно зроблено, автор віддав вивчити старі літературні джерела. І що ж виявилося?

Вперше вертикальна антена-щогла довжиною 5λ/8 була описана С. Баллантайном ще у 1924 р. [1]. Вона розроблялася як середньохвильова радіомовна антифединговая антена. Додатковою перевагою цієї антени, негайно стала вельми популярною, виявилося те, що вона дійсно створює в напрямку на горизонт максимальну напруженість поля, але лише у класі антен з природним (синусоїдальним) розподілом струму вздовж вібратора, розташованого безпосередньо над ідеально провідним поверхнею.

Першу частину твердження багато хто пам'ятає добре, а про другу частина автори статей у радіоаматорський літературі, мабуть, трошки підзабули. У професійній же повідомляється [2]: "If special means are taken to prevent a reversal of currents below the upper half wavelength of the radiator, further horizontal gain can be obtained...". Іншими словами, якщо реверсувати напрямок струму в нижній частині антени, вийде додатковий виграш в випромінюванні на горизонт. При цьому можливо і далі нарощувати довжину антени з метою збільшення виграшу. Нагадаємо, що у класичній антени довжиною 5λ/8 збільшувати довжину вже не можна, так як різко збільшується побічний пелюстка діаграми і зменшується головний.

Реверсировав струм в нижній частині антени, доцільно збільшити її довжину ще на λ/8, щоб позбутися від согласующей котушки. В результаті вийде добре відома синфазного коллинеарная антена, запропонована ще в 1911 р. інженером фірми "Марконі" Франкліном. Антена Франкліна являє собою вертикальний провід, розбитий на відрізки по полволны, між якими включені котушки (рис. 2,а) або чвертьхвильові лінії (рис. 2,6). У цих елементах і "заховані" зворотні півхвилі струму. Струми ж у випромінювальних відрізках виявляються синфазними (рис. 2,в), що звужує діаграму і значно зменшує побічний пелюстка (рис. 2,г). Смуга пропускання такої антени - кілька відсотків.

Динаміка зміни діаграми спрямованості при збільшенні висоти антени і числа "поверхів" (за Франкліну) ілюструється рис. 3, запозиченим з (2).

Діаграми наведені знову-таки для випадку ідеально провідної землі. Віднести ж грунт під антеною до провідників або діелектриків можна, обчисливши тангенс кута втрат (відношення струмів провідності до струмів зміщення): tgδ = jnp/јсм = δ/ωεε0. У провідників він багато більше одиниці, а у діелектриків багато менше. Тангенс кута втрат залежить від частоти. Одна і та ж грунт буде близька до провідника при роботи на середніх хвилях, а на високочастотних КВ діапазонах і на УКХ (нас цікавить діапазон частот!) виявиться діелектриком. А це змінить фазу відбиття від землі на зворотний, і в напрямку на горизонт виявиться вже не максимум діаграми спрямованості, а мінімум. Головний пелюсток діаграми спрямованості в цьому випадку відривається від поверхні і спрямовується під деяким кутом до неї (тим меншим, чим вище над землею встановлена антена).

Іншими словами, при роботі над проводить землею антена 5λ/8 дійсно перевершує напівхвильовий диполь. Пояснити це можна звуженням діаграми спрямованості з-за того, що основна випромінює частина знаходиться вище над поверхнею, що і компенсує зменшення поля через випромінювання нижній частині. Якщо ж антена 5λ/8 розташована у відкритому просторі, то такої компенсації не станеться, зникає її перевага перед полуволновым диполем. Сказане в меншою мірою відноситься до багатоповерхових антенних систем, складеним з УКХ антен завдовжки по 5λ/8. Рознесення на більшу відстань основних, півхвильових випромінюючих відрізків, також як у випадку проводить землі, звужує діаграму і компенсує програш від випромінювання ділянок із зворотним струмом. Але і в цьому випадку виняток "зворотних" ділянок має дати виграш.

Не відомо, чи були суперечки між Баллантайном і Франкліном про достоїнства своїх антен. Швидше за все, немає. оскільки антени створювалися для абсолютно різних цілей. А ось серед радіоаматорів такі спори виникають неодноразово. Сподіваюся, що наведені в статті аргументи допоможуть у цих суперечках прихильників синфазних антен. А практичний висновок, до якого дійшов автор цих рядків, наступний. Якщо ви вирішили виготовити вертикальну ненаправленої антени і маєте при цьому можливість зробити її висотою більше λ/2, але менше λ, то найбільший позитивний ефект одержите не з антеною "п'ять восьмих лямбда", а з антеною Франкліна (див. рис 2).

Література

  • Ballantine S. On the optimum transmitting wave length for a vertical antenna over perfect Earth - Proc. IRE. 1924. December, p. 833.
  • Radio Engineering Handbook. Fifth ed McGraw-Hill. 1959. p. 20-24.
  • Автор: Ст. Поляків (RA3AAE)

    Add comment

    Навігація

    Інструкції з експлуатації

    Copyright © 2019 Електричні принципові схеми.