Вертикальные антенны, требующие небольшой площади для установки, очень популярны у коротковолновиков. Однако их эффективность существенным образом зависит от искусственной "земли" - противовесов. Общая рекомендация "чем их больше, тем лучше" приемлема далеко не всегда. Необходимо отметить, что применительно к противовесам есть две принципиально разные ситуации. Одна из них возникает, когда имеется возможность поднять антенну достаточно высоко и противовесы удалены от "земли" (крыши здания и т. д.). Это типично для УКВ диапазонов. Здесь число противовесов, по существу, не принципиально: от одного до трех-четырех. В первом случае (при одном вертикальном противовесе) получается просто вертикальный диполь. Во втором - противовесы устанавливают под некоторым углом к излучателю, размещая их равномерно по окружности, чтобы обеспечить круговую диаграмму направленности. Но оба варианта объединяет то, что влияние "земли" на работу противовесов несущественно.
Иное дело, если противовесы приходится располагать очень близко к "земле". Эта обычная ситуация на КВ диапазонах, когда противовесы находятся от "земли" на расстоянии существенно меньшем, чем длина волны. Недостаточное их число приведет к значительным потерям в плохо проводящей "земле" (почве, крыши здания и т. д.) и соответственно к заметному уменьшению КПД антенны.
Анализ требуемого в данном случае числа противовесов провел в свое время W2FMI (Jerry Sevick. Short Ground-Radial System for Short Verticals. - QST, 1978, April, p. 18). Из результатов анализа следуют два вывода. Во-первых, при данном числе противовесов существует предел для их длины, превышение которого уже не приводит к увеличению эффективности противовесов.
Во-вторых, при данной длине противовесов есть предел для их числа, превышение которого также не способствует к увеличению эффективности. Понятие "предел", которое фигурирует в этих выводах, достаточно размытое - коэффициент полезного действия плавно изменяется в зависимости от числа противовесов и их длины.
Развивая названные выше положения, вытекающие из работы W2FMI, G3SEK предложил (John White. In Practice. - RadCom. 1999, February, p. 45) простой практический критерий для определения длины и числа противовесов, который объединяет оба вывода W2FMI в одном соотношении. По его оценкам длина противовесов и их число должны быть такими, чтобы расстояние между концами противовесов (см. рисунок) было kл, причем значение k может лежать в пределах 0,02...0,05. Если k больше 0,05, потери будут значительными. Уменьшение k до 0,02 реально улучшает КПД антенны. Однако дальнейшее уменьшение k заметного эффекта уже не дает.
В описаниях многих антенн фигурируют "резонансные" противовесы длиной л/4, расположенные на небольшой высоте над крышей. Исходя из критерия G3SEK, можно утверждать, что такие противовесы станут эффективными, если их число будет не менее 30. Все приведенные выше соотношения справедливы для противовесов, имеющих одинаковую длину.
Соотношения, о которых идет речь в этом материале, определяют разумные границы для комбинации "число противовесов - длина противовесов". Очевидно, что при условии выполнения этих соотношений лучшей из двух систем для данной антенны будет все-таки та из них, что имеет большую длину противовесов.
Эта публикация ( "Радио", 1999, № 6) вызвала интерес читателей журнала, поскольку антенна GP пользуется неизменной популярностью у коротковолновиков. Приводим более подробную информацию о результатах, полученных W2FMI (Jerry Sevick. Short Ground-Radial System for Short Verticals. - QST, 1978, April, p. 30-33 ) при исследовании влияния числа противовесов и их длины на КПД антенны.
Речь идет о КВ антенне, установленной близко к земле (практически без мачты). В этих экспериментах почва под антенной по измерениям W2FMI была "средней", т. е. имела проводимость 15...30 мСм/м ( большие значения относятся к почве после дождя, меньшие - к сухой). "Плохой" для антенн после дождя, меньшие - к сухой). "Плохой" для антенн считается почва, которая имеет проводимость менее 5 мСм/м (каменистая, песок), а "очень хорошей" - около 100. Железобетонная крыша современного здания, к сожалению, скорее всего, относится к "плохой почве".
На рис.1 приведена полученная W2FMI зависимость входного сопротивления антенны на резонансной частоте от числа противовесов. Оно включает в себя сопротивление излучения (полезная часть) и сопротивление потерь. Расчетное значение входного сопротивления для использованного W2FMI диаметра излучателя и идеальной (без потерь) "земли" было 35 Ом.
Как видно из рис. 1, близкое к этому значение входного сопротивления достигается лишь при числе противовесов более 50. Иными словами, при малом числе противовесов заметная часть мощности передатчика не излучается антенной, а в прямом смысле уходит в "землю". Для наиболее распространенного варианта GP с тремя-четырьмя противовесами входное сопротивление будет примерно 70 Ом и, соответственно, КПД антенны около 50 %.
Из данных, приведенных на рис. 1, также вытекает, что длина противовесов не очень сильно влияет на КПД антенны.
Этот вопрос W2FMI исследовал подробно. Результаты измерений показаны на рис. 2, где приведена зависимость КПД антенны от числа противовесов для трех вариантов их длины - l/4, l/8 и l/16. Анализ этих кривых позволяет сделать несколько выводов.
Во-первых, чем длиннее противовесы, тем они, вообще говоря, эффективнее.
Во-вторых, при малом числе противовесов их длина слабо влияет на КПД, поэтому усилия и средства, затраченные на изготовление длинных противовесов, могут в этом случае не дать заметного результата.
В-третьих, в определенных условиях короткие (меньше l/4) противовесы могут обеспечивать такую же эффективность антенны, как и длинные.
Последнее поясним подробнее. Из рис. 2 видно, что одинаковые КПД обеспечивают четыре противовеса длиной l/4, пять-шесть противовесов длиной l/8 и семь противовесов длиной l/16. Более того, двадцать противовесов длиной l/16 обеспечивают такой же КПД, как и восемь противовесов длиной l/4. А конструктивные преимущества, которые дает применение коротких противовесов (особенно на низкочастотных диапазонах), очевидны.
Автор: Jerry Sevick