1. Визначення та поняття
Несиметричними (штировими) називають антени, розташовані безпосередньо біля землі (або металевого екрана) перпендикулярно (рідше похило) до її поверхні.
Якщо вважати землю ідеально провідної і враховувати дзеркальне відображення, то несиметричний вібратор можна вважати половиною еквівалентного йому симетричного вібратора (рис. 1).
Опір випромінювання несиметричного вібратора в два рази менше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки при однакових струмах перший випромінює в два рази меншу потужність (немає випромінювання в нижній півпростір) [1].
Вхідний опір несиметричного вібратора в два рази менше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки при одинаковах струмах харчування у першого напруга живлення в два рази менше (рис. 1).
Коефіцієнт спрямованого дії несиметричного вібратора в два рази більше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки за однакової потужності випромінювання перший забезпечує в два рази більшу кутову густину потужності, так як вся його потужність, що випромінюється в одне півпростір (рис. 2).
Все сказане справедливо для ідеального несиметричного вібратора, тобто коли земля являє собою ідеальний провідник. Якщо ж земля має поганими провідними властивостями, поле випромінювання вібратора змінюється. Крім того, це призводить до зменшення амплітуди струму у вібраторі і, отже, до підвищення його опору і зменшенню випромінюваної потужності. Грунт є діелектриком з великою діелектричною проникністю (що дорівнює майже 80), що призводить до зміни електричної довжини уявного диполя, а також довжини шляху струмів зміщення. Результат - повне перекручування діаграми спрямованості (підняття пелюсток вгору і зникнення випромінювання під малими кутами до горизонту) і збільшення опору штиря.
З цієї причини практично не використовують грунт як "землі", а використовують штучну землю.
2. Земля штирьовий антени
Теоретичні розрахунки показують, що найбільші втрати мають місце в зоні з радіусом 0,35 довжини хвилі, тому в цій зоні бажано провести "металізацію" землі: з'єднати радіальні дроти між собою перемичками (рис. 3). Дуже добре, якщо ця металізація буде проведена на всьому відстані противаг.
Рис. 3
Противаги треба ізолювати від землі. Якщо вони будуть лежати на землі, то від вологи їх електрична довжина не буде резонансною антеною. Так само повинні бути ізольовані від землі і їх кінці. Тільки в одному випадку не можна ізолювати кінці противаг від землі: якщо вони надійно з'єднані кільцем-перемичкою (рис. 3).
Ніколи не слід забувати про те, що ідеальна штирьова антена має ККД 47%, а ККД антени з 3 противагами - менше 5%. Отже, працюючи з штирьовій антеною з трьома противагами, з ваших 200 ватт, які підводяться до штиря, 180 ватт (!!!) марно губляться, попутно створюючи TVI. Багато процеси в іоносфері нелинейны, тобто відбиття радіохвиль починається, скажімо, при потужності, що підводиться до антени в 7 ватт, і вже повністю не відбувається при 5 ватах. Значить, ви втрачаєте унікальні можливості DX QSO, заощадивши на проводі для противаг.
Слід ще врахувати перекручування діаграми спрямованості при малій кількості противаг. З кулястої вона стає пелюсткової, що має напрямок уздовж противаг. Задача про знаходження оптимального кількості противаг була вирішена мною з допомогою ЕОМ. Рішення представлене на рис. 4. З нього видно, що мінімально необхідне число противаг дорівнює 12. При більшій їх кількості ККД зростає повільно. Противаги повинні бути розташовані на однаковій відстані відносно один одного.
Рис. 4
Кут їх розташування відносно штиря повинен бути від 90° до 1350. При великих і менших кутах падає ККД і д. н. спотворюється. Противаги повинні бути довжиною не менше основного штиря. Це можна пояснити тим, що протікають між штирем і противагами струми зміщення займають певний об'єм простору, який бере участь у формуванні діаграми спрямованості. Зменшуючи довжину противаг, а, отже, зменшуючи обсяг простору, службовець формування д. н., ми суттєво погіршуємо характеристики антени. З великим наближенням можна сказати, що кожній точці на штирі відповідає своя точка на противазі. Однак немає необхідності використовувати противаги довше ніж основний штир.
Противаги і сам штир повинні бути покриті захисною фарбою. Це необхідно для того, щоб матеріал, з якого виконана антена, не окислявся. Окислення вібраторів приводить в непридатність антену з-за того, що тонка плівка оксиду має значний опір, а так як на ВЧ сильно виражений поверхневий ефект, то енергія передавача поглинається і розсіюється в тепло цією плівкою.
Вкрай бажано використовувати для цього радиокраску (ту, якою фарбують локатори). Звичайна фарба містить частинки барвника, що поглинають енергію ВЧ. Але, в крайньому випадку, можна використати і звичайну фарбу.
3. Розміри вібраторів штирьовий антени
Як відомо, опір випромінювання антени Ризл пропорційно відношенню L/d, де L - довжина і d - діаметр антени. Чим менше відношення L/d, тим широкополоснее антена і більше ККД.
Слід врахувати, що при використанні товстих вібраторів позначається "торцевій ефект". Він обумовлюється ємністю між торцями вібратора і землею. Фізично це виражається в тому, що антена виходить "довший" розрахункової. Для його зменшення зазвичай широкосмугові штирі мають конусоподібну форму. Розрахунки показують, що мінімально необхідна товщина противаг повинна становити
d=D/2,4 n, де
d - діаметр противаг, D - діаметр штиря, n - кількість противаг.
Часто радіоаматори не можуть встановити четвертьволновый штир і використовують штир, має менші розміри. В принципі можна узгодити штир будь-якої довжини з допомогою узгоджуючих пристроїв. Однак короткі штирі мають мале активне і велике реактивне опір [3] і будуть узгоджені вельми неоптимально (на самих узгоджувальних пристроях може розсіятися до 90% енергії). А якщо ще при цьому використовуються і сурогатні короткі противаги, то ефективність такої антеною системи буде дуже низька. Проте в засобах рухомого зв'язку часто такі сурогатні антени застосовуються. Але це тільки тому, що інші види вкорочених антен будуть працювати ще гірше!
4. Діаграми спрямованості штирьових антен
Багатьох цікавить, як впливає висота підйому штиря на його діаграму спрямованості в горизонтальній площині і залежить його опір від висоти підвісу. Найважливіший результат [4] полягає в тому, що розподіл струмів у штирі не залежить від висоти його підвісу при наявності ідеальною "землі". Практично це означає, що якою б висоті штир знаходився, його опір буде постійним. Загальний результат рішення показує, що якщо штир настроєний у резонанс, то його нижній кінець можна заземлити. При цьому його можна живити в будь-якій точці.
На результати цього важливого висновку і створені штирьові антени (прапор-антени, щогла-антени), нижній кінець яких з'єднаний з "землею" і які харчуються через гамма-узгодження.
Діаграми спрямувань вертикальній площині полуволнового штиря наведено на рис. 5. З цього рисунка видно, що чим вище піднімається антена, тим положе кут випромінювання до горизонту. Це пояснюється тим, що відбувається додавання випромінювань штирем хвилі і хвилі, відбитої від землі. Якщо грунт має поганими провідними властивостями, діаграма спрямованості буде близька до діаграми спрямованості штиря над землею. Піднімати антену на висоту більше довжини хвилі не має сенсу, оскільки при цьому не відбувається зменшення кута випромінювання, а тільки починають дробитися верхні бічні пелюстки.
Рис. 5
Слід запам'ятати ще одну цікаву особливість штирів, висота яких дорівнює довжині хвилі і більше. Такі антени в професійній зв'язку використовуються як антифединговые [5]. Це означає, що така антена буде приймати без проблем сигнал, що приходить з завмираннями на четвертьволновый штир або диполь.
5. Узгодження штирьових антен
Для успішної роботи штирьова антена повинна бути узгоджена. Незважаючи на всі позірна різноманіття узгоджувальних пристроїв і штирів, їх можна розбити на 3 групи.
1. Штир узгоджений, електрична довжина дорівнює чверті довжини хвилі;
2. Штир з електричною завдовжки більше необхідної, цю довжину "прибирають" з допомогою ємності;
3. Штир довжиною менше чверті довжини хвилі. Потрібну довжину "додають" котушкою індуктивності.
Необхідно пам'ятати, що конденсатор і котушка повинні мати максимально можливу добротність, а також бажано, щоб ТКЕ і ДЕСЯТКИ були як можна краще. Зазвичай ємність укорачивающего конденсатора може бути в межах 100 пФ на 28 - 18 МГц, параметри подовжує котушки - одиниці мкГн до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц.
На закінчення слід зазначити, що подібна практика узгодження застосовна до штирів довжиною, кратною чверті довжини хвилі.
6. Типи штирьових антен
Несиметричний вібратор з екраном кінцевих розмірів (рис. 3). Цю антену та застосовують в основному радіоаматори. В якості екрану зазвичай застосовують противаги завдовжки не менше чверті довжини хвилі.
Несиметричний петлевий вібратор (рис. 6). Його д. н. збігається з д. н. класичного штиря. Однак він володіє перевагою, выражающемся в тому, що один його кінець заземлений. Підбором товщини dl і d2 можна змінювати його вхідний опір у великих межах. При d1=d2 опір вібратора буде дорівнює 146 Ом.
Рис. 6
Опір несиметричного вібратора, що має різні товщини, розраховується за формулою /1 /: Ra=(1+n2).36n, де n=ln(d/d1)/ln(d/d2).
Широкодіапазонні вібратори, виготовляються з товстих труб, штирів, пластин. Можуть бути як конічними, так і ромбічними, циліндричними, суцільними та сітчастими (рис. 7). Перекриття діапазону робочих частот залежить від відношення I/O. Чим воно менше, тим широкополосиее вібратор. Всім добре відома антена UW4HW є широкосмуговим несиметричним вібратором, а вертикальний випромінювач UA1DZ - широкосмуговим симетричним вібратором
.
Рис. 7
Конічні антени - приватний випадок широкосмугових вібраторів (рис. 8).
Рис. 8
Поле випромінювання створюється струмами, обтікаючими конус, а диск грає роль екрану і майже не випромінює. При куті розкриву 600 досягається найбільший коефіцієнт перекриття діапазону, дорівнює п'яти, при КБВ > 0,5 в фідері з хвильовим опором 50 Ом. При цьому максимальна довжина хвилі дорівнює 3,6 . Діаграма спрямованості дискоконусной антени KB і УКВ приблизно така ж, як і звичайного штиря. На KB застосовують дротяний варіант конусної антени (рис. 8б), в якій замість конуса використовується плоский дротяний віяло, а замість диска - система заземлення з радіальних проводів.
Окремо хочу звернути увагу на антени-щогли. Особливістю таких антен є те, що нижній кінець їх заземлений.
Рис. 9
Антена верхнього живлення (рис. 9) збуджується за допомогою фідера, прокладеного всередині щогли. Це принципово. Д. н. його така ж, як і у звичайного штиря, але втрати при випромінюванні і прийомі більше, так як радіохвиля відбивається від землі при випромінюванні.
Антена середнього живлення (рис. 10) представляє собою щоглу з двох частин, возбуждаемую послідовно в точках 1 і 2 напругою, що подається за допомогою фідера, прокладеного всередині нижньої частини. Опір антени в точках живлення Ra=Rb/cos2kll, де до - коефіцієнт укорочення, Rb - опір "чистого" вібратора в крапці 3. Підбираючи співвідношення між 11 і 12, можна погодити антену з фідером харчування. Принципове значення має те, що фідер повинен проходити всередині нижньої частини антени. Недолік - труднощі з ізолятором для верхньої її частини.
Рис. 10-11
Антена шунтового живлення (рис. 11) порушується паралельно за допомогою шунта, що приєднується до щогли на деякій висоті 11. Зазвичай вхідні реактивні опору нижньої і верхньої частин антени мають індуктивний та відповідно ємнісний характер, і по вхідному опору в точці 1 антена еквівалентна паралельного контуру. Підбором величини 11 забезпечується найкраще узгодження з фідером харчування. Розподіл струмів таке, що частково послаблює випромінювання антени, тому шунт слід робити мінімальних розмірів. Класична реалізація шунтового харчування - гамма-узгодження.
Часто, особливо при побудові антен для низькочастотних діапазонів, немає можливості розташувати вібратор вертикально відносно землі. При розташуванні штиря похило щодо землі діаграма спрямованості, звичайно, спотвориться.
Слід розташовувати по можливості більше противаг під тією частиною антени, яка нахилена. Треба, також, по можливості, піднімати противаги так, щоб вони утворювали з антеною кут не більше 135°. Слід пам'ятати, що така антена більш важка в узгодженні з-за наявності значної реактивної складової.
Література
Автор: І. Григоров (UZ3ZK); Публікація: www.cxem.net