1. Вводная часть

1.1 Первоначальная отработка проводилась поэтапно на макете в масштабе 1:10 на частотах от 35 до 510 МГц, соответственно длины и диаметры проводников, а также индуктивность катушек были в 10 раз меньше, чем у реального прототипа. Отработка заключалась в поисках конфигурации (взаимное положение и длины проводников, способы и схемы согласования и т.п.), при которых антенна обеспечивала бы хорошее согласование в достаточной полосе частот на всех любительских диапазонах ( кроме самых низкочастотных) без каких-либо переключений. При работе использовались КСВ-метр мостового типа и в качестве датчика сигнала измерительный генератор Г4-151, уровень мощности в антенне (макете) был весьма мал, что позволяло находиться в непосредственной близости и с помощью пальца руки (!) проверять распределение напряжения вдоль проводников антенны. Действительно, прикосновение в точке с минимальным напряжением не вызывает изменения показаний КСВ-метра, зато вмешательство в область максимума напряжения (например, конец вибратора) полностью расстраивает антенну. Перемещение пальца по проводнику антенны хоть и косвенно, по изменению показаний КСВ-метра, позволяет увидеть картину распределения напряжения вдоль антенны, а при наличии рядом расположенных проводников прикосновение к ним позволяет оценить, влияют ли они на измеряемый вибратор.

Особенно полезен такой простой способ при отработке коллинеарных антенн УКВ, когда нужно добиться синфазности и равноценности токов в этажах антенны.

Этот способ в связи с внешней несерьёзностью процедуры получил шутливое название СЛР (способ любой руки).

Макетирование позволило выявить несколько любопытных закономерностей, слабо или совсем не освещенных в литературе.

1.2 При рассмотрении несимметричных антенн сложной конфигурации, каковыми, как правило, являются многодиапазонные вертикальные антенны, возникает необходимость анализа плеч антенны по отдельности. Для этого следует представить полное входное сопротивление антенны Za=Ra+ jXa в виде суммы входных сопротивлений первого и второго плеча ( входное Z плеча можно рассматривать по отношению к условной проводящей плоскости, проходящей между точками питания антенны ). Например, у полуволнового симметричного вибратора Z1=Z2=0.5Za , на резонансной частоте Za=Ra» 70 Ом и Z1=Z2 » 35 Ом.

Если антенну запитать несимметрично, например, как это сделано в популярной многодиапазонной антенне FD4, плечи которой составляют 1/3 и 2/3 общей длины, резонансная частота будет такая же, как у симметричной той же длины, но входные сопротивления плеч будут отличаться кардинально. Ориентировочные расчеты показывают, что такая антенна из провода Ж2 мм на основной частоте будет иметь Z1=10-j250, Z2= 120+j250 и Zа=10-j250+120+j250 ==130 Ом. Из этого примера видно, что Za остаётся чисто активным за счёт взаимной компенсации реактивных составляющих плеч антенны. ( Входное сопротивление частей антенны Z1 и Z2 определялось как половина Za симметричной антенны, оба плеча которой имели длины 1/3 lо и 2/3 lо соответственно).

 Ещё один пример на тему входных сопротивлений. На рис. 2а показана симметричная антенна, укороченная за счёт применения на входе двух одинаковых катушек L (симметрирующий дроссель показан условно), на рис.2b эквивалентная схема её входной цепи. На частоте резонанса fо , которую можно определить по минимальному показанию КСВ - метра, равному K1, Xа = -2XL и Zа =Rа. Что будет, если одну из катушек перенести в другое плечо (рис.2c )? Схема входа остаётся неизменной ( тот же рис.2b ). Измерения показывают, что так же практически неизменными остаются значения fо и К1. Таким образом, если в первом случае каждая половина антенны была сбалансирована по реактивности X1 =X2=0, то во втором такой баланс был только в целом по антенне, но на работе антенны это не отразилось. Применительно к вертикальным антеннам отсюда следует практический вывод : если для настройки антенны необходимо включение на её входе дополнительного реактивного элемента ( L или C ), он может быть с одинаковым результатом включен или в цепи “вертикала” или на входе противовеса. Во многих случаях можно избежать применения дополнительной реактивности, соответственно удлинив или укоротив плечо антенны ( при этом, естественно, необходимо считаться с изменением Rа ).

Отметим, что при использовании схем согласования L-match, T-match, g-match и многих других, чисто активное входное сопротивление антенны получается ( в большинстве случаев ) при длине вибратора, отличной от резонансной.

Антенна GROUND PLANE ( GP ) состоит из вертикального излучателя длиной lв и противовеса ( ПР ) из 3 радиалов длиной lp каждый. При lв= lр=0.25l Zа=Rа» 35 Ом. Чтобы поднять Rа до 50 Ом, часто применяют удлинённый GP с lв» 0.28 l , а появляющуюся индуктивную составляющую входного сопротивления Xв компенсируют реактивностью противоположного знака за счёт включения на входе вертикала конденсатора C (Xc=-Xв). Можно обойтись и без применения конденсатора, укоротив радиалы настолько, чтобы входное реактивное ( емкостное ) сопротивление противовеса Xпр было равно Xс. Так как радиалы включены параллельно, то Xпр=Xр/n, где Xр - входное сопротивление одного радиала , n - их число. Например , если вертикальная часть удлинённого GP имеет Xв» j 50 Ом, то для её компенсации можно применить два радиала, каждый из которых имеет Xр = -j 100, или четыре с Xр = -j 200 и т.д. Отметим, что выполненный из трубы Ж30 мм радиал имеет примерно в два раза меньшее Xр, чем такой же длины из провода с Ж2 мм, поэтому по электрическим характеристикам два трубочных радиала примерно эквивалентны четырём проволочным.

Какое количество радиалов можно считать минимально необходимым ? Если вертикальная антенна установлена непосредственно над землёй, фактическим противовесом является земля - среда с большим сопротивлением для токов высокой частоты. Система из большого количества “земляных” радиалов ( до n =120 ) позволяет существенно уменьшить потери, длина радиалов не критична и не влияет на частоту резонанса антенны.

По литературным данным при размещении противовеса на высоте h=2 м потери за счёт земли на н.ч. диапазонах уменьшаются настолько, что тот же кпд может быть достигнут при числе радиалов в три раза меньшем, а при h » 0.5 l достаточно всего трёх радиалов.

При размещении антенны в свободном пространстве ( h> 1l ) её кпд практически не зависит от числа радиалов. Даже при минимально возможном противовесе из двух расположенных под углом 1800 друг к другу радиалов кпд антенны близок к единице и диаграмма направленности ( ДН ) в горизонтальной плоскости, как показали измерения, отличается от круговой не более чем на 1дБ.

Название антенны GP даёт основания предполагать, что когда пользователи переходили от исторически первых расположенных над землёй ‘ вертикалов ‘ в свободное пространство, противовес рассматривался как эквивалент земли ( ground plane ) и первые модели имели большое число радиалов ( n >4 ).

Достоверные данные о потерях при расположении вертикальной антенны над бетонной крышей отсутствуют. Можно исходить из того, что хотя противовес и не излучает энергию, вблизи каждого радиала в радиусе до 0.05l существует интенсивное в.ч. поле, а на концах радиалов напряжения достигают опасных для жизни значений. Поэтому во избежание значительных потерь и случайного прикосновения желательно располагать радиалы не ниже 2.5м над крышей.

1.4 Несколько антенн GP на разные частоты, имеющих каждая свой вертикальный вибратор и систему радиалов, можно объединить в общую систему с одним питающим фидером. При этом за счёт взаимных влияний несколько изменятся параметры каждого вибратора. Степень изменения зависит от количества параллельных проводников - вибраторов, расстояния между ними S и соотношения их длин.

Можно отметить следующие экспериментально полученные закономерности :

• Входное сопротивление каждого из объединённых вибраторов, как правило, возрастает;
• Более длинные из вибраторов для сохранения резонансной частоты приходится укорачивать, причём коррекция может достигать 10% и более;
• Рабочая полоса частот сужается, особенно у более коротких вибраторов, и при S<100мм может составлять всего 30…40% от исходных значений, а при S=200…300мм порядка 70…80%.
• Практически круговая форма диаграммы направленности (ДН) сохраняется при S<0.05l

Для наглядности приведём данные, полученные при установке антенны, рассмотренной в п. 2.2. Антенна состояла из центрального вибратора ( ЦВ ) высотой 6.7м, параллельно которому по очереди подвешивались проволочные вибраторы ( ПВ ), соединённые снизу с ЦВ. Одиночный ЦВ имел два резонанса - полуволновый на fо = 15.2МГц и волновой на fоо =31.6 МГц ( частоты резонансов определялись по минимуму КСВ ). После добавления самого длинного ПВ отмечены следующие резонансные частоты : fо = 14.45, fоо = 31.55 и f17 = 18.8МГц, после добавления второго ПВ - fо = 14.32 , fоо = 31.5 , f17 = 18.4 и f15 = 21.3МГц. При полном комплекте из четырёх ПВ - fо = 14.2МГц ( изменение составило ~ 7% ),а fоо = 31.4МГЦ, т.е. почти не изменилась.