Рис. 1.
Свойства грунта\земли (здесь и далее это обозначает подстилающую поверхность под антенной) заметно влияют на параметры практически любой КВ антенны. Обычно считается, что хорошая земля отражает падающую на нее электромагнитную волну, плохая – поглощает, а средняя делает и то, и другое. И в подробности не вдаются. А мы вдадимся.
Для антенны земля тем лучше, чем больший ток может через неё протечь. А токи на высокой частоте бывают разные.
Активный ток (т.е как через резистор). Определяется проводимостью грунта σ. От частоты в КВ диапазоне почти не зависит.
Реактивный ток (т.е как через конденсатор). Определяется диэлектрической проницаемостью грунта ε. В первом приближении растет пропорционально частоте (т.к. реактивное сопротивление конденсатора JX обратно пропорционально частоте)
С точки зрения антенны нет большой разницы, какой ток течёт через грунт: активный, или реактивный. Поэтому понятие "хорошая земля на ВЧ" содержит некоторые странности, с которыми мы разберемся в следующем параграфе.
Понятно, что всё, сказанное ниже, относится только к слою грунта не намного толще глубины проникновения ВЧ тока в этот грунт на рассматриваемой частоте.
На рис. 1 показано как зависит усиление λ/4 GP диапазона 7 MHz от параметров грунта. GP имеет четыре λ/4 радиала, лежащих прямо на грунте. Усиление на графиках не максимальное, а под зенитным углом 50 (нас ведь DX интересуют).
Каждый из графиков построен для заданной проводимости грунта σ и показывает как растет усиление нашего GP под низкими углами с ростом диэлектрической проницаемости ε.
Что следует из анализа графика рис.1? Несколько интересных и не вполне очевидных вещей:
Только при совсем малых ε качество земли полностью определяется проводимостью почвы. Посмотрите, при ε=2 усиление растет вместе с ростом проводимости σ
При возрастании ε до 12 зеленый график, соответствующий плохой проводимости σ = 1 mS/m оказывается на 0,6 dB выше графика средней проводимости σ = 5 mS/m! И пересекается с графиком σ = 2 mS/m, что означает, что изменение проводимости почвы вдвое не влияет на усиление.
А при ε= 25 грунт с плохой проводимостью σ = 1 mS/m оказывается лучше даже грунта с с хорошей проводимостью σ = 10 mS/m (напомню, что все данные рис. 1 относятся к частоте 7MHz).
При очень большой диэлектрической проницаемости ε земля становится хорошей почти вне зависимости от её проводимости. Этот механизм объясняет странную, на первый взгляд ситуацию, когда пресная вода с её плохой проводимостью σ = 1 mS/m тем не менее считается (и справедливо считается) на КВ хорошей землей. Потому что ее диэлектрическая проницаемость около 80 (подробнее см. следующий параграф) и ВЧ ток легко протекает сквозь диэлектрик со столь высокой ε.
Почему так происходит? Из-за омических потерь на тепло. Их не бывает только в двух случаях: σ = 0 (идеальный диэлектрик) или σ = ∞ (идеальный проводник). При средних значения проводимости на ВЧ и ε >> 1 возможна ситуация, что уменьшение σ ведет к снижению потерь. Это происходит, когда частота такова, что основной ВЧ ток реактивный (т.е. определяется ε), а активный ток (определяемый σ) меньше.
В такой ситуации, снижая σ мы, конечно, немного уменьшаем общий ток в земле (но немного, т.к. уменьшаем только активную его часть, а большая реактивная остается неизменной), но зато заметно снижаем омические потери на нагрев грунта.
Бесполезное практически, но забавное теоретическое следствие. Если мы расположим антенну над листом хорошего диэлектрика (например, конденсаторной керамики) с очень высоким ε и почти нулевой проводимостью σ, то для антенны и её параметров это не будет отличаться от случая расположения над металлическим листом.
Электрические параметры разных составных частей грунта различны и меняются по-разному от погодных условий.
Минералы. Проницаемость основных породообразующих минералов, колеблется от 3 до 12 (за редкими экзотическими исключениями типа слюдяного сланца), и почти не зависит от температуры (в реальных погодных условиях). Проводимости монолитные минералы почти не имеют (они все хорошие диэлектрики).
Воздух в реальных климатических условиях имеет ε= 1, и очень низкую проводимость.
Cухая ограника (дерево, сено, полностью высушенные с\х почвы) как и минералы имеет не зависящую от температуры ε в пределах 3 ... 12 и низкую проводимость.
Вода. Отвечает и за проводимость грунтов и (в значительной мере) за диэлектрическую проницаемость.
Чистая (дистиллированная) вода имеет плохую σ < 0,5 mS/m. Но даже небольшая добавка солей превращает её в хорошо проводящий электролит. Так концентрация солей 5 гр на литр воды повышает проводимость до 10...50 mS/m (в зависимости от типа соли). Поэтому даже небольшой дождик (а с неба течет почти дистиллированная вода, если только это не грязный промышленный район с кислотными дождями) существенно повышает проводимость почвы, т.к. солей в ней хватает. Сильно соленая (морская) вода имеет очень высокую σ = 1000... 5000 mS/m.
Диэлектрическая проницаемость пресной воды падает с ростом температуры. От ε = 88 при 00С до ε = 73 при 300С.
Лёд. Проводимость льда (и пресного, и с солями) мала. Настолько, что для наших антенных целей ею можно пренебречь. Диэлектрическая проницаемость на ВЧ падает с его охлаждением. От ε = 85 при –10С до ε = 3 при –180С (цифры ориентировочны, т.к. ε льда сильно зависит от вида его кристаллической структуры).
Грунты почти никогда не бывают монолитными. Почти всегда они содержат поры, которые могут быть заполнены воздухом, водой или льдом. Процент объема, занимаемый порами, называется пористостью грунта.
Рост пористости грунта влияет по-разному, в зависимости от того, чем заполнены поры.
Влага в почве всегда с солями и имеет намного более высокую проводимость чем минералы. А воздух и лёд – более низкую. Поэтому увеличение пористости грунта линейно увеличивает σ если поры заполнены водой (влажный грунт) и уменьшает – если воздухом или льдом(сухой или мерзлый грунт).
Зависимости диэлектрической проницаемости грунта ε от его пористости (рис. 2) аналогичны зависимостям проводимости. По аналогичной же причине: ε воды значительно выше, чем у воздуха.
На качество ВЧ земли (т.е на параметры излучения антенны) влияет не только проводимость грунта σ, но и его диэлектрическая проницаемость ε. Чем выше частота и больше ε, тем больше влияние ε и меньше σ (рис. 1).
Качество грунта на ВЧ в основном определяет содержание влаги в нём. Потому что вода имеет высокую ε, а растворы солей имеют высокую проводимость σ. Это является причиной, почему вертикалы сразу после дождя начинают работать заметно лучше (пока вода не высохнет или уйдет ниже глубины проникновения ВЧ тока).
Рыхление грунта улучшает ВЧ свойства если он влажный, и ухудшает, если сухой.
Промерзание почвы ухудшает её качество на ВЧ. Снижается её проводимость, т.к. σ льда намного ниже, чем у жидкой воды. При небольших морозах (несколько гр.) ε льда еще остается высоким (поэтому ухудшение может быть невелико), однако сильно падает при крепких (-15 ... 200С) морозах. Последнее объясняет тот странный на первый взгляд факт, что сильно морозными ночами вертикал работает не очень хорошо и у него даже может выиграть горизонтальная антенна.
18.07.2021