Рис. 1. Обозначения, принятые на графиках-результатах рис 2.
Данная статья предназначена для ответа на вопрос: как изменяется работа на DX трассах GP, стоящего непосредственно на грунте, в зависимости от:
За эту работу вынудило взяться то обстоятельство, что приводимые в литературе данные во-первых, весьма противоречивы, а во-вторых неполны и относятся к максимальному усилению антенны. Но ведь в зависимости от всех перечисленных факторов меняется зенитный угол максимума излучения. Поэтому такое сравнение некорректно.
Для честного сравнения надо сравнивать усиления под фиксированным и малым зенитным углом (т.е. в зенитном направлении данной, конкретной DX станции). В данной статье все приводимые цифры усиления вычислены для фиксированного зенитного угла 50. Такой угол соответствует трассе минимум 3 тыс. км, типично 5...15 тыс. км. Трассы короче 3 тыс. км нас не интересуют, потому что на любом диапазоне при любых антеннах вы так или иначе за несколько месяцев выработаете все близлежащие страны-зоны.
Результаты анализа, полученные в программе GAL-ANA (при включенном движке NEC2 в режиме земли Зоммерфельда-Нортона, корректно учитывающей потери ближней зоны в грунте), приведены на графиках рис. 2. Анализ проведен для диапазона 1,8 МГц, но полученные выводы качественно справедливы и для других НЧ диапзонов.
Рисунок получился плотным, непростым в чтении, но потратить время на его изучения имеет смысл, т.к. там в удобной для понимания форме приведены данные для:
Перед тем как с головой погрузиться в анализ результатов, приведу обозначения и в графическом виде (кому-то так может быть удобнее)
Рекомендации класть противовесы подлиннее оказывается не всегда верны. В зависимости от высоты GP, качества почвы и числа противовесов есть порог, при котором удлинение противовесов УХУДШАЕТ усиление под малыми углами.
Для GP λ/8 (левая часть рис. 2):
Таким образом, для выбора оптимальной длины противовесов для укороченного λ/8 GP надо определиться с их количеством и типом грунта:
- при хорошей земле и количестве противовесов менее 32 оптимальны (как это ни странно) 0,1λ радиалы;
- при средней земле и количестве противовесов до 10...16 (порог плавает от качества земли) лучший выбор те же – 0,1λ радиалы. Если противовесов больше 10..16, то оптимум – 0,25λ радиалы.
- при плохой земле: до 4...8 радиалов лучше 0,1λ от 4..8 до 12...20 – 0,25λ, больше 12...20 – 0,5λ.
Для GP λ/4 (средняя часть рис. 2):
Таким образом, для выбора оптимальной длины противовесов для λ/4 GP надо определиться с их количеством и типом грунта:
- при хорошей земле и количестве противовесов от 4 до 32 оптимальны 0,25λ радиалы, но применение 0,1λ радиалов почти не ухудшает дело (проигрыш около 1 дБ, растет с ухудшением качества земли). Если противовесов больше 32, то лучше сделать их длинными, по 0,5λ;
- при средней земле и количестве противовесов от 2 до 25 – 0,25λ радиалы. Если противовесов больше 25, то лучше сделать их длинными, по 0,5λ;
- при плохой земле если противовесов меньше 8...16, то лучше 0,25λ радиалы, а если больше, то разумнее использовать 0,5λрадиалы;
- если что-то (например дикая нехватка места или проволоки) вынуждает использовать лишь 2 противовеса, то на средней и хорошей земле применяйте 0,1λ (хотя замечу, забегая вперед, что в такой ситуации намного лучше исхитриться и положить еще одну пару противовесов, одновременно увеличив их длину до 0,25λ).
Для GP 5/8 λ (правая часть рис. 2):
В этом разделе нам осталось понять: почему при малом количестве противовесов, вопреки распространенному мнению выигрывают короткие противовесы, и почему выигрыш длинным полуволновых радиалов начинает сказываться лишь при очень большом их количестве, а до того они и проигрывают четвертьволновым.
Причина оказывается в том, что изменение длины и количества противовесов управляет двумя разнонаправленными физическими процессами:
Противовесы, лёжа на поверхности земли, по сути, являются частью грунта и увеличивают его проводимость, и тем самым улучшают качество земли (вернее системы противовесы + грунт). Здесь рост длины противовесов полезен, т.к. охватывается бОльшая площадь грунта.
Но по радиалам ведь текут ВЧ токи от передатчика. А радиалы лежат на среде с большими омическими потерями (грунте). Поэтому чем больше токи передатчика путешествуют вдоль земли, тем больше мощности передатчика бесполезно тратится на обогрев последней. Тут удлинение противовесов вредно: чем длиннее противовес, тем дольше ток течет вдоль земли, и тем сильнее её нагреет.
Поэтому при не очень большом количестве радиалов получается вот что: радиалов мало, угол и расстояние между ними довольно велико, чтобы заметно улучшить проводимость грунта (т.е. снизить потери в нём), поэтому короткие радиалы в которых ток коротко течет вдоль земли обеспечивают бОльший КПД антенной системы.
Чтобы сказался выигрыш более длинных радиалов их приходится располагать чаще (т.е. увеличивать их количество, так, чтобы они густо покрывали грунт). В этом случае значительно снижаются омические потери на обогрев грунта (ток находит поблизости много металла соседних радиалов и течет там, а не по грунту) и несмотря на длинные радиалы на земле КПД антенной системы растет за счет улучшения отражающих свойств подстилающей поверхности (по сути - хорошей, с небольшим шагом металлизации грунта).
Вот поэтому, в профессиональных GP применяются системы радиалов что-то типа: 100 штук по 0,4λ. При таком количестве длинные радиалы намного выигрывают у коротких.
В радиолюбительской же практике количество радиалов крайне редко превышает 30, поэтому длинные радиалы почти никогда не имеют смысла. В частности это означает, что если у вас многодиапазонный GP 160-80 и вы, положив 4 λ/4 радиала на 160 m, надеетесь, что эти же радиалы будут хорошо работать и на 80 m, то увы. Для 80 m это полуволновые (т.е. длинные радиалы) и их количество совершенно недостаточно для хорошей работы. Поэтому в многодиапазонных GP крайне желательно использовать свою систему радиалов на каждый диапазон, а радиалы других диапазонов рассматривать лишь как вспомогательные.
Здесь же отмечу, что в тех случаях, когда оптимально использование λ/4 радиалов, их желательно настроить в резонанс. Хотя они из-за того, что они лежат на земле резонанс обычно очень тупой, но лучше такой, чем никакого. Не забудьте, что т.к. радиалы лежат прямо на среде с большой диэлектрической проницаемостью (грунте, проще говоря) то он подвергаются сильному (до нескольких десятков %) укорочению, соответственно их физическая длина будет ниже (обычно в пределах 0,12...0,2 λ).
Тут есть соответствие общепринятому: чем больше, тем лучше. Однако очень бы полезно узнать до какого количества противовесов в данном, конкретном случае идёт заметный рост усиления, а после какого рост числа противовесов дает лишь очень небольшое улучшение.
Для GP& 5/8 λ (правая часть рис. 2):
Для GP λ/4 (средняя часть рис. 2):
Для GP λ/8 (левая часть рис. 2):
В завершении этого раздела поговорим о причине появления участка насыщения (независимости усиления от количества противовесов). Участок насыщения появляется тогда, когда суммарные потери в системе заземления Rз становятся значительно (в несколько раз) ниже сопротивления излучения Rизл самого вертикала.
Для 5/8 λ GP Rизл = 70 Ом, поэтому при достижении Rз = 10 Ом (ориентировочное значение) дальнейшее снижение потерь в земле почти ничего не даёт.
Для λ/4 GP Rизл = 36 Ом, поэтому для достижения насыщения требуется уже Rз = 5 Ом (ориентировочное значение), что при средней и хорошей земле требует уже 8 и более λ/4 радиалов.
Для укороченного λ/8 GP Rизл = 9 Ом. Для достижения насыщения требуется уже Rз около 1 Ома, что не достигается даже при сотнях радиалов, поэтому на графиках для λ/8 GP насыщения нет.
Кроме общих выводов рисунок 2 очень полезен для решения практических задач по выбору конструкции антенны. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.
У нас средняя земля. Мы строим проволочный (на удочке) GP и хотим получить максимум усиления при минимальном расходе проволоки. Место установки антенны фиксировано.
Смотрим графики средней земли (с квадратиками).
Очевидно, что лучшее усиление имеет 5/8 λ GP. При двух 0,1λ противовесах получаем усиление под углом 5 градусов -4,2 dBi. Общий расход проволоки 0,625 + 2 х 0,1 = 0,825λ.
Четвертьволновый GP имеет явно меньшее усиление: даже при 32-х 0,5λ противовесах (максимум на средних графиках для средней земли) усиление лишь -4,7 dBi. На 0,5 дБ хуже, чем у 5/8 λ GP.
Но кроме ухудшения усиления тут еще и огромный расход проволоки: 0,25 + 32 х 0,5 = 16,25λ. В двадцать раз выше, чем в предыдущем варианте.
Поэтому рекордсменом по минимальной длине металла является именно 5/8 λ GP. Однако это относится к случаю ВЧ диапазонов, где можно выполнить проволочные вертикалы на удочках. Для НЧ же диапазонов вертикалы это уже трубы и мачты. И там расходы металла и трудности иные.
Пример 2.
Диапазон 80 м. Имеем возможность поставить мачту λ/4 GP, но вообще-то мы не против изучить вопрос: а нельзя ли с небольшим ухудшением обойтись и более короткой λ/8 мачтой. Место установки антенны фиксировано, земля хорошая.
Смотрим графики хорошей земли (с треугольниками).
Для λ/4 GP при 8-ми λ/4 противовесах усиление достигает -3,6 dBi. Однако, если для λ/8 GP мы положим 32 λ/10 противовеса, то потеряем в усилении всего 0,2 dB. Да, мы затратим на радиалы в полтора раза больше проволоки, но мачта в 10 м это значительно проще и дешевле мачты 20 м. А теряем всего 0,2 dB.
Замечу, что эти выкладки справедливы, если вертикал стоит "в чистом поле" и не затенен растительностью и постройками. А если он все же затенен, то более короткий вертикал будет проигрывать сильнее. Просто потому, что он вынужден больше мощности тратить на обогрев затеняющих предметов.
Ну и конечно, не забудем о меньшей полосе укороченной антенны и о небольших (доли дБ) дополнительных потерях в её СУ. Но тем не менее подумать есть о чём.
Пример 3.
Печально-распространенный. Укороченный вертикал λ/8 GP на 160 м. Земля средняя. Места под радиалы мало.
Смотрим графики средней земли (с квадратиками).
Вариант два длинных радиала (считаем, что в два направления место под радиалы всё-таки есть) по λ/2 сразу отметаем из-за низкого усиления, всего лишь -13 dBi.;
Вариант двух радиалов по λ/4 выигрывает более 1 дБ (-11,8 dBi), тоже не предел мечтаний.
Конечно было бы хорошо положить 32 по λ/4 радиала и получить аж - 6 dBi, но нет места.
А вот вариант с 16-ю λ/10 радиалами уже интересен: и места немного, и усиление достаточно высокое -6,5 dBi, т.е. проигрыш всего 0,5 дБ предыдущей очень большой системе радиалов и выигрыш в 2,5 дБ тоже у очень немаленькой системы из 4 х λ/4 радиалов).
Если расход проволоки на 16 λ/10 радиалов представляется слишком большим, то можно оставить лишь 8 штук. Правда за это придется заплатить еще 0,5 дБ потери усиления.
В общем, варианты есть и выбор за проектировщиком конкретной антенны, исходя из его представлений о соотношении усиление/затраты.
Пример 4.
Мы выбираем место установки антенны. Есть три варианта:
Смотрим графики.
Для 5/8 λ GP, при 32-х λ/4 радиалах и плохой почве (красный график с кружочками, правая часть рис. 2) больше -4,0 dBi усиления не выжать.
Для λ/4 GP, при 32-х λ/2 радиалах и средней почве (синий график с квадратиками, средняя часть рис. 2) можно получить -4,7 dBi. Это на 0,7 дБ хуже, чем в предыдущем варианте.
Для λ/8 GP, при 32-х λ/10 радиалах и хорошей почве (черный график с квадратиками левая часть рис. 2) можно получить -3,8 dBi. Это на 0,2 дБ лучше, чем в первом варианте. Конечно эти 0,2 дБ будут съедены в СУ короткого GP. Но даже с учетом этого антенна λ/8 GP с короткими λ/10 радиалами на хорошей земле работает на DX трассе также, как и намного большая антенна 5/8 λ GP с λ/4 противовесами радиалами на плохой земле.
А если бы земля под короткой λ/8 GP антенной была бы очень хорошей (напомню, что в наших расчетах под очень хорошей понимается не морская вода, а всего лишь жирный чернозём, или болотистая местность без высокой растительности), то более короткая антенна даже выиграла бы несколько дБ у намного более длинной, но стоящей над плохой землей.
Пример 5.
Обратный примеру 4. У соседа имеется раздражающе хорошо работающий вертикал на 160 м, высотой всего λ/8 GP с парой коротеньких, радиалов по 16 м Но на очень хорошей земле. И он (сосед, а не вертикал) при мощности всего в 500 Вт работает со всем миром.
У нас задача: догнать и перегнать соседа по уровню сигнала. Но земля у нас средняя. Приложив горизонтально линейку на уровне -3 dB к рис. 2 отчётливо видим: при равной мощности нам ничего не светит. При любой длине вертикала и радиалов и любом разумном количестве последних графики реальной земли идут ниже. Поэтому нам придется еще и более мощный РА использовать.
Но попробуем минимизировать потери. Какие у нас есть варианты?
Опять же изучаем рис. 2.
При λ/8 GP, если мы уложим 32 λ/4 радиала, то проиграем 2,5 dB, для компенсации чего потребуется РА 900 Вт.
Если же при том же λ/8 GP мы положим только 8 λ/10 радиалов, то проигрыш составит 4 дБ и придется использовать РА 1250 Вт.
Если же мы построим большой λ/4 GP, при 32-х λ/2 радиалах, то проигрыш составит 1,8 дБ, и хватит РА 750 Вт.
Только если мы построим огромную (и практически нереальную для 160 м) антенну 5/8 λ, только тогда можно будет рассчитывать на проигрыш менее 1 дБ и сравнимые рапорты при одинаковой мощности РА.
А если мы бездумно скопируем антенну и систему заземления соседа ( λ/8 GP, при 2-х λ/10 радиалах), то проигрыш составит 6 дБ и без РА 2 кВт нам ловить будет нечего.
Приведенными выше примерами применение рис. 2 отнюдь не исчерпывается. Можно получить ответ практически на любой вопрос о радиалах GP, лежащих на поверхности земли.
Поскольку переменных 4, то номограмма является пятимерной, что создало определенные трудности при размещении её на двухмерной плоскости монитора. Поэтому отнеситесь с пониманием к тому, что рис. 2 трудноват для беглого чтения. Но зато очень полезен и отвечает на многие конкретные вопросы при проектировании GP, стоящего прямо на поверхности земли.
В этой части (написанной спустя много месяцев, после первой), изучается только один и довольно странный (но интересный теоретически) вопрос. Исходные данные:
Требуется узнать, на какое число радиалов и какой длины надо разрезать имеющийся у нас провод, чтобы антенна имела максимум усиления в таких условиях (! не вообще максимум, а именно в таких, вышеуказанных, при фиксированной длине провода на противовесы! ).
Результаты показаны на рис. 3 ...5 (диапазоны 160, 80 и 40 м) соответственно. На графиках имеется в виду что:
Работа с графиками рис. 3...5 очень проста.
Пример 1.
Допустим у нас имеется катушка провода длиной 1 км, и мы желаем пустить ее на радиалы λ/4 диапазона 160 м. Земля у нас средняя. На рис. 3 находим координату 1000 м, поднимается по ней вертикально, до пересечения с графиком средней земли (синий) и двинувшись от него горизонтально влево до оси, находим, что оптимум (не вообще, а при проводе 1 км, диапазоне 1,8 MНz и высоте антенны λ/4) составляет 31 радиал. Длина одного радиала 1000 м / 31= 32,25 м.
Пример 2.
λ/4 GP диапазона 80 м. Земля хорошая. А провода на радиалы мало, всего 100 м. По рис. 4 находим, что в этих условиях выгоднее всего положить 16 радиалов, длиной всего по 100 м / 16= 6,25 м. Неожиданный результат, не правда ли? Но так на самом деле, если провода на радиалы мало, то лучше положить много коротких радиалов, чем мало длинных. Рис. 3...5 позволяют воплотить эту общую и давно известную рекомендацию в конкретные цифры.
Пример 3.
λ/4 GP диапазона 40 м. Земля плохая. Но провода на радиалы много, 500 м. По рис. 5 находим, что в этих условиях оптимально использовать 32 радиала длиной по 500 м / 32= 15,62 м. Тоже не вполне о чевидный результат, оптимальная длина радиалов достигает почти 0,4λ.
Впрочем, для внимательно читавших первую часть статьи не будут сюрпризами ни этот, ни предыдущий результат.
Данные вычислений, по которым построены рис. 3...5, хорошо совпадают с вычислениями по формуле, приведенной в статье Robert C. Sommer, N4UU, “Optimum Radial Ground Systems,” QST, August 2003, p. 39 - 43.
Выглядит эта формула так:
, где:
Выведена она из условия минимизации потерь в земле.
Поэтому неудивительно, что данные рис. 3...5 (рассчитанные напомню из условия максимального усиления антенны) получаются довольно близкими. Ибо львиную долю потерь в GP на грунте составляют именно потери в земле.