В связи с распространением вертикалов, с размерами, отличающимися от 0,25λ появились жалобы, что реальная антенна настраивается не так, как обещает моделировщик.
Как показало изучение таких случаев, причиной этого безобразия является неучтенная в модели паразитная емкость изолятора на землю. Она относительно невелика (единицы пФ) только при традиционном исполнении изолятора в виде куска непроводящего материала высотой несколько сантиметров, на который сверху ставится штырь.
Но при других конструкциях эта емкость может быть весьма велика. Примеры таких конструкций:
Две металлические платформы (верхняя под крепление вертикала, нижняя - часть основания), механически стянутые через лист изолятора или несколько изоляционных стоек. Для исключения КЗ под болты подкладываются шайбы из изоляционного материала. Применяется на больших НЧ вертикалах. В зависимости от высоты и конструкции разделяющих изоляторов, а также от площади верхней платформы можно получить от единиц до нескольких десятков пФ паразитной емкости.
На нижние несколько десятков сантиметров трубы вертикала надевается пластиковая труба, и это крепится несколькими U-болтами к заземленной несущей трубе. Несколько десятков лишних пФ почти гарантированы.
Почти то же самое, что предыдущий случай, но низ вертикала, одетый в пластиковую трубу крепится к промежуточной металлической пластине. А эта пластина с другой стороны аналогичным образом крепится к несущей мачте. Емкость получается почти вдвое ниже, чем в предыдущем случае, но не один десяток пф все равно может набираться.
Металлическая труба штыря входит внутрь трубы заземления, между ними коаксиально расположен обрезок пластиковой трубы (этот цилиндрический конденсатор может даже несколько сотен пф иметь).
Изучим, как влияет паразитная емкость изолятора на параметры вертикала.
Очевидно, что влияние этой емкости тем сильнее, чем выше модуль импеданса входного сопротивления. Просто потому, что реактивное сопротивление паразитной емкости изолятора включено параллельно входному импедансу вертикала. И пока последний мал, то небольшая параллельная емкость его почти не изменит. Напротив, высокий входной импеданс заметно изменит даже небольшая параллельная емкость.
Поэтому меньше всего на паразитную емкость должен реагировать λ/4 GP, т.е. вертикал на своем последовательном резонансе (где его входное сопротивление активное и низкое, всего 20...40 Ом). А наиболее сильная реакция на емкость изолятора будет у λ/2 вертикала (тысячи ом входного), точнее говоря, у вертикала на его параллельном резонансе.
Вот и посмотрим на то как меняется частота параллельного резонанса вертикала, в зависимости от параллельной емкости (т.е. емкости изолятора). Возьмем проволочный вертикал высотой 5,13 м (частота его последовательного резонанса Fs = 14,15 MHz). Без емкости изолятора частота его параллельного резонанса Fp = 26,7 МHz. На следующем графике показано, как изменяется Fp этого вертикала от емкости изолятора:
Тут никаких открытий: чем больше емкость, тем сильнее понижается частота Fp. Понятно также, что она не может стать ниже Fs, поэтому график обрывается снизу на 15 MHz.
Более интересно, как меняется активное сопротивление на резонансе Fp. Это показано на следующем графике:
Сопротивление на параллельном резонансе тоже падает. Видно, что даже несколько пикофарад могут заметно изменить его.
Из анализа двух предыдущих графиков можно сделать следующий вывод: влиянием паразитной емкости изолятора можно пренебречь только в случае, когда модуль её реактивного сопротивления не менее чем втрое превышает модуль входного импеданса вертикала. В остальных случаях из-за влияния этой емкости импеданс будет отличаться от расчетного, тем сильнее, чем ниже реактивное сопротивление емкости изолятора.
Чтобы этот полезный, но скучно звучащий вывод стал понятнее, посмотрите на следующий анимированный график. Это диаграмма Смита, на которой переключается график комплексного входного импеданса в полосе от 13 до 30 MHz при изменении емкости изолятора от 0 до 120 пФ. Точки пересечения графика с горизонтальным диаметром – это точки нулевой реактивности, т.е. резонансы. Синей точкой отмечено положение последовательного резонанса, красной – параллельного. В окошке слева от графика показан импеданс на параллельном резонансе (в красной точке). Слева внизу дается частота параллельного резонанса.
Хорошо видно, что положение красной точки (то есть сопротивление на параллельном резонансе) меняется сильно. А положение синей (последовательный резонанс) остается почти постоянным. И только при большой емкости смещается к центру (т.е к 50-ти омам), особенно, на максимальной емкости, когда оба резонанса сходятся почти вместе.
Промежуточные состояния (положения кривой от синей до красной точки, т.е. между резонансами) меняются тем сильнее, чем ближе частота к параллельному резонансу.
Реактивная часть входного импеданса (на диаграмме Cмита смещение от горизонтального диаметра по дугам, идущим из крайней правой точки круга: вверх - индуктивность или вниз - емкость) меняется сильно, причем не только между резонансами, но и ниже последовательного, т.е. в укороченной антенне.
Таким образом, емкость изолятора достаточно существенно влияет на импеданс любого штыря, кроме четвертьволнового (собственно, и на него тоже влияет, но там уж совсем большие емкости нужны).
Оценить какой емкостью изолятора можно пренебречь для данной антенны можно используя вывод, приведенный выше (абзацем выше над последним рисунком).
Если емкость изолятора больше полученного в предыдущем абзаце предела, то ее надо вводить в модель. Для чего эту емкость придется предварительно измерить. А последнее бывает непросто сделать. Например, она часть конструкции антенны (пп. 2, 3 и 4 вначале статьи) и наводки на сам штырь искажают измерения.
Если емкость изолятора не удалось более-менее точно измерить, то следует выбирать такие схемы согласующего устройства, которые имеют параллельный конденсатор на выходе бо́льший, чем максимально возможная емкость изолятора. Тогда при настройке уменьшая это конденсатор на величину паразитной емкости можно будет настроить антенну. Понятно, что такое СУ возможно не всегда, но это неизбежное ограничение, если изолятор имеет заметную и неизвестную емкость.
Впрочем, есть еще вариант на уже стоящем штыре измерить импеданс на рабочей частоте (или частотах) и уж под него рассчитать СУ. Но в этом случае не надо удивляться, что полученная схема и номиналы СУ будут далеки от расчетных и\или, приводимых в описании антенны.
Bonn, 29.05.2014