Экспериментальный взгляд на системы противовесов для ВЧ-вертикалов

Экспериментальный взгляд на системы противовесов для ВЧ-вертикалов
Руди Севернс, N6LF

В этой новаторской работе мы получаем окончательные результаты по эффективности систем противовесов.
Прошло более 100 лет с тех пор, как Маркони использовал вертикальные антенны. При такой долгой истории вряд ли можно сказать о них что-то новое. То, как операторы любительской радиосвязи используют и внедряют вертикальные антенны, часто отличается от коммерческой или военной практики, оставляя радиолюбителей с вопросами без ответов.
Эти вопросы можно решать аналитически или с помощью моделирования и имитации, но для большинства из нас ни один из них не является достаточно убедительным. Фактические измерения на реальных антеннах гораздо более удовлетворительны, по крайней мере, для проверки моделирования.
Несколько лет назад Джерри Севик, W2FMI, (SK) опубликовал именно такую информацию в QST (1-5). Чтение его статей вдохновило меня на еще один экспериментальный взгляд на наземные ВЧ-системы. Результатом стали 18-месячные усилия, частично повторяющие работу Джерри, но также затрагивающие другие вопросы, такие как сравнение земной поверхности и приподнятых радиальных систем. Эти эксперименты были подробно описаны в серии из семи статей QEX. Эта статья представляет собой резюме наиболее интересных результатов, опуская некоторые подробноти.
Ближняя и дальняя зоны
Важно помнить о роли системы заземления, связанной с излучением вертикально поляризованной антенны. Диаграмма направленности излучения для вертикала сильно зависит от характеристик почвы в непосредственной близости от антенны. Это особенно верно при малых углах излучения на большом расстоянии (многие длины волн), часто называемом областью дальнего поля. На практике мы обычно не можем многого сделать с условиями за пределами 1/2 длины волны от основания вертикала, кроме как выбрать наше местоположение — мы просто должны принять то, что у нас есть. Однако мы можем многое сделать для снижения потерь в непосредственной близости от антенны (ближняя зона), где потери могут быть очень высокими (8). Цель наземной системы противовесов — снизить эти потери в ближнем поле, повысить эффективность и позволить нам излучать как можно большую часть входной мощности в антенну, что в конечном итоге улучшает наш сигнал.
Обзор экспериментов
Эта работа началась с 160-метрового вертикала, с которым я изменял количество радиалов антенны в 1/4 волны и измерял изменение силы сигнала при фиксированной входной мощности.
Это было интересно и познавательно, но я понял, что многократное прокладывание и поднятие около 8000 футов провода #12 AWG непрактично для более обширных исследований. Поэтому я изначально изменил тестовую частоту на 7,2 МГц, а затем добавил эксперименты для многодиапазонных наземных систем (от 40 до 10 метров). Этот первоначальный эксперимент также побудил меня использовать гораздо более точную процедуру измерения, которая описана в боковой панели на веб-сайте QST In Depth (9).
Я провел несколько экспериментов, каждый из которых отвечал на некоторые вопросы. В следующих трех разделах мы рассмотрим радиалы для вертикальных однодиапазонных антенн — на земле и над ней и, наконец, радиальные системы для многополосных вертикалов.
Раунд первый — Радиалы на земле
В этом наборе экспериментов использовались четыре разные антенны: вертикальная антенна 1/4 волны, вертикальная антенна 1/8 волны с базовой нагрузкой, вертикальная антенна 1/8 волны с достаточной верхней нагрузкой для резонанса на частоте 7,2 МГц и мобильная штыревая антенна длиной 4 метра.
Я начал с одного 4-футового заземленного штыря (нулевые радиалы), а затем постепенно добавлял радиалы 1/4 волны, измеряя изменения в силе сигнала с каждым увеличением числа радиалов. Результаты показаны на рисунке 1. Обратите внимание, что график показывает улучшение сигнала для заданной входной мощности для каждой антенны по сравнению с одним заземленным штырем без радиалов.

Рисунок 1 — Типичное улучшение сигнала при добавлении 1/4 волновых
радиалов к базовой системе заземления одного заземляющего штыря.
График не сравнивает относительные достоинства каждой антенны. Очевидно, что короткая мобильная штыревая антенна даст меньший сигнал, обычно на 10 дБ меньше, чем полноразмерная вертикальная антенна 1/4 волны. Метрика улучшения сигнала дает нам представление о выигроше при заданном улучшении в наземной системе.

Сколько надо противовесов?

Этот график показывает несколько вещей. Во-первых, он ясно показывает, насколько важна система противовесов. Она может изменить силу сигнала на много дБ. Имейте в виду, что почва, на которой проводились эксперименты, будет классифицироваться как хорошая или очень хорошая. На средних или плохих почвах улучшение сигнала может быть на много дБ больше, чем показано здесь. Второе, что показывает график, — это точка убывающей отдачи. Установка системы с не менее чем 16 радиалами даст вам большую часть достижимого улучшения. По мере того, как мы переходим к 32, а затем к 64 радиалам, улучшение становится все меньше. Можно утверждать, что улучшение от перехода от 32 до 64 радиалов стоит затрат, и очевидно, что стандартная антенная наземная система на 120 противовесов будет излишней.
Последний момент, который показывает график, заключается в том, что чем короче и сильнее загружен ваш вертикал, тем больше вы можете выиграть от улучшения наземной системы. Чем короче вертикал, тем выше будет напряженность поля (для заданной входной мощности) в ближнем поле антенны и тем ниже будет сопротивление излучения. Это приводит к гораздо более высоким потерям на земле, что приводит к большему улучшению, когда вы уменьшаете эти потери путем улучшения системы заземления.

Насколько длинными они должны быть?

Известно, что радиалы длиной в 1/4 волны эффективны в наземных системах, но мне было интересно, каков будет убыток при использовании более коротких радиалов. Я ожидал увидеть довольно равномерное снижение силы сигнала (из-за увеличения потерь в земле) по мере укорачивания радиалов. Этого я не обнаружил.
На рисунке 2 показаны результаты эксперимента, в котором я измерял силу сигнала, постепенно укорачивая радиалы в четырех- и восьмирадиальных системах.

Рисунок 2 — Влияние сокращения радиальных длин на силу сигнала.
Эталонный уровень 0 дБ — четыре 33-футовых радиальных элемента.
Удивительно, но сокращение длины радиалов увеличило силу сигнала — не немного, а более чем на 3 дБ. Это, конечно, противоречит интуиции, но я видел подсказки, которые помогли объяснить, что происходит. Я заметил, что только с заземляющим штырем резонансная частота вертикали была намного ниже ожидаемой, и по мере того, как я добавлял больше радиалов, резонансная частота медленно увеличивалась. Большая часть изменений произошла между 4 и 16 радиалами и была практически выровнена к тому времени, когда у меня было 64 радиала. Это навело меня на мысль, что радиалы могут быть саморезонансными ниже 7,2 МГц. Чтобы проверить это, я измерил распределение тока на радиале и обнаружил, что оно синусоидальное. Результаты показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 — Измеренное распределение тока на радиальном элементе.

Точка максимального тока была перемещена от основания антенны на радиалы, и это существенно увеличивает потери на земле. Радиалы резонируют ниже полосы, и это влияет на антенну. Провод, близкий к земле, может быть сильно нагружен землей, что снижает его резонансную частоту. Степень нагрузки будет зависеть от характеристик почвы.
На рисунке 3 показано, что точка максимального тока находится на расстоянии 10–11 футов от основания. Глядя на рисунок 2, мы видим, что максимальный сигнал возникает, когда мы укоротили радиал на эту величину. Рисунок 3 также иллюстрирует разницу между закопанными голыми радиальными проводами и радиалами, лежащими на поверхности почвы или очень близко к ней.
Распределение тока на закопанном голом радиальном проводе обычно экспоненциально уменьшается от основания независимо от его длины.
Вы не увидите стоячей волны, показанной на рисунке 3, за исключением очень плохих почв. Изолированный радиал, лежащий на поверхности земли, ведет себя гораздо больше как радиал в приподнятой радиальной системе, поскольку он имеет синусоидальное волновое распределение тока. Закопанная изолированная проволока будет где-то между этими двумя случаями в зависимости от глубины залегания и характеристик почвы.
Вы также можете видеть на рисунке 2, что сигнал увеличивается по мере увеличения числа радиальных проводов.
Чтобы проверить это, я расширил эксперимент до 32 радиалов, сравнив 33 и 21-футовые радиальные проводники. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Относительные уровни сигнала для 4, 8, 16 и 32 радиалов, сравнение длин 33' и 21'

Количество
радиалов Нормализовано
по четырем 33-дюймовым радиалам (дБ)
33-дюймовые радиалы Нормализовано
по четырем 33-дюймовым радиалам (дБ)
21-дюймовые радиалы Изменение
усиления (дБ)

4
8
16
32 0
2,26
3,76
4,16 3,08
3,68
3,95
4,04 +3,08
+1,42
+0,19
–0,12

Результаты в таблице 1 показывают, что избыточные потери из-за радиального резонанса практически исчезают к тому времени, когда вы достигаете 16 радиальных проводников. Это приводит к совету — вместо того, чтобы пытаться определить оптимальную длину радиалов, которая будет меняться с каждой установкой из-за различий в почве, просто используйте не менее 16 радиалов. Если вы ограничены общим количеством доступной проволоки, вам лучше использовать большее количество более коротких радиалов, а не несколько длинных.
У меня не было времени запустить обширный набор экспериментов, сравнивающих различные комбинации длины и количества радиалов (каждый с одинаковой общей длиной провода), но я смоделировал эту ситуацию с помощью EZNEC.
Моделирование предсказало, особенно с короткими вертикалями, что часто выгодно уменьшить длину радиалов и увеличить их количество. Моделирование показало, что существует корреляция между высотой вертикала и оптимальной длиной противовесов.
Более подробную информацию можно найти в отчете о моделировании и в других работах.(12-15)
Раунд два — Приподнятые противовесы
За последние несколько лет было много дискуссий об относительных достоинствах наземных систем, использующих большое количество поверхностных или заглубленных противовесов по сравнению с несколькими приподнятыми. Это вытекает из моделирования NEC, которое показало, что четыре радиала, поднятых на 8 футов или около того над землей, могут быть столь же эффективны, как 120 заглубленных радиалов. Многие из нас, включая меня, просто не могли в это поверить.
Я решил, что лучшим способом решения этого вопроса будет прямое сравнение двух антенн, одной с большим количеством наземных радиалов, а другой — всего с несколькими приподнятыми радиалами. В обоих случаях использовалась одна и та же антенна, простая вертикальная 1/4-волновая. Для поверхностных тестов я использовал 1/4-волновые радиалы и варьировал их количество от 4 до 64. Для приподнятых тестов я использовал четыре 1/4-волновых радиала. Приподнятые радиалы располагались на высоте 0, 6, 12 и 48 дюймов над землей. Результаты показаны на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 — Улучшение сигнала в зависимости от числа радиалов.
Все радиалы лежат на поверхности земли, F = 7,2 МГц.

Рисунок 5 — Улучшение сигнала при четырех радиалах и основании антенны на разных высотах. F = 7,2 МГц.
Точка 0 дБ на графиках нормализована по отношению к силе сигнала для случая четырех 1/4-волновых радиалов, лежащих на поверхности (0 дБ). То, что вы видите на графиках, — это улучшение по мере того, как вы либо добавляете больше поверхностных радиалов, либо поднимаете антенну и четыре радиала над землей. Самое поразительное, что показывают графики, это то, что четыре приподнятых радиала на высоте 48 дюймов находятся в пределах 0,2 дБ от 64 радиалов, лежащих на земле. Это, по-видимому, подтверждает прогнозы моделирования NEC. Подробный обзор результатов с различными приподнятыми конфигурациями представлен на веб-сайте QST In Depth.
Раунд третий — Многодиапазонные антенны
Хотя однодиапазонные вертикалы используются часто, многодиапазонные вертикалы еще более популярны, но я не видел никаких экспериментальных работ, связанных с многодиапазонными наземными системами. Поэтому я провел некоторые из них. Эксперименты проводились в два этапа. Первый был для радиалов, лежащих на земле, а второй — для приподнятых радиалов. Они представляют собой два типичных сценария для любителей, помогая ответить на связанный вопрос: «Мне поставить антенну на заднем дворе или на крыше?»
Для этой серии тестов я использовал вертикаль SteppIR III (16). Моторизованный SteppIR можно настроить на резонанс в диапазоне от 40 до 6 метров.
Для этих экспериментов я сделал четыре набора из тридцати двух 1/4 волновых радиалов, по одному набору для каждого диапазона (40, 20, 15 и 10 метров). Затем я попробовал несколько различных конфигураций, начиная с наборов из 32 однополосных радиалов, по одному набору за раз. Таким образом, у меня была вертикальная антенна 1/4 волны над наземной системой из тридцати двух радиалов 1/4 волны на каждом диапазоне. Затем эти антенны были измерены индивидуально на каждом диапазоне. Затем я попробовал группы из четырех и восьми (всего 32) радиалов 1/4 для каждого диапазона, подключенных все одновременно. Затем я попробовал 32 радиала длиной 32 фута каждый, затем 16, 8 и 4 по 32 фута каждая.
Очевидно, что с многодиапазонной антенной вы не будете бегать к антенне и менять радиалы каждый раз, когда меняете диапазоны!
Но эти данные могут дать нам представление о любых компромиссах, возникающих в результате перехода от однодиапазонных к многодиапазонным наземным системам.
Четыре радиала на диапазон (16 радиалов в четырехдиапазонной системе), вероятно, представляют собой наиболее распространенную многодиапазонную наземную систему общего назначения как для надземных, так и для наземных радиальных систем, и мы будем использовать ее в качестве одного стандарта измерения. Я мог бы выбрать много других возможных комбинаций, но те, которые я выбрал, по крайней мере разумны.
В частности, я хотел показать, что несколько длинных радиалов не очень хорошо работают ни на земле, ни на высоте.
Противовесы, лежащие на земле
Сравнение относительной силы сигнала каждой конфигурации с радиалами, лежащими на земле, было сделано по сравнению с четырьмя радиалами на диапазон. Подробные результаты этого и следующих случаев показаны на веб-странице QST In Depth. Вкратце, однако, между случаями было мало выбора (1 дБ или меньше), пока мы не пришли к случаю с четырьмя 33-футовыми антеннами, который был на 2–4 дБ ниже стандартных четырех радиалов на диапазон.
Наилучший результат был обнаружен с 32 радиалами по 33 фута каждый, что на 0,4–1 дБ лучше нашего стандарта в зависимости от диапазона.
Однако в этом случае требуется почти в четыре раза больше провода.
В конечном счете, оказывается, что стандартная система противовесов работает просто отлично, но вы можете добавить больше провода и получить некоторое улучшение.
Вертикал и радиалы, поднятые на 48 дюймов (120 см)
И снова стандартная многополосная радиальная система из четырех приподнятых радиалов, по-видимому, работает хорошо, почти так же хорошо, как и 32 радиала по 33 фута каждый, хотя у нее есть преимущество около 1,1 дБ на 10 метрах. Однако по мере того, как мы переходим к меньшему количеству длинных радиалов, мы обнаружили проблему на 20 метрах, в которой усиление начинает быстро падать. Это связано с тем, что 33-футовые, 1/4-волновые радиалы на 40 метрах близки к 1/2-волновым радиалам на 20 метрах, представляя высокий импеданс. На восьми 33-футовых радиалах отклик на 20 метрах снижается на 4 дБ, а на четырех 33-футовых радиалах производительность была настолько плохой, что я бы не стал считать это многодиапазонной наземной системой. Четыре длинных радиала не работали хорошо даже на 15 метрах, на которых они были близки к 3/4 волновым.
Возвышенные и наземные системы противовесов
Как сравниваются возвышенные многодиапазонные и наземные радиальные системы друг с другом и с большим количеством радиалов на земле в каждом диапазоне? Хотя подробности сведены в таблицу на веб-странице In Depth, можно сделать некоторые выводы.
Различия между 32-лучевой однодиапазонной системой на земле и 4-лучевой поднятой однодиапазонной системой на каждом диапазоне невелики, как и следовало ожидать из наших предыдущих результатов.
Если мы сравним 16-лучевую многодиапазонную систему на земле с той же конфигурацией на возвышении, возвышенная система будет иметь преимущество примерно в 1 дБ на всех диапазонах. Удвоение количества радиалов на земле уменьшит разницу на 0,2–0,3 дБ. Стандартная многодиапазонная система отлично работает, если она поднята, но когда радиальные системы лежат на земле, она не так хороша. Если радиалы лежит на земле, правило заключается в том, что для достижения сопоставимых характеристик следует использовать больше радиальных лучей.
Благодарности
Я хочу выразить признательность Марку Перрину, N7MQ, и Полу Томпсону, W8EIB, за помощь, которую они оказали в полевых условиях во время этих экспериментов. Я также благодарю Майка Мертеля, K7IR, за предоставление вертикального SteppIR для этих экспериментов.
Помимо создания конструкции для VNA, используемого в этих экспериментах, Пол Кисиак, N2PK, изначально предложил мне использовать VNA для этих экспериментов, когда я ныл и ворчал о более традиционных методах. Пол также дал важную критику в нескольких моментах, чтобы я не сбился с пути.
Источники:

J. Sevick, W2FMI, “The Ground-Image Vertical Antenna,” QST, Jul 1971, pp 16-19.
J. Sevick, “The W2FMI 20 Meter Vertical Beam,” QST, Jun 1972, pp 14-18.
J. Sevick, “The W2FMI Ground-Mounted Short Vertical,” QST, Mar 1973, pp 13-19.
J. Sevick, “A High Performance 20, 40 and 80 Meter Vertical System,” QST, Dec 1973, pp 30-33.
J. Sevick, The Short Vertical Antenna and Ground Radial, CQ Communications Inc, 2003, ISBN 0-943016-22-3. This is a compendium of Sevick’s earlier work.
R. Severns, N6LF, “Experimental Determination of Ground System Performance — Part 1,” QEX, Jan/Feb 2009, pp 21-25; Part 2, Jan/Feb 2009, pp 48-52; Part 3, Mar/Apr 2009, pp 29-32; Part 4, May/June 2009, pp 38-42; Part 5, Jul/Aug 2009, pp 15-17; Part 6, Nov/Dec 2009, pp 19-24, and Part 7, Jan/Feb 2010, pp 18-19.
R. D. Straw, Editor, The ARRL Antenna Book, 21st Edition, pp 3-11 to 3-32. Available from your ARRL dealer or the ARRL Bookstore, ARRL order no. 9876. Telephone 860-5940355, or toll-free in the US 888-277-5289; www.arrl.org/shop; pubsales@arrl.org.
R. Severns, N6LF, “Verticals, Ground Systems and Some History,” QST, Jul 2000, pp 38-44.
www.arrl.org/qst/qstindepth.
A. Doty, K8CFU, “Improving Vertical Antenna Efficiency,” CQ, Apr 1984, pp 24-31.
Several versions of EZNEC antenna modeling software are available from developer Roy Lewallen, W7EL, at www.eznec.com.
Rudy Severns, N6LF, “Vertical Height Versus Radial Length,” 2008. Available at www.antennasbyn6lf.com.
J. Stanley, K4ERO, “Optimum Ground Systems for Vertical Antennas,” QST, Dec 1976, pp 13-15.
R. Sommer, N4UU, “Optimum Radial Ground Systems,” QST, Aug 2003, pp 39-43.
A. Christman, K3LC, “Maximum Gain Radial Ground Systems for Vertical Antennas,” NCJ, Mar/Apr 2004, pp 5-10.
www.steppir.com

Об авторе
Руди Севернс, N6LF, получил первую лицензию WN7WAG в 1954 году и имеет лицензию Amateur Extra с 1959 года. Он является консультантом по проектированию силовой электроники, магнитных компонентов и оборудования для преобразования энергии. Руди имеет степень бакалавра наук в области электротехники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Он является автором трех книг, более 90 технических статей и бывшим редактором QEX. Руди является пожизненным членом ARRL и членом IEEE. Вы можете связаться с Руди по адресу PO Box 589, Cottage Grove, OR 97424 или по адресу n6lf@arrl.net.
QST March 2010
Перевод Николая Большакова (RA3TOX) для сайта "Радиофанат"

[ На главную ] [ Антенны ]

Количество радиалов	Нормализовано по четырем 33-дюймовым радиалам (дБ) 33-дюймовые радиалы	Нормализовано по четырем 33-дюймовым радиалам (дБ) 21-дюймовые радиалы	Изменение усиления (дБ)
4 8 16 32	0 2,26 3,76 4,16	3,08 3,68 3,95 4,04	+3,08 +1,42 +0,19 –0,12