Ветвь “дельт”
L. B. Cebik, W4RNL
Я долго искал способ, как бы разумно организовать материал в серии о самодостаточных проволочных антеннах вертикальной поляризации (антеннах SCV), наконец, меня осенило, ведь: типы антенн сами по себе образуют ядро “семейных” ответвлений. Хотя, среди трёх основных ветвей: “дельт”, прямоугольников и отрытых (незамкнутых) антенн много параллелей, но практика всё-таки, требует сделать выбор: какую антенну Вы собираетесь ставить? “Дельты” хороши там, где на высоте есть только одна опорная точка. Прямоугольники занимают меньше всего места в расчёте на высоту и длину и больше всего подходят для диапазона 160 метров. “Полуквадраты” – самые высокие и самые широкие антенны, поэтому более удобны на диапазоне 40 метров.
Итак, я решил рассмотреть каждую ветвь семейства антенн отдельно и просто обратить Ваше внимание на похожесть “родственников”, где это необходимо. В наше время “дельты” исправно трудятся, популярны. Заострим наше внимание на конфигурациях этих антенн с вершиной, расположенной сверху, как на более часто употребляющиtся на практике. Подъём горизонтальной части вверх (переворачивание) несколько увеличивает усиление антенны, расположенной над землёй. Однако, для поднятия на высоту среди антенн SCV есть более достойные кандидаты.
В качестве напоминания из первой части (группового семейного портрета), главной причиной использования антенн типа SCV является получение малого угла излучения к горизонту, с небольшим излучением под большими углами, или, при полном отсутствии оного; под большими углами приходит большинство QRM и QRN, которые в той или иной мере маскируют слабые сигналы DX станций. Большинство SCV антенн значительно проигрывают в усилении диполю, но “обходят” его по более пологому углу излучения к горизонту, если только диполь расположен, по меньшей мере, на высоте в полволны. Для любого данного угла излучения, необходимая высота подвеса диполя, чтобы сравняться с антенной SCV, изменяется с присущим SCV усилением и остаётся под вопросом. “Дельты” являются членами семейства антенн SCV, обладающими минимальным усилением [ 1 ].
Figure 1. Две наиболее часто встречающиеся формы “дельт”: равносторонняя и прямоугольная.
Как показано на рисунке Figure 1, “дельты”, обычно, применяют двух форм: равносторонняя и прямоугольная. Давно-давно было обнаружено, что прямоугольная “дельта” даёт немного больше усиления, чем равносторонняя (3,3 dBi, против, 2.9 dBi (по отношению к изотропному излучателю) в свободном пространстве на диапазоне 40 метров). Тем более, будучи запитанными в точке, отстоящей на четверть волны от вершины, антенны дают разные импедансы точки питания: равносторонняя “дельта – около 115 Ом, прямоугольная – около 50 Ом, что удобно для прямого питания коаксиальным кабелем. Заметьте, что точка питания равносторонней “дельты” находится на одной из её “ног”, на расстоянии в 25% по ней снизу, чтобы обеспечить длину проводника в четверть волны от вершины антенны. Для подобного же размещения точки питания прямоугольной “дельты” необходимо “подняться” по одной из её “ног”, всего, на 12%.
Однако, не ясно, является ли прямоугольная “дельта” окончательной формой в достижении максимального усиления в системе треугольников с вершиной расположенной на высоте. Если кто-то возьмёт да и уменьшит высоту треугольника и вытянет нижнюю горизонтальную сторону с целью компенсации, чтобы “вогнать в резонанс”, то полученное усиление антенны будет находиться в пределах от такового у равностороннего до прямоугольного варианта треугольника (“дельты”). В действительности, в модели для свободного пространства можно довольно в больших пределах укорачивать одни стороны и, соответственно, удлинять для компенсации другие, пока усиление сойдёт с точки его максимума в свободном пространстве (такое же положение вещей сохраняется и на практике над поверхностью земли). На рисунке Figure 2 показана эта прогрессия. При определённом размере, рост усиления, вызванный переносом точки питания и противоположной ей точки на противоположные наклонные стороны, на расстоянии, примерно, в полволны друг от друга, исчерпывает себя, из-за уменьшения излучения вертикальной поляризации в силу изменения скатов верхних проводников.
Figure 2. Прогрессия формы “дельты” к максимальному усилению и далее.
Интересно, что соотношение нижней горизонтальной стороны к высоте от основания до вершины для получения максимального усиления частотозависимо. Если мы примем за R соотношение между длиной нижней горизонтальной части антенны и её высотой, а за F - частоту в МГц, то:
Это приблизительное уравнение было выведено для использования с антеннами, выполненными из медного провода #12 по стандарту AWG и выполняется достаточно хорошо на протяжении всех КВ диапазонов. Значительное изменение наблюдается лишь при приближении к частотам 2-метрового диапазона, где провод #12 становится уже значимой частью длины волны.
Для диапазона 40 метров самым подходящим соотношением длины к высоте следует считать, примерно, 2,9:1, на 80 метрах - 2,6:1. (У прямоугольной “дельты”, конечно же, соотношение равно 2:1, у равносторонней - 1.15:1. Потери, по отношению к максимальному усилению, составляют лишь несколько десятых долей дБ). При росте соотношения длина/высота, импеданс в точке питания падает. В диапазоне 80 метров, при резонансе, активное сопротивление составляет 27 Ом, тогда как “дельта” с более радикально наклоненными проводниками на диапазон 40 метров при максимальном усилении имеет импеданс в точке питания равный 22 Ом. Взамен падения импеданса в точке питания, максимально возможное усиление “дельт” возрастает на, примерно: 3.26 dBi в диапазоне 80 и 3.43 dBi в диапазоне 40 метров (dBi – дБ по отношению к изотропному (имеющему всенаправленное излучение) излучателю – UA9LAQ).
Практическая форма “дельты”, в большой степени, зависит от наличия свободного места для её размещения. Высокие мачты или деревья и узкие дворы способствуют применению равносторонних (или близких к ним) треугольников, в то время как, более низкие места крепления антенны и большие дворы дают возможность применять прямоугольные (или близкие к ним треугольники). Но все эти антенны работают над почвой, свойства которой изменяются. Поскольку это отражается на поведении антенн, давайте рассмотрим поподробнее два наиболее часто употребляемых типа “дельт”.
Равносторонняя “дельта”
Поскольку равносторонние “дельты” на диапазоны 80 и 40 метров (диапазоны, где их применение общепринято) имеют разное процентное отличие от конфигурации максимального усиления, то нельзя заранее дать численное значение этого параметра. Импедансы в точке питания двух антенн, практически, одинаковы, если исходить из размеров антенн и высоты их подвеса над землёй. Однако, имеются примеры, когда усиление и угол излучения к горизонту существенно отличаются от обычных.
Я смоделировал в NEC-4 ряд равносторонних “дельт” 80-метрового (3,6 МГц) диапазона, нижняя сторона которых поднималась ступенями по 10 футов на высоты от 10 до 70 футов [ 2 ]. Поскольку модель имела ширину 96 и высоту 83 фута, как показано на рисунке Figure 3, максимальная высота в 153 фута представляется разумно максимальной. Над большинством типов грунтов, этого даже слишком много для максимальной оптимальной работы SCV антенн.
Figure 3. Размеры смоделированных равносторонних “дельт” на диапазоны 80 и 40 метров.
В таблицу Table 1 сведены результаты изыскания для очень плохой, плохой, умеренной и хорошей почв в общепринятой форме: проводимости и диэлектрической постоянной:
В самом начале тестирования предполагается, что мы имеем дело с обычной почвой на протяжении многих длин волн, в любом направлении от антенны, и, как всегда, в моделировании, уровень, неразбитость (постоянство) грунта.
Для каждого типа почвы, высота антенны, при которой достигается максимальное усиление, подчёркиваю, - различна. Над очень плохой почвой, максимальное усиление не может быть достигнуто, согласно табличным рамкам, для плохой почвы максимум усиления наступает при подвесе нижней горизонтальной части антенны на высоте 60 футов. При хорошей почве, эта высота снижается до 40 футов, а при отличной, снова, возрастает до 60 футов. Отсюда, если имеющаяся у Вас под ногами почва отличается от усреднённой, то обобщения, основанные на этой почве могут быть ошибочными (как в прямом, так и в переносном смысле – UA9LAQ).
Вертикальный угол максимального излучения (угол излучения к горизонту) ведёт себя вполне предсказуемым образом. Для любой высоты подвеса основания антенны, угол излучения к горизонту уменьшается с повышением качества грунта. Напротив, импеданс в точке питания антенны лишь чуть-чуть реагирует на смену типа почвы. Даже на самых малых высотах подвеса, где влияние земли максимально, весь спектр почв может изменять импеданс только на 10 Ом (около 5%) активной составляющей импеданса в точке питания.
Равносторонняя “дельта” 40-метрового диапазона имела ширину 48,5 фута и высоту 42 фута, как показано на рисунке Figure 3. Я “гонял” её с 5-футовыми интервалами подвески основания по высотам от 5 до 50 футов на частоте 7,15 МГц. Результат приведён в таблице Table 2. (При желании сравнить две таблицы, увеличьте высоту данных ввода версии 40-метрового диапазона вдвое, чтобы получить примерное соответствие данных для 80-метрового диапазона). Ещё раз повторяю, что высота для получения максимального усиления при очень плохой почве не может быть достигнута. Высоты максимального усиления для плохой почвы 35-40, для средней почвы 25-30, для очень хорошей почвы - 25 футовРавносторонняя “дельта” 40-метрового диапазона имела ширину 48,5 фута и высоту 42 фута, как показано на рисунке Figure 3. Я “гонял” её с 5-футовыми интервалами подвески основания по высотам от 5 до 50 футов на частоте 7,15 МГц. Результат приведён в таблице Table 2. (При желании сравнить две таблицы, увеличьте высоту данных ввода версии 40-метрового диапазона вдвое, чтобы получить примерное соответствие данных для 80-метрового диапазона). Ещё раз повторяю, что высота для получения максимального усиления при очень плохой почве не может быть достигнута. Высоты максимального усиления для плохой почвы 35-40, для средней почвы 25-30, для очень хорошей почвы - 25 футов. Эта линейная тенденция к снижению высоты отличается от ломаной для антенны диапазона 80 метров.
При большинстве высот подвеса основания антенны, усиление равносторонней “дельты” 40-метрового диапазона над средней почвой не дотягивает до усиления над плохой почвой. Однако, угол излучения к горизонту для каждого уровня почвы показывает нормальную прогрессию снижения при улучшении качества грунта для любой высоты подвеса основания (горизонтального нижнего элемента) антенны. Тем более, импедансы в точке питания также показывают нормальную прогрессию для любой из данных высот от одного типа почвы к другому, лучшему. Короче, использование в качестве образца средней почвы для моделирования характеристик равносторонней “дельты” диапазона 40 метров “выдаёт” небольшой недостаток длины антенны.
Figure 4. Типичная ДН для равносторонней “дельты” ниже, на высоте и выше высоты максимального усиления.
Хотя невозможно создать единую обобщающую форму ДН для каждого типа почвы, некоторые общие моменты, всё же, возможны. Как показано на рисунке Figure 4, ДН на высотах подвеса основания антенны много ниже высоты максимального усиления имеют форму луковицы с большим углом излучения к горизонту. ДН в вертикальной плоскости на высоте максимального усиления имеют тенденцию к показу первых признаков второго лепестка, который направлен под большим углом к горизонту. На высотах, где усиление значительно отклоняется от своего максимального значения, вторичный лепесток ДН имеет уже значительную величину. На этих высотах преимущество антенны теряется: подавление QRN и QRM, приходящих под большими углами исчезает, что усугубляет и эффект от низкого усиления антенны. В общем, для каждого типа почвы или её точной аппроксимации, лучше подвешивать основание антенны на высоте максимального усиления или немного ниже этой высоты.
Прямоугольная “дельта”
Поскольку прямоугольные “дельты” по конфигурации ближе к соотношению длина/высота, необходимому для максимального усиления, то они дают большее усиление, чем соответствующие равносторонние, при любой высоте подвеса основания антенны. Размеры для прямоугольной “дельты” диапазона 80 метров даны на рисунке Figure 5. Длина основания - 120 футов, высота – 60 футов.
Figure 5. Размеры смоделированных прямоугольных “дельт” на диапазоны 80 и 40 метров.
Поскольку прямоугольная “дельта” короче равносторонней, антенна диапазона 80 метров была смоделирована при высотах подвеса основания (горизонтального провода) от 10 до 90 футов, без превышения вершиной антенны отметки в 150 футов. Результаты сведены в таблицу Table 3 для 4 типов почвы. Сразу очевидно большее усиление на меньших высотах и большее максимально достигаемое усиление на каждой высоте. (Видимо, в сравнении с равносторонней “дельтой”).
Также очевиден факт, что высота максимального усиления делает примерно параллельной ДН, приведённую для равносторонней “дельты” диапазона 80 метров. Высота максимального усиления над средней почвой меньше, чем таковая как над плохой, так и над очень хорошей почвой. Несмотря на это, прогрессии импеданса в точке питания и угла излучения к горизонту – нормальные.
Одним из решающих факторов для прямоугольной антенны “дельта” является совместимость импеданса в точке питания с питающими кабельными коаксиальными линиями питания. Поскольку используемые модели основаны на моделировании в свободном пространстве, то модель не очень хорошо согласуется с коаксиальным кабелем при высотах подвеса основания антенны менее 40 футов.
Раскладка прямоугольной “дельты” на диапазон 40 метров основана на резонансной модели антенны в свободном пространстве, имеющей размеры: 60,8 фута – длина нижней стороны (основания), 30,4 фута – высота. Модель была “прогнана” по высотам подвеса основания с интервалом в 5 футов до высоты в 50 футов, которая находится у точки, когда лепестки, расположенные под большими углами начинают доминировать в ДН антенны. Ещё раз напоминаю, как указано в таблице Table 4, усиление над средней землёй аномально мало, по отношению к усилению над плохой и очень хорошей землёй. Однако, прогрессии углов излучения к горизонту и импедансов регулярны при улучшении качества грунта. Дополнительно, ДН в вертикальной плоскости подчиняются тем же общим законам, как и для равносторонней “дельты”. Рекомендуемая рабочая высота подвеса основания антенны для получения максимально возможного усиления, и исключения появления значительных по величине лепестков (под большими углами) ДН, находится на значении максимума усиления или чуть ниже этой высоты относительно типов грунта.
Как и прямоугольная “дельта” на диапазон 80 метров, такая же антенна, но на диапазон 40 метров приближается к совместимости с коаксиальными кабелями довольно быстро, по мере роста высоты подвеса (основания) антенны. На деле, высота подвеса в 15 футов, - вот всё, что нужно для прямого питания коаксиальным кабелем, хотя и “балун”, здесь явно не помешает и даст точку питания с максимальным излучением вертикальной поляризации.
Прямоугольная “дельта”: импеданс в точке питания
Размеры: длина - 120, высота – 60 футов, в свободном пространстве, на частотах 3,5…4,0 МГц
Активное сопротивление – реактивное сопротивление
Figure 6. Активное и реактивное сопротивления в точке питания смоделированной прямоугольной “дельты” 80-метрового диапазона при изменении частоты по диапазону.
На рисунке Figure 6 показано изменение импеданса в свободном пространстве у прямоугольной “дельты” 80-метрового диапазона при изменении частоты по диапазону. На рисунке Figure 7 показано то же, но для диапазона 40 метров. В обоих случаях, считывайте значение активной компоненты импеданса с левой оси Y, значение реактивной - с правой оси Y.
Прямоугольная “дельта”: импеданс в точке питания
Размеры: длина – 60,8, высота – 30,4 фута, в свободном пространстве, в диапазоне частот 7,0…7,3 МГц
Figure 7. Активное и реактивное сопротивления смоделированной прямоугольной “дельты” 40-метрового диапазона, при изменении частоты по диапазону.
На 80-метровом диапазоне активная компонента импеданса изменяется в целом на 26 Ом в диапазоне согласования с коаксиальными кабелями. На более узком 40-метровом диапазоне изменение составляет только около 5,6 Ом. Прямоугольная “дельта”, судя по активному сопротивлению в точке питания, действительно, стабильная антенна.
На обоих диапазонах реактивность по диапазону изменяется в более широких пределах: 126 Ом - на 40 метрах и более 475 Ом – на 80 метрах. Однако, в обоих случаях, реактивность изменяется линейно с изменением частоты. Если принять реактивность индуктивного характера на самой низкой рабочей частоте, то может появиться возможность установки дистанционно управляемого конденсатора для компенсации этой реактивности, что позволит сохранить импеданс в обоих случаях активным и в диапазоне согласования при прямом питании коаксиальными кабелями.
В диапазоне 80 метров, только очень хороший конденсатор может обеспечить работу на большинстве частот, но не на всём диапазоне. В диапазоне 40 метров большая часть диапазона может быть с КСВ 2 : 1 без каких-либо согласующих элементов. В некоторых случаях, встроенные в трансиверы тюнеры могут послужить в качестве компенсаторов, поскольку потери в коаксиальных кабелях на низкочастотных диапазонах малы. Однако, к аппаратуре, чувствительной даже к небольшим ухудшениям КСВ, к многочисленным РА, например, рекомендуется устанавливать внешние согласующие устройства.
Улучшение местной земли
Вопрос как улучшить качество земли возник в умах конструкторов, почва под ногами которых (а точнее под воздвигаемой антенной) оставляла желать лучшего, а повышение эффективности работы антенной системы невозможно было и мыслить без локального улучшения земли [ 3 ]. Ответ на вопрос заключается в том, свойствами какого количества земли в силах управлять воздвигающий антенну, и насколько высоко подвешена антенна.
Повышение качества земли может включать применение радиальных противовесов, и не стоит стесняться применять настраиваемую радиальную систему (противовесов), как требуется, например, в случае с вертикальным штырём. Улучшение качества почвы может включать размещение под антенной (антенна в центре) металлической сетки или другой, менее регулярной, совокупности проводов.
Чтобы посмотреть, какие возможности в этом плане предлагает моделирование, я взял равностороннюю и прямоугольную “дельты” 80-метрового диапазона и расположил их над очень плохой землёй. Затем, я создал (виртуально – UA9LAQ) зону очень хорошей земли с антенной в центре её (под антенной). На первом этапе я использовал зону радиусом 0,25 длины волны, что не выходило за пределы антенны. Вторым этапом было создание зоны с радиусом 0,5 длины волны, что, кроме увеличения радиуса противовесов до 0,5 длины волны ничего не дало в смысле улучшения характеристик антенны. Опытные модели размещались на высотах подвеса в 20, 40 и 60 футов.
Результаты исследования сведены в таблицу Table 5 - для равносторонней и в таблицу Table 6 - для прямоугольной “дельт”. При сравнении таблиц можно обнаружить много интересного. Во-первых, короткая зона улучшенного грунта может, на практике, ухудшить характеристики антенны от желаемых в плане усиления и угла излучения к горизонту. Этот эффект распространяется и на большую зону улучшения качества земли при увеличении высоты подвеса антенны.
В нижерасположенных таблицах антенна расположена над очень плохим грунтом (землёй)(C=0.001; DC=5) на неопределённо большом расстоянии и во всех направлениях от антенны. Улучшение земли вблизи антенны на расчётном радиусе достигается до уровня очень хорошей земли (C=0.0303; DC=20).
Во-вторых, уровень, требуемый для достижения максимального усиления (эквивалентного таковому при неограниченной зоне очень хорошей земли) короче для прямоугольной “дельты”, чем для равносторонней. Поскольку были проверены только точки с интервалами в 0,5 длины волны, в таблице не даны точные данные, где будет получено максимальное усиление над очень хорошей землёй. Однако, разница в полволны присуща и данным на всех высотах подвеса антенны. По крайней мере, частично, разница появляется и обусловлена высотой точки питания током в антеннах. Точка питания в прямоугольной “дельте” находится выше основания, примерно, на 7 футов, а таковая у равносторонней – на 20 футов выше основания. Эти различия сообразны с разностями изменения высот, размеров зоны улучшения земли для достижения максимального усиления.
Figure 8. ДН в вертикальной плоскости равносторонней “дельты” над: а) неограниченной очень хорошей землёй; b) над участком очень хорошей земли в окружении очень плохой.
В-третьих, максимально достижимое усиление - это то усиление, что достигается, над равномерной очень хорошей землёй, простирающейся от антенны до дальнего края зоны Френеля (Fresnel zone). Однако, это не означает, что характеристики будут полностью эквивалентны. На рисунке Figure 8 показаны ДН в вертикальной плоскости двух одинаковых “дельт”, расположенных на одинаковых высотах подвеса над землёй. Одна из них смоделирована над неограниченной поверхностью очень хорошей земли, другая – над участком очень хорошей земли в 2,5 длины волны в окружении очень плохой земли. Хотя верхние части обеих ДН идентичны, область ниже угла максимального излучения приобретает недостаточность в случае улучшения части земной поверхности под антенной. Отсутствует излучение, как раз, под малыми углами к горизонту, так желаемое теми, кто строит SCV антенны.
Figure 9. Типичные ДН в горизонтальной плоскости для равносторонней (EQ) и прямоугольной (RA) “дельт” при вертикальном угле максимального излучения.
ДН антенн SCV в горизонтальной плоскости, как можно было заметить, представляют собой широкие овалы, они показаны на рисунке Figure 9. Прямоугольная “дельта”, кроме прописного преимущества в усилении, перед равносторонней, даёт ещё и небольшое преимущество в подавлении излучения вбок. Однако, обе ДН должны быть представлены как широкие овалы с подавлением излучения вбок только на 4…5 дБ по отношению к лепесткам главного излучения. Это характерно для SCV “дельт”.
Вариаций “дельт” – пруд пруди, но мы их не будем касаться. Большинство вариантов выполнены с целью повышения импеданса в точке питания с использованием либо нижнего угла, либо центра нижней стороны. Эти разработки полностью теряют доминирование вертикальной составляющей излучения (вертикальную поляризацию), коль скоро точка питания антенн “уезжает” с точки ¼ длины волны вниз от вершины треугольника. На общей результирующей ДН появляется увеличение усиления, но также растёт и угол излучения к горизонту. Однако “дельта” в этих конфигурациях имеет тенденцию работать лучше в качестве многодиапазонной, питаемой симметричной линией передачи через антенный тюнер. Дополнительно, конструкция антенны несколько упрощается механически.
Поскольку у нас сейчас “душа болит” за SVC-антенны, мы не будем рассматривать эти вариации, и в следующий раз обратимся к другому члену семейства, достойно носящему название SCV-антенны.
Литература
1 Эти заметки нужно считать как небольшое дополнение к прекрасному материалу, изложенному в: John Devoldere, ON4UN, Antennas and Techniques for Low-Band DXing, 2nd Ed. (Newington: ARRL, 1994), особенно глава 10, "Large Loop Antennas," pp. 10-5 to 10-10. Любой, заинтересованный в работе в соревнованиях или с DX на диапазонах 160..40 метров должен иметь экземпляр этой замечательной книги у себя дома.
2 Всё моделирование здесь было выполнено в среде программ EZNEC Pro, версии NEC-4, которую можно приобрести у W7EL. Везде использовалась основная система Sommerfeld-Norton.
3 Смотрите также: Low-Band DXing, pp. 9-8 to 9-9 and 9-30 to 9-31. В отличие от Devoldere’а, я предпочитаю называть явление “улучшением грунта”, нежели введением радиальной системы противовесов. Совсем не понятно как нашпиговывание подземельного пространства под антенной приведёт к тому, что мы называем очень хорошей землёй. Поэтому я взял да и применил давно устоявшиеся цифры, характеризующие такую землю (C=0.0303; DC=20).
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)
ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июнь, 2004 г