Распродажа

Электронные компоненты со склада по низким ценам, подробнее >>>

Журнал Радио

2004: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
2003: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
2002: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
2000: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
1999: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
1998: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
1971: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
1947: 
1, 2, 3, 4, 5
1946: 
1, 2, 3, 4-5, 6-7, 8-9

Новости электроники

В 14 раз выросло количество россиян на MediaTek Labs ? проекте по созданию устройств "интернета вещей" и "носимых гаджетов"

Сравнив статистику посещения сайта за два месяца (ноябрь и декабрь 2014 года), в MediaTek выяснили, что число посетителей ресурса из России увеличилось в 10 раз, а из Украины ? в 12. Таким образом, доля русскоговорящих разработчиков с аккаунтами на labs.mediatek.com превысила одну десятую от общего количества зарегистрированных на MediaTek Labs пользователей.

Новое поколение Джобсов или как MediaTek создал свой маленький "Кикстартер"

Амбициозная цель компании MediaTek - сформировать сообщество разработчиков гаджетов из специалистов по всему миру и помочь им реализовать свои идеи в готовые прототипы. Уже сейчас для этого есть все возможности, от мини-сообществ, в которых можно посмотреть чужие проекты до прямых контактов с настоящими производителями электроники. Начать проектировать гаджеты может любой талантливый разработчик - порог входа очень низкий.

Семинар и тренинг "ФеST-TIваль инноваций: MAXIMум решений!" (14-15.10.2013, Новосибирск)

Компания Компэл, приглашает вас принять участие в семинаре и тренинге ?ФеST-TIваль инноваций: MAXIMум решений!?, который пройдет 14 и 15 октября в Новосибирске.

Мне нравится

Комментарии

дима пишет в теме Параметры биполярных транзисторов серии КТ827:

люди куплю транзистар кт 827А 0688759652

тамара плохова пишет в теме Журнал Радио 9 номер 1971 год. :

как молоды мы были и как быстро пробежали годы кулотино самое счастливое мое время

Ивашка пишет в теме Параметры отечественных излучающих диодов ИК диапазона:

Светодиод - это диод который излучает свет. А если диод имеет ИК излучение, то это ИК диод, а не "ИК светодиод" и "Светодиод инфракрасный", как указано на сайте.

Владимир пишет в теме 2Т963А-2 (RUS) со склада в Москве. Транзистор биполярный отечественный:

Подскажите 2т963а-2 гарантийный срок

Владимир II пишет... пишет в теме Параметры биполярных транзисторов серии КТ372:

Спасибо!

Журнал Радио 8 номер 2004 год.

"РАДИО" ≈ О СВЯЗИ

Несимметричный вертикальный вибратор

И. Гончаренко (DL2KQ - EU1TT),
г. Бонн, Германия 

 Хотя популярная радиолюбительская шутка и утверждает, что вертикал — "это антенна, излучающая одинаково плохо во всех направлениях", вертикальные антенны остаются одними из самых распространенных, поскольку имеют благоприятную диаграмму направленности (ДН) и занимают минимум места. В публикуемой статье автор подробно анализирует свойства и особенности вертикальных антенн, обращая особое внимание на их оптимизацию применительно к радиолюбительским условиям.

Вертикальный вибратор в свободном пространстве

Несимметричный вертикальный вибратор принято называть GP (аббревиатура от ground plane — "плоская земля"). Название это неудачно (не отражает принципа действия), но прижилось, поэтому мы тоже будем его придерживаться, но лучше забыть его расшифровку — она лишь мешает. В ходу также название "вертикал" (от английского vertical), точнее — несимметричный вертикальный вибратор. Он отличается от симметричного только тем, что точка питания расположена с нижнего края вибратора.

Но антенна (как нагрузка для тока фидера) должна иметь две клеммы. Одна — нижний конец вибратора. А второй провод фидера куда девать? Оставить свободным нельзя — току некуда будет течь. Значит, нужно какое-то устройство, принимающее на себя ток второго провода линии и замыкающее цепь питания антенны. Это токоприемное устройство само не должно излучать (почему это желательно, скажем ниже). Им является идеальная земля — ток она принимает любой, а сама не излучает. Но здесь мы рассматриваем GP в свободном пространстве, где земли нет и надо самим делать токоприемное устройство.

Простейшим таким устройством служит провод длиной в λ/4. На расстоянии λ/4 от свободного конца провода ток максимален. Таким образом, провод длиной λ/4 (называемый еще противовесом или радиалом), подключенный ко второй клемме питающей линии, может принять на себя ток вертикала. Но один противовес будет излучать (по нему же ток течет), а нам это не нужно. Чтобы подавить излучение одного горизонтального противовеса, диаметрально напротив него располагают второй такой же. Токи в противовесах получаются равными по величине, но противоположно направленными в пространстве, т. е. противофазными. В результате излучение противовесов почти полностью компенсируется и система из двух противовесов, принимая ток вертикала, практически ничего не излучает.

Остаточное излучение системы из двух противовесов мало (более чем на 12 дБ ниже излучения самого GP), но для пущей симметрии и снижения излучения используют четыре противовеса (две пары, скрещенные под углом 90°). При этом излучение системы противовесов более чем на 40 дБ ниже излучения вертикала и дальнейшее увеличение числа противовесов (в свободном пространстве) лишено всякого смысла. Число противовесов может быть и нечетным, главное — обеспечить их осевую симметрию. Скажем, три противовеса, равномерно распределенных по окружности через 120°, излучать практически не будут (излучение на 25 дБ ниже излучения вертикала). Но те же три противовеса, распределенных неравномерно, например, с азимутальными углами 0, 90 и 180°, сильно излучают. То же относится и к четырем противовесам при их неравномерном распределении — потеря осевой симметрии системы противовесов всегда кончается их излучением.

Везде в дальнейшем, если не оговорено особо, предполагается, что каждый из вертикалов снабжен осесимметричной системой из четырех горизонтальных противовесов длиной λ/4.

В свободном пространстве GP имеет следующие свойства:

  1. При высоте штыря от 0,1 до 0,625λ его ДН и усиление (Ga) изменяются мало.
  2. При дальнейшем увеличении высоты ДН задирается вверх и становится непригодной для дальних связей. Поэтому GP длиннее 0,625λ. на практике не используются (имеется в виду однородный штырь, без включенных в него реактивностей или отрезков линий).
  3. Максимум Ga для вертикалов короче 0.625А, достигается при высоте 0.55А, и составляет 2,14 дБи (децибел относительно изотропного излучателя), а для вертикала высотой 0.625λ, — лишь 1,9 дБи. Это хорошо известно производителям антенн — большинство штырей СВ диапазона, несмотря на названия "5/8λ,", имеют высоту именно 0.55λ..

Графики зависимостей реактивной (jXa) и активной (Ra) частей входного импеданса GP для двух разных отношений удвоенной высоты GP I к его диаметру d, от отношения физической высоты вибратора к длине волны X показаны на рис. 1 и рис. 2

Входное сопротивление GP становится чисто активным дважды: сначала при высоте около 0,25л, потом — около 0,5л.

Это называется, соответственно, четвертьволновым и полуволновым резонансом. На четвертьволновом резонансе входное сопротивление GP низкое, 20...23 Ом. На полуволновом резонансе GP RRX высокое, сотни Ом...единицы кОм. Коэффициент укорочения (Ку) при четвертьволновом резонансе близок к единице. Даже для "толстых" λ/4 штырей (l/d= 10) Ку = 0,99.

Для полуволнового же GP из-за наличия двух точек (вверху и внизу) с максимумами напряжения Ку ведет себя так же, как для симметричного полуволнового вибратора — меняется от 0,96 при отношении l/d = 10000 до 0,8 при l/d = 100. Увеличение диаметра вертикала снижает активное сопротивление на полуволновом резонансе и намного уменьшает реактивную часть входного сопротивления. Это снижает добротность вертикала и расширяет рабочую полосу BW. Так, для GP высотой λ/4 с l/d = 10000 относительная полоса (отношение полосы к центральной частоте) BW= 3,17%, а для GP с l/d = 100 BW = 6,2%, т. е. вдвое ниже, чем для симметричного полуволнового диполя. Но это и понятно — размер несимметричного вибратора с высотой λ/4 вдвое меньше, чем симметричного полуволнового диполя, а более короткие антенны всегда имеют меньшую полосу.

Влияние идеальной земли на усиление и ДН

Вопрос о влиянии земли на вертикальный вибратор сложен, поэтому изучать его мы будем по частям. Здесь речь пойдет о вертикале над идеальной землей.

Суммарное поле антенны складывается как сумма двух волн — непосредственно излученной антенной и отраженной от земли (следствие протекающих по земле ВЧ токов). Отраженную от земли волну можно представить как действие отраженного в земле "зеркального" мнимого вибратора (подержите фонарик над зеркалом, лежащим горизонтально на столе — в зеркале вы увидите отраженный, мнимый фонарик).

Особо отмечу, что отражение от земли происходит в очень большом радиусе, намного превосходящем размер GP противовесов. Пусть высота верхнего края вертикального вибратора над землей равна Н. Ориентировочно можно считать, что ДН антенны под зенитными углами выше 30° определяется отражением от земли в радиусе 1,5Н. Излучение для углов 10...30° — отражением от земли в кольце с малым радиусом 1,5Н и большим 5,5Н. Для зенитных углов 5... 10° — отражением от земли в кольце с малым радиусом 5,5Н и большим 12Н. Излучение ниже 5° — отражением от земли, лежащей за пределами круга с радиусом 12Н, т. е. весьма и весьма далеко от GP.

ДН GP над идеальной землей зависит как от длины штыря, так и его высоты подвеса (под ней понимается высота системы противовесов над землей). При малой высоте ДН имеет один лепесток, прижатый к земле. По мере роста высоты подвеса GP в ДН появляются дополнительные лепестки под более высокими углами, но первый, примыкающий к земле лепесток всегда остается самым большим (только при идеальной земле!).

Зависимость Ga от отношения высоты подвеса к длине волны H/λ для трех наиболее распространенных длин GP приведена на рис. 3.

Обратим внимание на следующее:

1. При нулевой высоте (вертикал на земле) мнимый "зеркальный" штырь явяется симметричным продолжением реальной антенны, удваивающим ее размеры. Поэтому и ДН для λ/4 GP в этом случае аналогична половинке ДН λ/2 симметричного диполя в свободном пространстве, для λ/2 GP — половинке ДН симметричного волнового диполя, а для GP 5λ/8 — половинке ДН диполя длиной 1,25л.. ДН GP имеет вид половинки от ДН симметричного вибратора потому, что под землю излучения нет. И по этой же причине усиление выше на 3 дБ (ту же самую мощность GP излучает не во всю сферу, а только в ее верхнюю половину, и поэтому плотность потока мощности удваивается, что как раз и составляет 3 дБ). Смотрите, для л/4 GP на рис. 3 при нулевой высоте Ga = 5,14 дБи — это точно на 3 дБ больше Ga симметричного λ/2 диполя в свободном пространстве.

2. При подъеме над землей штыри разной длины ведут себя по-разному. Для λ/Л GP усиление быстро растет, достигая значения 8,1 дБ при высоте подвеса 0.35Л,. При дальнейшем росте высоты идут небольшие колебания Ga вокруг значения на 6 дБ большего, чем Ga этого же штыря в свободном пространстве, т. е. 6+ 1,57-7,57 дБи.

3. Для 5Я./8 GP по мере роста высоты усиление только падает. Максимум Ga = 8,14 дБи в данном случае соответствует нулевой высоте. Следовательно, поднимать штырь 5λ/8 над идеальной землей совершенно незачем. Кроме падения усиления это ничего не даст.

4 Для 0,55λ GP ситуация промежуточная. Максимум Ga = 8,37 дБи в данном случае соответствует высоте в 0,15λ. При росте высоты наблюдаются колебания Ga вокруг значения на 6 dB большего, чем Ga этого же штыря в свободном пространстве, т. е. 6 + 2,1 - 8,1 дБи.

Причина прибавки Ga на 6 дБ над идеальной землей — сложение в фазе двух волн: изученной антенной и отраженной от земли.

Влияние реальной земли на усиление и ДН

В отличие от идеальной земли с бесконечной проводимостью, реальная земля имеет конечную проводимость (то есть активные потери). Для вертикального вибратора это приводит к отличиям от случая идеальной земли:

  1. Снижается ток в "зеркальной" антенне из-за ухудшения отражающих свойств и уменьшения амплитуды отраженной волны. Поэтому при сложении прямой и отраженной от земли волн суммарная амплитуда получается меньше и соответственно снижается Ga.
  2. Излучение GP направлено вдоль поверхности земли. Распространясь вдоль среды с активными потерями (земли), волна испытывает затухание, тем более сильное, чем ниже зенитный угол (если угол равен 0, то затухание бесконечно — точно вдоль земли излучения нет)
  3. Для низко подвешенных штырей возрастают активные потери реактивного ближнего поля в земле. Однако на практике влияние этого механизма, как правило, не очень велико (исключение — штырь, стоящий прямо на земле), поскольку система противовесов действует как экран, препятствуя проникновению ближнего поля штыря в почву (противовесы имеют длину λ/4, а радиус ближней зоны — λ/2π, т. е. меньше).
  4. В противовесах, лежащих на земле, возникают дополнительные потери, но о них ниже. Здесь же минимальную высоту антенны полагаем не нулевой, а равной 0,01λ.

На рис. 4 и рис. 5 даны ДН λ/4 и 5λ/8 GP для разных высот подвеса и разных свойств земли. На этих рисунках Н — высота нижнего края GP (т. е. противовесов) над землей. Что видно из рисунков?

Во-первых, для относительно высоких зенитных углов ухудшение качества земли ведет к снижению уровня излучения там, где соответствующая ДН над идеальной землей имеет максимум ("затупление" максимумов), и возрастание излучения там, где ДН над идеальной землей имеет минимум ("заплывание" минимумов). Смотрите, на всех верхних лепестках ДН цифры 1, 2, 3, 4 стоят строго по порядку в максимумах и в обратном порядке в минимумах. Это работа первого отличия реальной земли от идеальной — снижения тока в "зеркальном" вибраторе.

Во-вторых, для очень низких углов излучения (ниже примерно 10°) ухудшение качества земли также ведет к снижению излучения вдоль земли. Это влияние второго отличия реальной земли от идеальной — возрастания затухания поверхностной волны по мере ухудшения качества земли. Посмотрите — для углов ниже 10° хорошая земля (ДН с цифрой 2) почти всегда выигрывает. Стоп, скажет внимательный читатель. Почему почти? И почему на нижних ДН обоих рисунков ДН для плохой земли (с номером 4) при угле в 10° на несколько дБ лучше, чем ДН для хорошей земли (с номером 2)? Этот парадокс рассмотрен ниже.

В-третьих, для углов 10.. .30° наблюдается нечто странное — цифры потеряли порядок и перепутались. То и дело ДН с номерами 3 и 4 ("средняя" и "плохая" земля) оказываются по уровню выше ДН с цифрой 2 ("хорошая" земля). Что происходит? Обратимся к нижней ДН рис. 4. При большой высоте первый максимум ДН (над идеальной землей) направлен очень низко (ниже 10°). При хорошей реальной земле этот первый лепесток пытается вырасти, но максимум настолько низко, что из-за сильного поглощения поверхностной волны этот лепесток получается почти "съеденным". А выше этого "съеденного максимума" (при углах 10..20°) лежит минимум, который при хорошей земле минимумом и остается. Поэтому излучение в секторе 10...20° получается низким, несмотря на хорошую землю. А для плохой земли, хотя первый лепесток также "съедается" поверхностным затуханием без остатка, но чуть выше по углу (где у хорошей земли идет минимум), из-за "заплывания" минимумов ДН на плохой земле имеется вполне приличное излучение. Поэтому получается парадоксальная ситуация — при чрезмерно прижатом к земле первом лепестке на низких углах (10...20°) излучения плохая земля выиграет у хорошей! Этот же механизм ответственен за то, что 5λ/8 GP при средней земле в диапазоне углов 20...40° ведет себя не так хорошо, как при плохой. Сравните на рис. 5 ДН 3 и 4.

В-четвертых, с ростом высоты подвеса штыря даже при плохой земле улучшается излучение под низкими углами. Почему? Дело в меньшем затухании поверхностной волны — чем выше основание штыря над реальной землей, тем дольше идет волна, излученная под низким углом, не касаясь поглощающей земли. В результате снижается затухание поверхностной волны и, как следствие, растет и Ga и усиление под малыми зенитными углами. Даже, несмотря на то что при некоторых высотах подвеса ДН имеет не лучшую, многолепесковую форму (см. рис. 4 и 5 при высотах 0,25λ и 0,5λ), и, казалось бы, это никуда не годится Тем не менее усиление под низкими углами упорно растет с высотой подвеса.

Обратимся к рис. 6, на котором дано усиление штырей над реальной средней землей в зависимости от высоты подвеса. На этом рисунке усиление дано не максимальное, а под фиксированным зенитным углом в 10°.

Рост высоты подвеса GP увеличивает усиление под низкими углами. Выглядит график так, как будто бы на графики рис. 3 наложен линейный рост усиления с высотой. Так оно и есть — графики рис. 3 для идеальной земли даны для максимального Ga, направленного при идеальной земле под нулевым зенитным углом. А линейный рост обусловлен снижением затухания поверхностной волны над реальной землей по мере роста высоты подвеса GP

Над реальной землей с увеличением высоты подвеса с определенного порога ДН расслаивается на отдельные лепестки, и максимум излучения соответствует уже не первому (низкому), а более высоким лепесткам ДН (см. рис. 4 и рис. 5 для высот подвеса более λ/4). Из этого некоторые делают совершенно ошибочный вывод, о нежелательности подъема GP выше того порога, при котором его ДН раздваивается. Это не так, и рис. 6 это заблуждение опровергает. Дело тут вот в чем. Да, λ/4 GP на высоте подвеса 0,5л имеет максимум излучения под углом 46°. Но этот же вертикал излучает больше энергии под углом 10°, чем λ/4 GP с высотой подвеса в 0,01л с такой, казалось бы, красивой ДН. Таким образом, увеличение высоты подвеса перераспределяет энергию. В низко стоящем GP с красивой ДН и низким максимумом излучения изрядная часть излученной энергии расходуется на обогрев земли (потери поверхностной волны). А если тот же вибратор поднять повыше, то хотя его ДН станет некрасивой, с максимумом под 40...60°, но под низкими углами уйдет больше энергии, чем для низко стоящего вертикала. В уровне сигнала под низким углом мы только выиграли, а та энергия, что раньше терялась бесполезно, идет на излучение под высокими углами. Согласитесь, это более разумное ее применение, то есть не максимум ДН (в направлении низких углов) у высоко стоящего штыря по величине больше, чем максимум излучения штыря, стоящего низко. В этом смысл графиков рис. 6. Небольшие (менее 0,15 дБ) "горбики" на рис. 6 как раз соответствуют моменту перехода максимума излучения от первого низкого лепестка, ко второму, высокому.

Поэтому вертикалы, по мере возможности, желательно поднимать над землей. Особенно это относится к λ/4 GP. Подъем его от 0 до высоты 0,3л дает удвоение (+ 3 дБ) мощности, излученной под низкими углами. Для более длинных штырей прирост при небольшом подъеме не столь значителен. Тем не менее желательно поднимать любые GP потому, что прирост усиления в области 0....0,15л может быть еще больше, чем следует из рис. 6. Дело в том, что графики рис. 6 построены в предположении хорошей системы противовесов, полностью экранирующей ближнее поле вертикала от потерь в земле. А на практике это далеко не всегда так, поэтому, в зависимости от количества и длины противовесов, усиление вертикала для высот менее 0,15λ GP может быть меньше показанного на рис. 6, особенно для GP, стоящего на земле.

Нам осталось разобраться в двух полярных утверждениях: "5λ/8 GP всегда лучше, чем λ/4 GP" и "при хорошей земле λ/4 GP лучше, чем 5λ/8 GP ". И то и другое нередко встречаются в любительской литературе. Истина же, как водится, где-то посередине. И ее показывает рис. 7, на котором дано сравнение ДН этих антенн при разном качестве земли. Оба штыря установлены прямо на земле. Видно, что при средней и хорошей земле есть диапазон зенитных углов, для которых вертикал 5λ/8 оказывается хуже. Причем при хорошей земле этот диапазон весьма широк — от 20 до 50°. Но для углов ниже 20° GP 5λ/8 выигрывает в любом случае. И выигрывает много.

Обратите внимание, что хорошая земля (почва) для вертикала — это та, которая способна эффективно отражать падающую на нее волну. Поэтому одна и та же почва для разных диапазонов может быть и хорошей и плохой землей.

(Окончание следует)
Редактор — В. Поляков,
графика — Ю. Андреев,
скриншоты — автора 

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 8 номер 2004 год







Ваш комментарий к статье
Журнал Радио 8 номер 2004 год. :
Ваше имя:
Отзыв: Разрешено использование тэгов:
<b>жирный текст</b>
<i>курсив</i>
<a href="http://site.ru"> ссылка</a>