четвертьволновый вертикал на земле

СНОВА О ЗЕМЛЯХ ДЛЯ АНТЕНН.
Есть антенна на некоторой высоте, неважно, горизонтальная или вертикальная. От нее в
точку приема приходят два луча – один прямой, второй - отраженный от земли. Там они (в
точке приема) векторно складываются и вот результат: при удачном сложении добавка до
6 дБ. Если луч плохо отражается от земли, то добавка меньше, вплоть до ничего. MMANA
показывает, что вертикальная поляризация плохо отражается от земли любого, самого
хорошего реального качества, кроме морской воды. Так что грубо можно считать, что НЕ
отражается и на значимую добавку можно не рассчитывать. Зато почти нет провалов в
вертикальном разрезе ДН. Напротив, горизонтальная поляризация отражается хорошо от
земли даже самой низкой электропроводности. Поэтому добавка серьезная, в идеале до 6
дБ. Зато глубокие провалы в вертикальном разрезе, для тех углов, где лучи складываются
в противофазе. Если антенна НАД землей, а не НА земле, то то место, от которого
отражается луч, который идет к земле, находится на некотором отдалении от антенны, и
тем дальше, чем выше антенна и ниже угол, который мы рассматриваем. К примеру, если
антенна на высоте 20м и интересует угол излучения 25 град, то пятно отражения
примерно в 60-100 метрах от антенны, и повлиять на качество земли в этом пятне мы
бессильны. Остается только поставить в таблицу параметры земли в данной местности и
посчитать усиление. Если же антенна НА земле, как четвертьволновый вертикал, то где у
него пятно отражения? Должно быть очень близко. Начинается прямо у основания, а где
заканчивается? Ведь для такого вертикала мы делаем мощную систему противовесов, но
это для ближнего поля, чтобы не было потерь, и противовесы идут не далее четверти
волны от центра. Но коль скоро пятно отражения так рядом, то возникает мысль, а нельзя
ли во всем этом пятне искусственно улучшить проводимость, удлинив и участив
противовесы так, чтобы они перекрыли все пятно. А как искусственно улучшить?
Например, расположить вертикал посередине солёного озера. Но какой должен быть
радиус этого озера для идеальной работы?
MMANA позволяет это сделать, используя
концентрические земли с разной проводимостью. Когда мы ведем счет в режиме реальной
земли, то в таблице, где прописываем качество земли, надо прописать две строчки вместо
одной. В первой строчке ставим параметры для морской воды, 90 и 5000, и ставим в графу
Х радиус озера, попробуем 40м. Во второй строчке ставим обычную землю, например 12 и
7,5 и Х ставим 0. Ставим галочку, что счет для радиального слоя и ставим число
противовесов 0. Считаем, например для четвертьволнового штыря, длиной 5м, на
диапазоне 20м. Сравниваем со счетом для идеальной земли и видим, что проигрыш очень
невелик, около полдиби. Меняя радиус озера, можно посмотреть, как это влияет на
усиление и вертикальный угол. Так что оценочно уже видно, что озеро не очень большое,
а радиусом около одной или двух длин волн полностью решает проблему. По крайней
мере океан не нужен. Но озера всё равно у нас нет. Поэтому заменяем его противовесами
и встает вопрос, сколько нужно противовесов и какой длины. MMANA и это позволяет
посчитать.
В первую и вторую строчку таблицы ставим обычную землю, 12 и 7,5. Оставляем
галочку радиальной земли. Впечатываем число противовесов, например, 90. То число в
графе Х, которое было радиусом озера, сейчас будет являться длиной противовеса.
Считаем для того же штыря на 20м и видим результат. По памяти помню, что если взять
противовесы длиной лямбда, т.е. по 20м для «двадцатки», и взять 360 противовесов, т.е.
по противовесу на каждый градус окружности, то практически идеальная работа штыря
будет от вертикальных углов 8 град. и выше. Если противовесы сделать вдвое короче, по
полволны, то идеальная работа начнется с более высоких углов, зато число противовесов
можно сократить вдвое. Т.е. напрашивается вывод, что важна густота расположения
противовесов на внешней границе круга, а радиус круга определяет вертикальный угол, с
которого начинается идеальная работа. Также всё очень сильно зависит от диапазона, на
160м и на 10м совсем разный выигрыш, чем выше частота, тем сильнее влияние
противовесов на усиление. Важно понимать, что здесь работа противовесов не имеет
ничего общего с их работой для КПД антенны в ближнем поле, там обычно 8-16
четвертьволновых противовесов вполне достаточно для нормального растекания тока.
Много длинных противовесов нужно для качественного отражения в дальней зоне.
Просто для штыря на земле эти зоны перекрываются и те же самые противовесы
выполняют обе задачи одновременно, для ближней зоны с большим избытком.
Надо понять, что есть земли и земли. Одна земля – та, которая находится
непосредственно под антенной, где-то на расстоянии как говорят, 1/16 лямбда. Она влияет
на КПД и потери но мало влияет на ДН, только на ту ее часть, которая смотрит в зенит.
Другая земля – это земля вокруг, на расстоянии несколько десятков или сотен метров, от
которой происходит отражение или над которой идет волна, близкая к уровню горизонта.
Вот эта земля как раз и ставится в таблицу MMANA при счете над реальной землей. Она
формирует ДН в вертикальной плоскости, вернее, принимает в этом участие. Здесь много
разных вариантов, например, направленная антенна с горизонтальной поляризацией на
мачте высотой более поллямбды, в сельской местности. Это наиболее простой случай и
считается классически. Та же антенна в городе на многоэтажке в окружении городской
застройки – случай совсем другой. Здесь луч, который идет в сторону земли, с большой
вероятностью натыкается на застройку, где частично рассеивается, частично поглощается,
частично переотражается-не-туда, поэтому, он никак не может принимать участие в
формировании ДН, его просто нет, поэтому, ДН в таких случаях честнее считать, как в
свободном пространстве. На мой взгляд, распространенная ошибка, когда коллеги
оптимизируют свои бимы в режиме реальной земли на определенной высоте, то ли с
учетом высоты дома, то ли берут высоту от уровня крыши. А когда спрашиваешь, где
стоит антенна, оказывается, что в плотной городской застройке. Поэтому в этом случае
надо смириться и не расчитывать на те красивые dBi в 12-15 диби, которые пишет
программа. Зато вертикальная антенна в деревне работает на средних и ближних
дистанциях намного хуже, чем горизонтальная на высоте более четверти волны, и только
для углов около 10 град. и ниже их работа уравнивается. А вот в городе на доме тот же
вертикал показывает на практике одинаковую работу с горизонтальным аналогом, так как
и ту и другую в городе надо считать, как в свободном пространстве и не расчитывать на
луч, отражаемый от земли.
Еще раз – несколько базовых вариантов 1. На здании в условиях городской плотной
застройки. Антенны с вертикальной и горизонтальной поляризацией имеют одинаковое
усиление, определяемое их усилением в свободном пространстве. 2. В сельской
местности. Антенна с горизонтальной поляризацией, расположенная на высоте более
четверти лямбда, выигрывает до 6 дБ у аналогичной вертикальной антенны на средних и
ближних дистанциях, а на дальних дистанциях они выравниваются. То, что при приеме
дальних станций на вертикальную антенну в этом случае может быть слышно лучше,
связано не с бОльшим усилением вертикальной антенны под малыми углами, а с меньшим
услением под большими углами, при этом просто ближние и средние станции меньше
мешают. То, что горизонтальная антенна выигрывает по усилению, связано с тем, что
волна с горизонтальной поляризацией почти идеально отражается от земли любого
качества, а волна с вертикальной поляризацией очень плохо отражается от земли даже
самого хорошего качества, за исключением морской воды. 3. Вертикальная антенна в
сельской местности, стоящая на земле. Работает практически как над идеальной землей,
при условии наличия развитой искусственной земли в радиусе, обеспечиваюшем хорошее
отражение под малыми углами, для чего должна быть сделана развитая система
противовесов длиной лямбда или более.
Все эти выводы сделаны на основе моделирования в MMANA и подтверждены
практически в части сравнения усиления горизонтальных и вертикальных антенн в городе
и в сельской местности.
Написано 22 июля 2013 года. Н.Смирнов, UA3TW.