С чего все началось.

В январе 2010, у меня ветром свалило вертикал. Высотой он был 33 метров и состоял из дюралевых труб диаметром 120 и 110 мм, сверху была пятиметровая удочка. В разделе Фотогалерея > Мои антенны, на него можно посмотреть. После этого события, договариваться с соседями по поводу своей антенны стало гораздо сложнее. И если сам вертикал еще можно поставить на своем участке не согласовывая с соседями, то радиалы нужно тянуть через соседские дворы.

В моем случае, частного дома, для четырех радиалов по 40 метров, ими нужно пересечь минимум 6 соседских дворов. Понятно, что удовольствия соседи от этого не испытывают. Поэтому было желание попробовать обойтись без радиалов. Вместо радиалов использовать хорошее электротехническое заземление.

По заземлению было два общих соображения, которые были взяты из книг Гончаренко (DL2KQ).

Первое, это заземление должно выполнять свою основную функцию, т.е. принимать ток "второго провода" источника. Для этого заземление не обязательно должно быть ВЧ, достаточно просто хорошего электротехнического, так же как в качестве нулевого провода можно использовать "земляной" для обычной "фазы" из "розетки". Величина сопротивления заземления по ВЧ должна быть не более 1/10 от сопротивления излучения, для КПД не менее 90%. С моим вертикалом, у которого MMANA показывает величину сопротивления излучения в 22 Ом, это сопротивление должно быть менее двух Ом на 160 метров, а лучше, менее 1 Ома. В принципе, это реализуемо.

Вторая функция радиалов, это изоляция ближнего поля вертикала от земли. Т.е. непосредственно вокруг антенны имеется область с большой напряженностью поля и все, что не является хорошим диэлектриком или проводником в этой области начинает переводить излучаемую энергию из эфира в тепло, т.е вносить потери. В первую очередь, это касается земли вокруг антенны. Размеры этой зоны составляют примерно 1/16 от длинны волны. Для 160м, это около 30 метров. И именно эти тепловые потери в ближней зоне существенно уменьшают радиалы, экранируя ближнее поле антенны от земли. В случае замены радиалов электротехническим заземлением, с удалением радиалов, экранировать ближнее поле антенны будет нечему и потери в ближней зоне будут максимальными. Определяться эти потери будут в основном качеством грунта и строений, непосредственно вокруг вертикала, на расстоянии 30 метров.

С учетом вышеизложенной физики процесса, был поставлен эксперимент по проверке того, насколько эффективность вертикала без радиалов, хуже чем с радиалами.

Кроме того, в моем случае, два радиала проходили под уличными линиями электроснабжения в 10 КВ и линиями освещения, поэтому набирали много шума в и без того шумную антенну. Была надежда на то, что переход на электротехническое заземление уменьшит количество шума, т.е. улучшит прием, ну а приемлемое ухудшение работы на передачу можно скомпенсировать соответственным увеличением мощности РА.

Фото, иллюстрирующие описываемое в этой теме, размещены в разделе Фотогалерея>Мои антенны>Прямое заземление>. Если появится желание рассмотреть детали, то фото с полным разрешением выложены тут RF_Ground (http://ua6igi.ru/images/Album/RF_Ground/)



Для эксперимента было задействовано два вида заземления, обычное в виде контуров из железа, забитого в землю и емкостного. Обычное состояло из двух контуров, расположенных на расстоянии примерно пять метров и соединенных алюминиевой шиной. Один, в виде четырех двухметровых кусков 45мм уголка, забитых в землю и обваренных в квадратный контур, шириной в два метра, и второго контура в виде двух двухметровых кусков 76мм трубы на расстоянии около метра. Расстояние между контурами около 5 метров. Измерение обычным цифровым тестером сопротивления между трубами второго контура показало сопротивление менее Ома, сопротивление между контурами составило менее 30 Ом. Те. достаточно неплохое электротехничское заземление, с сопротивлением менее Ома.

Второй вид заземления был в виде конденсатора с одной обкладкой в виде двух стандартных железных листов размерами примерно 3Х1,5 метра. Общая площадь этой обкладки составила около 9 кв.метров. Второй обкладкой служила земля. Диэлектриком между ними являлся слой бетонного пола, толщиной от 3 до 5 см. Емкость получившегося конденсатора составила более 100 nF. Для определения этой емкости, была измерена емкость между листами. Поскольку прямая емкость между торцами листов на расстоянии примерно в сантиметр около нулевая, то основная емкость получилась как два последовательно соединенных конденсатора лист-земля. Измерение простым цифровым измерителем емкости этого конденсатора составленного из двух, последовательно включенных, показало ее значение в 60 nF. Таким образом, общая емкость двух листов на землю составила примерно 120 nF. Это на 1,8 МГц составило 1/(2PfC)=1/(2*3.14*1 800 000*0.00000012)=0.73 Ом.

Для определения сопротивления характеризующего ток утечки получившегося конденсатора, было измерено сопротивление между двумя листами на постоянном токе. Для этого между листами было приложено около 240 вольт постоянного напряжения и измерен ток в получившейся цепи. Источником тока была вторичная обмотка трансформатора, для исключения гальванической связи с землей. Ток составил 1,4 mA, что соответствует примерно 170 КОм. Т.е. током утечки этого конденсатора можно пренебречь.

В итоге получилось довольно неплохое заземление обеспечивающее сопротивление на землю менее одного Ома на частоте 1,8 МГц.

После этого было проведено сравнение работы вертикала с ВЧ заземлением из четырех полноразмерных радиалов, на высоте пяти метров над землей, с вышеописанным заземлением. Если быть точным, радиалы были почти полноразмерные, два были немного укорочены катушками. В результате сравнения были получены следующие данные - полоса с уровнем КСВ 1,5 с радиалами составила 50 КГц, с прямым заземлением 200 КГц. Увеличение полосы в четыре раза означает, что потери возросли в но не понятно насколько. Я на форуме Гончаренко (DL2KQ) спрашивал об этом и Игорь сказал, что зависимость не с коэффициентом 1. (Сообщение #1340, написано в субботу, 18 июня 2011 года, в 9:22) Там же был дан совет - в моделировщике подобрать сопротивление потерь для получения нужной полосы. Я подбирал, как было посоветовано и получил, что такое увеличение полосы дает сопротивление потерь в 55 Ом. Т.е. вертикал высотой в 33 метра, с сопротивлением потерь в 55 Ом имеет полосу в 200 КГц. При этом сопротивление излучение у такого вертикала 22 Ом. Соответственно, КПД моего вертикала без радиалов составил 28%. Другими словами 72% подводимой энергии не уходило в эфир, а грело землю вокруг вертикала. При этом, полоса вертикала с четырьмя радиалами на высоте 5 метров от земли составила примерно 55 КГц, подобранное в моделировщике сопротивление потерь для этого составило 4 Ома. КПД с радиалами получается 84%. Т.е. радиалы, в моем случае, обеспечивали в три раза лучшие характеристики работы вертикала по КПД, чем без радиалов.



Реальная работа в эфире тоже подтверждает сказанное, хотя уменьшение мощности в три раза не очень заметно, но на трассах более 3 000Км стало заметно. И главное, хотя шума и стало меньше, но прием ухудшился. Те станции, которые я с радиалами еще разбирал в шумах, без радиалов просто исчезли. Хотя последнее утверждение довольно субъективно поскольку слушал всего один вечер, но по ощущениям, прием заметно лучше не стал.

После, для проверки того, насколько эффективно происходит экранирование ближнего поля радиалами, подключил параллельно заземлению три радиала примерно метров по 20-25, просто раскинутых по земле, при этом основные радиалы были отключены. Это сразу улучшило результат, полоса с 200 КГц сократилась до 100 КГц. Что соответствует примерно 27 Ом потерь и КПД 45%.

В результате проведенного эксперимента можно сказать, что вертикалу всегда нужно добавлять радиалы, если используется прямое заземление на грунт. Даже немного и на земле, существенно улучшают результат, заметно уменьшая тепловые потери ближней зоны, экранируя эту зону от земли. Хотя если радилов мало, то видимо стоит их дополнять хорошим электротехническим заземлением, поскольку небольшое количество радиалов имеют большое сопротивление как заземление (про количество радиалов требуемое для того или иного размера сопротивления заземления, можно почитать у Гончаренко (DL2KQ) во второй книге) и эту проблему решает прямое заземление.

И, наверное, имеет смысл делать заземление как конденсатор, поскольку в случае гальванического контакта с землей, можно набрать шумов от токов текущих в земле. По крайней мере об этом писал Гончаренко (DL2KQ) во второй книге. Для этого оказалось нужно совсем немного места, у меня общий размер составил 3 на 3 метра, причем одновременно решался вопрос покрытия пола в гараже. :) Если есть возможность положить листы прямо на землю, а не на половое покрытие то емкость конденсатора возрастет еще больше за счет уменьшения расстояния между обкладками и уменьшатся потери в изоляторе конденсатора. Но, наверное, прямой контакт с землей может быть нежелателен, если недалеко есть заземления с подключенными и работающими нагрузками, даже обычные фонарные столбы, в грунте могут течь выравнивающие токи и соответственно увеличивать шум на прием. В этом случае, наверное лучше подложить под листы диэлектрик. Подложка под половые покрытия типа ламината, видимо подойдет, влаги не боится, прочное на сдавливание и, в отличие от бетона, является хорошим диэлектриком. Т.е. потерь почти не будет.

Полученные мною результаты могут не повторяться в других условиях полностью но зависимость надеюсь описал верно.Поскольку потери в ближней зоне сильно зависят от напряженности поля в этой зоне, а напряженность напрямую зависит от размера антенны. Малые антенны имеют большую напряженность, чем большие. Поэтому если вертикал для 160 имеет 16 метров высоты, то влияние окружения сильнее и экранировать его нужно больше, поскольку 16 метров для 160, это мало, сопротивление излучения несколько Ом, напряженность поля высокая и без радиалов такая антенна сильно снизит эффективность. И наоборот, чем больше антенна тем,меньше у нее потери в ближней зоне и меньше требования к экранированию. Но в любом случае, потери лучше убирать с любым размером антенны. Теория этого дела также описана у Гончаренко (DL2KQ) во второй книге. Ну, и мой эксперимент показывает, что даже три небольших радиала на земле уменьшают потери ближней зоны примерно вдвое.

Т ак же потери ближней зоны видимо зависят от грунта вокруг антенны. Но поменять грунт в эксперименте у меня сил не хватило J. Поэтому ничего конкретного о размере этой зависимости сказать не могу, кроме общей рекомендации, чем хуже грунт, тем больше нужно радиалов.

Все выше сказанное, касается только одного вида потерь, а именно тепловых потерь в ближней зоне вертикала и не заменяет того, что сказано о заземлении, его значении и величине его сопротивления и соотношения всего этого с количеством и настройкой радиалов в книгах. В частности у Гончаренко (DL2KQ). Возможно, немного дополняет.

И еще один момент в эксперименте остался невыясненным, а именно какой вклад в получившееся сопротивление потерь внесли потери в бетоне, который был диэлектриком конденсатора. Ведь может получиться так, что все потери обусловлены потерями в бетоне, а не в ближней зоне.

Для корректного ответа на этот вопрос нужно измерить потери в бетоне на требуемой частоте. В принципе это сделать можно измерив тангенс угла потерь. Это тоже не сложно, определяется через разницу в емкости конденсатора с воздушным диэлектриком и с измеряемым материалам. Для этого я даже выпилил пластину из бетонного пола в гараже и нашел ГОСТ с методикой измерения. Но вот дальше руки пока не дошли, хотя прошло уже больше года. J Как нибудь дойдут наверное, поскольку самому интересно. Сейчас можно сказать то, что поскольку бетон довольно гигроскопичный материал, то потери будут сильно зависеть от его влажности. А влажность определяется как наличием влаги в земле и в воздухе, так и температурой. На морозе бетон как изолятор должен наверное улучшать ствйства.

Но есть пара соображений в пользу того, что эти потери не велики. Первое, это то, что емкостное сопротивление получается не большим, соответственно, напряжение на конденсаторе малым и поэтому напряженность поля между обкладками получившегося конденсатора невелика в принципе. К тому же площадь конденсатора получилась почти 9 кв.метров и плотность поля соответственно совсем мала. А это значит, что потери еще меньше. И второе, это то, что добавление небольшого количества малых и не настроенных радиалов почти вдвое уменьшило полосу. Это говорит, на мой взгляд, о том, что основные потери являются именно потерями ближней зоны. И еще, для проверки есть ли существенные потери в бетоне, я примерно 20 минут выдавал в вертикал 1,5 КВт на 160м (в дневное время и не на диапазоне J) В результате заметить потепление бетона не удалось. J

В заключение сформулирую вывод к которому я пришел.

Если нет возможности сделать столько радиалов, сколько нужно, а нужно их много и места под них нужно много, то приемлемой альтернативой может быть вышеописанное заземление, только обязательно дополненное радиалами хотя бы на земле. А этих радиалов может быть и меньше чем надо и они могут быть короткими ведь им не нужно обеспечивать низкое сопротивление заземления, а только экранирование ближней зоны. Хотя конечно чем больше, тем лучше. В общем, чем больше тем наверно лучше. Сколько есть возможность разместить. Хотя наверное есть оптимум в количестве радиалов, после которого увеличивать их количество смысла не имеет. У меня на этот эксперимент сил не хватило, но каждый может его проделать сам, ориентируясь на уменьшение полосы по КСВ.