V или H?

Вопрос, какую антенну (любую, необязательно рамочную) выбрать: вертикальную или горизонтальную, стоило бы поставить раньше. Еще в 3-й главе после анализа горизонтальных и вертикальных вибраторов. Но там дело осложнялось тем, что рассмотренные в разделах 3.3 и 3.4 вибраторы отличаются и формой и размерами (согласитесь, /2 диполь, это не то же самое, что /4 GP), и потому разделить где влияние земли, а где формы и размеров антенны очень сложно.

Рамочные же антенны дают возможность сравнить V и Н поляризации на одной и той же антенне. Как показано в п. 4.3.3 рамка неизменной формы и положения в пространстве меняет поляризацию при смене точки питания. Особенно привлекательно с этой точки зрения выглядит проанализировать круглую или квадратную рамки - они зеркально симметричны относительно и вертикальной и горизонтальной осей, и поэтому влияние поляризации будет видно в чистом виде.

Но теория - теорией, а на практике (особенно на НЧ КВ диапазонах) в основном используются треугольные рамки (они проще конструктивно). Поэтому в этом параграфе мы рассмотрим, как влияет поляризация (или, что в данном случае то же самое, положение точки питания) на параметры равностороннего треугольника, расположенного углом вверх. Но, забегая вперед, скажу, что полученные результаты в этом параграфе справедливы и для полностью симметричных рамок (круга, квадрата).

Итак, треугольник. При запитке с Н - поляризацией точка питания расположена вверху (вторая антенна на рис 4.3.5). При запитке же с V - поляризацией, точка питания смещена от верхнего угла вниз на /4, как описано в п. 4.3.3 Ясно, что в свободном пространстве передвижение точки питания по рамке никак не изменит параметров антенны (см. п. 4.3.3). Но у нас рамка над реальной землёй. А земля существенно влияет на параметры антенной системы. Причём, механизм этого влияния различен для Н и V антенн, как описано в разделах 3.3 и 3.4 (это описание качественно применимо и для рамок).

Что же в земле влияет на параметры антенной системы? Конечно высота антенны над землёй (h) и электрические свойства (качество) этой земли. На рис. 1 показано как влияют эти параметры на ДН в вертикальной плоскости одного и того же треугольника, но с разным (для H и V поляризаций) питанием. Частота 15 MГц, рамка из тонкого (d/c=10-5) медного провода. Рис.1 построен как таблица: от столбца к столбцу меняется качество земли, от строки к строке - высота подвеса h (она считается от нижней точки антенны до поверхности земли). Внимательно изучим этот рисунок (он этого заслуживает) и сделаем некоторые выводы:

Рис. 1

1. На одной и той же земле рамка с Н поляризацией всегда (при h>0,05 ) имеет большее максимальное Ga, чем рамка с V поляризацией. Другой вопрос, что при малых h толку от этого на удивление мало - H рамка излучает "в потолок", что на КВ в большинстве случаев есть бесполезная трата энергии (см. п. 3.1.9.2).

2. Если h<0,1 применять H рамку на КВ не имеет смысла (разве что вас интересуют исключительно связи внутри своего континента). При любом качестве земли V рамка выиграет в усилении под зенитными углами ниже 300.

3. При плохой земле ( =5, =1 мС/м) в диапазоне высот 0,1 < h < 0,35 ситуация двоякая. V рамка еще имеет преимущество на совсем малых углах, но зенитный угол ниже которого есть это преимущество, и величина последнего падают с ростом h. V рамка выиграет на дальних трассах (углах ниже 5-200 см. п. 3.1.9.2), но на средних трассах (углы 5-20…300) H рамка будет лучше. При h > 0,4 рамка с горизонтальной поляризацией выигрывает окончательно, и для всех зенитных углов. Применять V рамку на плохой земле при h>0,4 не имеет смысла.

4. При средней земле ( =13, =5 мС/м) ситуация качественно такая же, как и на плохой земле. Отличие лишь в цифрах высот. Диапазон h где V рамка имеет выигрыш на совсем низких углах в данном случае 0,15 < h < 0,4 , а граница выше которой не имеет смысла применять V рамку над средней землёй составляет 0,5 .

5. При хорошей земле ( =80, =1 мС/м, пресная вода) для углов ниже 300 V рамка имеет преимущество до высоты 0,15 . Выигрыш на очень низких углах (и проигрыш на средних) имеется при 0,2 < h < 0,8 . Но дальнейший рост высоты подвеса делает своё дело и при h < 1 применение V рамки теряет смысл, невзирая на хорошее качество земли.

Важно отметить, что ДН рисунка 1 и приведенные выше выводы качественно справедливы для любых типов горизонтальных и вертикальных антенн.

Запомним - при малых (в ) высотах подвеса преимущество имеют вертикальные антенны. При больших - горизонтальные. При средних высотах подвеса вертикальные антенны выигрывают на очень дальних трассах (очень малых зенитных углах), но проигрывают на дальних и средних трассах. Это справедливо для любых типов антенн (не только рамочных).

Что в данном определении считать малыми и большими высотами зависит от качества земли (не ВЧ заземления, а именно земли, в радиусе нескольких ). Оценить эти высоты и помогает рис. 1.

Вам наверняка уже ясно, что вопрос: "Какая антенна лучше (эффективнее) V или H?" не корректен, и потому не имеет ответа. Правильный вопрос звучит примерно так: "При данной высоте подвеса над реальной землёй с такими-то характеристиками для интересующего меня зенитного угла (или диапазона зенитных углов) какая антенна лучше V или H?". Помочь найти ответ на этот вопрос в вашем, конкретном случае и призван этот приведенный выше материал.

Но вернёмся к рамкам и сравним горизонтальные ДН треугольных рамок с V и Н поляризацией. На рис. 2 показаны их ДН при высоте подвеса l/4 над хорошей землёй.

Рис. 2

Происхождение H рамки от горизонтального диполя сказывается - ДН в горизонтальной плоскости имеет заметные провалы по бокам. А при большой высоте подвеса ДН Н рамки становится типичной дипольной "восьмёркой".

V рамка, ведущая свою "родословную" от вертикального диполя, имеет заметно более близкую к круговой ДН в горизонтальной плоскости. Отличие этой ДН от круговой объясняется разными условиями сложения волн, излучаемых половинками рамки. Поперек плоскости рамки это сложение происходит в фазе (максимальное излучение). Вдоль же плоскости рамки эти волны складываются с некоторым, зависящим от формы рамки, фазовым сдвигом (поэтому в этих направлениях излучение меньше). Форма этой ДН в горизонтальной плоскости V рамки почти не зависит от высоты подвеса (в отличие от H рамки).

Предыдущие пару абзацев и рис. 2 справедливы не только для треугольника, но и для рамок любой формы.