Вплив землі на випромінювання антени

Вплив землі на діаграму випромінювання та інші характеристики антени враховується за допомогою методу дзеркального відображення. Для спрощення аналізу земля умовно замінюється на безмежну, ідеально провідну площину. На рис. 7.1 показано побудову дзеркального відображення точкового ізотропного випромінювача, розташованого над ідеальною землею.

Складова результуючого поля в точці p, яка визначається відбитим від землі променем, може вважатись створеною дзеркальним відображенням антени, розташованим під землею. Реальна антена та її зображення утворюють ніби систему з двох антен. При цьому заряд точкової антени і її підземного відображення мають різні знаки. Для реальних протяжних антен і їх зображень заряди в симетричних точках, відповідно, теж протилежні за знаком (рис. 7.2 а, б).

Вплив землі на випромінювання вертикальної та горизонтальної антен різний. Напрямки змінних струмів у реальній вертикальній антені та її зображенні в кожний момент часу будуть збігатися (рис. 7.2 а). Тому поля від вертикальної антени та її зображення у віддаленій точці p на поверхні землі будуть додаватись:

. (7.1)

Результуюча напруженість створеного поля буде вдвічі більшою, ніж для такої ж антени, розташованої у вільному просторі. Фізичне пояснення цьому таке: вся енергія випромінювання зосереджується в одній верхній півсфері простору. Вертикальний випромінювач разом з його відображенням утворюють ніби синфазну антену, максимум випромінювання якої напрямлений вздовж поверхні ідеальної землі.

Напруженість електромагнітного поля від горизонтальної антени на рівні поверхні землі нульова, тому що, як видно з рис. 7.2 б, випромінювання від антени та її зображення мають в цих точках протилежні фази. Горизонтальний випромінювач разом з його відображенням утворюють протифазну антенну систему, яка не випромінює вздовж осі, перпендикулярної до площини розташування вібраторів (в даному випадку вздовж поверхні землі).

Як показує аналіз, опір випромінювання вертикального вібратора довжиною l, розташованого над поверхнею ідеальної землі (рис. 7.3), у 2 рази менший від опору випромінювання диполя загальною довжиною 2 l, розташованого у вільному просторі. Наприклад, чвертьхвильовий вертикальний вібратор має опір випромінювання R_S=36,6 Ом. Через відсутність втрат в ідеальній землі, а також через те, що чвертьхвильовий вібратор живиться в пучності струму, його вхідний опір також низький і близький до наведеного значення. Тому при розміщенні над

реальною землею з втратами його коефіцієнт корисної дії h може бути досить низьким.

 

Півхвильовий вертикальний випромінювач характеризується опором випромінювання R_S=100 Ом. Він живиться в пучності напруги і, отже, має високий вхідний опір, який може набувати значень від сотень омів до одиниць кілоомів. Внаслідок цього коефіцієнт корисної дії узгодженого з фідером півхвильового вібратора, розміщеного над реальною землею, вищий, ніж у чвертьхвильового.

Опір горизонтального вібратора залежить від внесеного його дзеркальним відображенням опору. Відображення можна розглядати як зв’язаний вібратор, розташований на відстані 2h від реального провідника. Згідно з розглянутим вище, величина внесеного опору повинна залежати від h - висоти горизонтальної антени над землею. Зокрема, опір випромінювання півхвильового вібратора зі зміною висоти підвісу над поверхнею ідеальної землі поводить себе так, як показано на рис. 7.4.

Діаграми напрямленості вертикальної антени в меридіальній площині у випадках ідеальної та реальної землі суттєво відрізняються (рис. 7.5). Максимум випромінювання вертикального вібратора над ідеальною землею напрямлений під кутом a=0⁰ відносно її поверхні.

Рис. 7.4

Над реальною землею максимум випромінювання піднімається відносно поверхні на кут a>0⁰, залежний від електропровідності та діелектричної проникності землі. Величина кута a суттєво впливає на дальність зв’язку поверхневою та просторовою хвилями.

 

Діаграми напрямленості горизонтальних антен у вертикальній площині у випадку ідеальної землі виглядають так, як показано на рис. 7.6. Видно, що горизонтальні антени з висотою підвісу до h=0,25l придатні для зв’язку просторовою хвилею, тобто з відбиванням від іоносфери, на близькі відстані (до 500-1000 км).

Для роботи на середні відстані просторовою хвилею горизонтальні антени потрібно піднімати над землею на висоту h»0,3-0,4l. При роботі на далекі відстані (від 2000 до 10000 км) кути випромінювання мають бути пологішими відносно поверхні землі, що досягається підніманням антени на висоту h > 0,5 - 1,0l.

 

 

Рис. 7.6