Четвертьволновая вертикальная антенна является простейшей формой вертикальной антенны. Он обеспечивает хорошие характеристики в сочетании с всенаправленной диаграммой направленности и простотой конструкции.
Четвертьволновая вертикальная антенна используется во всех диапазонах частот, включая НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ и выше. УКВ и не только.
Четвертьволновая вертикальная антенна обладает свойствами многих вертикальных антенн, включая всенаправленное излучение и вертикально поляризованные сигналы.
Базовая четвертьволновая вертикальная антенна
Как следует из названия, четвертьволновая вертикальная антенна состоит из четвертьволнового вертикального элемента.
Этот тип антенны часто называют несимметричной антенной, а не диполем. Он имеет один излучающий элемент, а остальная часть антенны зависит от земли или системы имитации земли.
Фактически четвертьволновый диполь можно рассматривать как диполь, в котором одна половина является излучающим монополем, а другая половина представляет собой отражение, видимое в земле.
С точки зрения его работы отражение в земле означает, что оно выглядит так, как будто есть изображение верхней половины антенны под землей — другими словами, оно выглядит как вертикальный диполь.
Чтобы это работало удовлетворительно, наземная система для вертикальной несимметричной антенны должна работать эффективно, иначе вся антенная система будет скомпрометирована и эффективность упадет. В идеале система заземления должна быть идеально проводящей и бесконечной радиочастотной землей.
При правильной работе диаграмма направленности несимметричной антенны будет идентична верхней половине диаграммы направленности диполя с максимальным излучением в горизонтальном направлении, перпендикулярном антенне.
Поскольку эта антенна может излучать только над плоскостью земли, несимметричная антенна будет иметь усиление 3 дБ по сравнению с эквивалентным диполем. Это предполагает отсутствие потерь на землю или заземление. В действительности очень трудно получить систему радиочастотного заземления антенны без потерь, и, соответственно, трудно полностью реализовать это усиление.
Антенна является так называемой «несбалансированной», имеющей одно соединение с вертикальным элементом и использующей соединение с землей или смоделированное соединение с землей для создания изображения для другого соединения.
Кривые напряжения и тока показывают, что в конце напряжение возрастает до максимума, а ток падает до минимума. Тогда у основания антенны в точке питания напряжение минимально, а ток максимален. Это дает антенне низкий импеданс облучателя. Обычно это около 20 Ом.
Земля, очевидно, является важной частью радиочастотной антенны. Многие СЧ и ВЧ установки используют для этого заземление. Эти наземные системы должны быть очень эффективными, чтобы антенна работала удовлетворительно. Очевидно, что они должны иметь очень низкое сопротивление и часто использовать большие «маты» из радиальных элементов, отходящих от основания антенны, чтобы обеспечить отличные радиочастотные характеристики.
Для установок VHF и UHF высота, очевидно, важна, и антенны должны быть подняты, чтобы гарантировать, что они находятся над близлежащими препятствиями. Также для мобильных установок явно невозможно использовать заземление. В этих случаях используется имитация земли. Для мобильных приложений это корпус автомобиля. Крепление антенны обычно позволяет выполнить подходящее соединение с кузовом транспортного средства, иногда с использованием емкостного соединения. Однако необходимо следить за тем, чтобы корпус автомобиля был металлическим, а не пластиковым в районе крепления антенны.
Полное сопротивление вертикальной подачи на четверть длины волны
Мы видели, что четвертьволновая вертикальная антенна использует реальное, то есть четвертьволновое, вертикальное сечение и его изображение в наземной системе в качестве основы для своей работы.
Поскольку полуволновой диполь имеет радиационное сопротивление 73 Ом, четвертьволновый монополь будет иметь радиационное сопротивление около 36,8 Ом, если он установлен над хорошим заземляющим слоем. Однако, чтобы это было правдой, радиочастотная земля антенны должна быть идеально проводящей. Это означает, что требуется очень хорошее радиочастотное заземление антенны.
На самом деле земля создаст некоторое дополнительное сопротивление, и это увеличит общий импеданс.
Тем не менее, вертикальные антенны, особенно для ВЧ, где используется отдельная наземная или радиальная система, будут иметь согласующий узел в базовой точке питания для компенсации рассогласования, поскольку они обычно питаются от коаксиального фидера 50 Ом.
Это согласующее устройство обычно состоит из катушки с ответвлениями, которая обеспечивает требуемое преобразование импеданса.
Для стационарных станций используется набор радиалов, имитирующих наземную плоскость. Теоретически плоскость заземления должна простираться до бесконечности, но на практике используется ряд радиалов длиной в четверть длины волны. Как правило, для многих приложений ОВЧ достаточно четырех радиалов.
Если радиалы отогнуты вниз от горизонтали, то импеданс подачи будет повышен. Сопротивление 50 Ом достигается, когда угол между стержнями заземления и горизонталью составляет 42 градуса. В качестве альтернативы согласующая катушка может быть размещена в основании.
Четвертьволновая вертикальная диаграмма направленности
Важна диаграмма направленности или полярная диаграмма четвертьволнового вертикала. Часто для вертикальных антенн существенной частью их характеристик является то, что максимальный уровень излучения исходит под углом, близким к земле.
Это особенно верно, если они должны использоваться для местной двусторонней радиосвязи или для ВЧ ионосферной радиолюбительской связи на большие расстояния. В обоих этих случаях необходим малый угол излучения.
Диаграмма направленности дипольной антенны имеет форму «восьмерки» с максимальным излучением, происходящим под прямым углом к оси антенны.
Можно подумать, что для вертикального диполя, установленного на земле, эта диаграмма может быть разделена на две части в результате воздействия земли — присутствует только верхняя половина диаграммы.
В действительности невозможно получить максимальный уровень излучения точно параллельно земле, вместо этого картина слегка искажается, при этом максимальное излучение происходит под углом немного выше 0°. Фактический угол зависит от многих факторов, включая соединение с Землей, местные объекты, местную проводимость Земли и т. д.
Это показывает диаграмму направленности в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости диаграмма направленности одинаковая по всему периметру антенного элемента.
Сложенная четвертьволновая вертикальная антенна
Ввиду низкого импеданса фидера четвертьволновой вертикали необходимо реализовать схему согласования, чтобы обеспечить хорошее согласование антенны с фидером.
Наклон радиалов вниз был описан выше. Другой — использовать сложенный элемент. Точно так же, как сложенный диполь увеличивает импеданс антенны, можно использовать сложенный вертикальный элемент.
Если диаметр обеих секций одинаков, то достигается увеличение в соотношении 4:1. Это доведет импеданс до 80 Ом и обеспечит приемлемое согласование с фидером 75 Ом.
Используя заземляющий элемент меньшего диаметра, полное сопротивление питания может быть уменьшено, так что может быть достигнуто хорошее согласование с коаксиальным кабелем 50 Ом.
Четвертьволновая вертикальная антенна широко используется ввиду ее простоты и удобства. Для улучшения его производительности доступны другие типы вертикалей. Также можно использовать дополнительные вертикали и запитывать их разными фазами, чтобы обеспечить усиление всей антенной системы.