В § 23 уже частично рассматривался вопрос о влиянии земли на характеристики излучения дипольных антенн. Изменение направленных свойств реального диполя при появлении волны, отраженной от идеального экрана, можно рассматривать как результат излучения мнимого диполя, являющегося зеркальным изображением реального (действительного) диполя.
Мнимый диполь (зеркальное изображение реального диполя) находится под поверхностью экрана на расстоянии, равном высоте подвеса реального диполя над экраном. В случае идеального экрана (т. е. идеально проводящего бесконечно протяженного плоского экрана) в мнимом диполе протекают такие же токи, как и в реальном диполе. Если реальный диполь является вертикальным, то и его зеркальное изображение представляет собой вертикальный диполь. И, наконец, если нижний край реального диполя, длина которого равна λ/4, касается экрана, то зеркальный диполь является его продолжением, а вместе с реальным диполем составляет одиночный полуволновый диполь (рис. 5.145а), свойства которого достаточно хорошо известны.
На практике роль экрана выполняет поверхность земли. Отличие поверхности земли от идеального экрана заключается как в конечной проводимости, так и в конечной диэлектрической проницаемости почвы. Это обстоятельство приводит к тому, что электромагнитное поле, проходящее через почву, частично поглощается и поэтому в зеркальном диполе наводятся токи меньшей амплитуды. Это, в свою очередь, приводит к изменению формы диаграммы направленности и снижению КПД антенны.
В мокрой почве, обладающей большим значением относительной диэлектрической проницаемости, происходит изменение электрической длины мнимого диполя, а также длины пути, по которому протекают наведенные в земле токи. Эти причины вызывают дальнейшее изменение формы диаграммы направленности антенной системы.
Уменьшить отрицательный эффект, вызванный рассмотренными причинами, можно применять искусственное заземление, т. е. укладывая под антенной систему проводов — противовесов (см. § 5.1).
При оценке энергетического баланса линии радиосвязи, использующей вертикальный вибратор, необходимо учесть потери в земле. Рассмотрим эквивалентную схему анализируемой антенны, представленную на рис. 5.145в. Коэффициент полезного действия антенны $$\begin{equation}\eta=\frac{R_{изл}}{R_{изл}+R_{пот}+R_з}\end{equation}\tag{5.17}$$ где Rизл — сопротивление излучения антенны; Rпот — сопротивление потерь; RЗ — эквивалентное сопротивление земли.
Соотношение между мощностью, подведенной к антенне, PA и мощностью, излученной антенной, Pизл записываемся обычным образом: $$\begin{equation}P_{изл}=\eta{P_A}\end{equation}\tag{5.18}
$$
Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет вид окружности. Если же рельеф местности, окружающей вертикальный диполь, неоднороден, то форма диаграммы в горизонтальной плоскости может существенно деформироваться. В вертикальной плоскости диаграмма направленности определяется как высотой подвеса антенны, так и свойствами почвы (в первую очередь — проводимостью). Анализ диаграмм направленности, приведенных на рис. 5.146, показывает, что влияние свойств почвы больше всего сказывается при малых высотах подвеса антенны.
Как уже было выяснено ранее, система заземления в виде одиночного провода не является эффективной. Теория и практика показывают, что эффективной системой заземления является система проводов длиной около 0,4λ, звездообразно расположенных под антенной.
Эффективная длина дипольной антенны определяется по формуле (2.140). Для четвертьволнового диполя эффективная длина (здесь можно пользоваться и понятием эффективной высоты) определяется соотношением lэфф = λ/2π. Напомним, что физическая длина антенны рассчитывается по формуле lФ = KlЭ (здесь lЭ = λ/4), а значение коэффициента укорочения K получаем, пользуясь графиком на рис. 2.80.
Активную и реактивную составляющие входного сопротивления вертикальной антенны (в предположении, что она расположена над идеально проводящей землей) можно определить, пользуясь графиками на рис. 2.84 и 2.85, а при малой длине антенны, т. е. при условии lЭ < λ/2, — графиками на рис. 5.147.
Сопротивление излучения антенны определяется отношением l/d, где l — длина антенны (длина реальной+длина мнимой частей антенны), d — диаметр антенны: $$\begin{equation}R_{изл}=138\lg\left(1,15\frac{l}{d}\right)\end{equation}\tag{5.19}$$
Добротность антенны, определяемая отношением Q = Rизл/RА, невелика, так как RA = Rизл + Rпот + RЗ содержит компоненту RЗ, которая, как правило, очень велика. Поэтому и ширина полосы В = f/Q обычно очень велика (в особенности для антенн с малым отношением l/d).
Отметим одно, на наш взгляд, очень важное обстоятельство, которое не всегда правильно трактуется радиолюбителями. Речь идет о том, что каждый вертикальный отрезок провода произвольной длины может быть использован в качестве антенны, а основной проблемой в данном случае является достижение хорошего согласования за счет использования устройств, трансформирующих сопротивления, и компенсации реактивного сопротивления антенны.
Высота диполя влияет на форму диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Для связей на большие расстояния наиболее выгодно использовать антенну, имеющую длину 5λ/8, так как она излучает под сравнительно малыми углами к горизонту, имеет входное активное сопротивление RA = 70 Ом и реактивное ХA = 200 Ом, которое весьма нетрудно скомпенсировать.