Технический кабинет

Когда антенна излучает «в зенит»…
(Небольшой ликбез, «солдатским языком», из теории распространения радиоволн)


Стало почти аксиомой, что все радиолюбители стремятся проводить как можно более дальние связи, поднимая повыше свои антенны и используя все другие средства, чтобы прижать главный лепесток излучения к горизонту. В то же время практика показывает, что очень много связей проводится внутри региона, со своими ближайшими соседями в диапазонах 160, 80 и 40 м, часто в форме «скедов», «круглых столов» и т. д. Для таких связей прижатый к горизонту максимум излучения антенны совсем не оптимален, и даже вреден. А если к этому добавить неподходящий выбор диапазона, ближние корреспонденты вообще могут оказаться в мертвой зоне.
В последние годы возрос интерес к технике связи, названной NVIS — NearVertical Incidence Skywave propagation (NVIS обычно произносится как нэ-вис). Эта техника предусматривает работу пространственной волной, падающей на ионосферный слой почти вертикально, и отражающейся тоже почти вертикально вниз, создавая значительную напряженность поля на небольших (десятки — сотни километров) расстояниях от передатчика.
Первыми использовали такой тип распространения волн, по-видимому, военные, в целях тактической связи на КВ. Не случайно во всех странах диапазон частот 2...8 МГц часто называют "военным". Указанный диапазон также широко используют спасатели, пограничники и береговая гвардия, то есть службы, аналогичные нашей МЧС. Этот вид связи незаменим там, где расстояния не так уж и велики, но дальности действия обычных УКВ радиостанций уже не хватает.
Большую работу по исследованию NVIS на о. Цейлон с привлечением местных радиолюбителей провел английский коротковолновик G3BGL/VS7PS в начале 50-х годов прошлого века. Его результаты были использованы при организации тропической радиовещательной службы в диапазонах 120, 90, 60, 49, 41 и 31 м. В последующие годы неоднократно появлялись публикации по использованию NVIS для целей ближней радиосвязи.
Из теории распространения радиоволн известно, что ионизированные слои полностью характеризуются высотой максимума электронной концентрации h и критической частотой fкр — максимальной частотой отражающейся волны при вертикальном зондировании (рис. 1). Критическая частота зависит только от электронной концентрации в слое и определяется простой формулой:
fкр в квадрате = 80,8 N, где N - число электронов в 1 м3.
Так, например, если в летний полдень концентрация электронов в слое Е достигла 1012 электронов/м3, то fкр = 9.106 Гц или 9 МГц.
При увеличении частоты сигнала, вертикально падающие волны перестают отражаться, но полого падающие волны еще отражаются. При этом вокруг передатчика образуется «мертвая зона», в которой сигнал не слышен. На больших же расстояниях сигнал может быть достаточно сильным. Максимально применимая частота (МПЧ) — та, при которой еще отражаются волны, посланные антенной передатчика в направлении на горизонт. На частотах выше МПЧ слой вообще перестает отражать волны, посланные с поверхности Земли, и они уходят сквозь ионосферу в Космос. МПЧ обычно в несколько раз выше fкр. Связь тоже очень простая:

(МПЧ/fкр)2 = 1 + R/2h, где R - радиус Земли (6300 км).

Для вышеприведенного примера, если h = 90 км, то МПЧ = 2,5fкр или 22,5 МГц. В этих условиях сильной дневной ионизации для NVIS связей подойдет диапазон 7 МГц, а для дальних связей — 21 МГц.

Из нашего краткого рассмотрения ясно, что для NVIS пригодны волны с частотами ниже критической. А насколько ниже? Здесь надо учитывать поглощение волн в ионосфере.
Теория говорит, что поглощение в ионосфере увеличивается с понижением частоты. Так, например, средние волны днем полностью поглощаются слоем D (h = 70 км), критическая частота которого недостаточна для отражения, и волне приходится дважды его пронизывать при отражении от слоя Е (h = 90...120 км, ночью выше). Таким образом, для уменьшения поглощения надо выбирать частоту как можно ближе к fкр,но немного ниже ее.

Критические частоты слоя Е и вышележащего слоя F (h = 200...250 км) очень сильно зависят от времени суток, времени года и солнечной активности. Все эти факторы определяют электронную концентрацию в слое, а следовательно и fкр. Так, например, расчеты, проведенные американскими радиолюбителями для трассы Сакраменто — Рено на западном побережье США показывают, что критические частоты могут изменяться от 2 до 14 МГц. Чаще же всего они лежат в области 2...7 МГц, понижаясь ночью и возрастая днем.
Антенны для NVIS, в шутку называемые «нагревателями облаков», должны излучать преимущественно вверх. Они очень плохо подходят для дальних связей, зато создают повышенную напряженность поля в ближней зоне, на расстояниях от 30 (где прямая поверхностная волна уже затухает) до 300 км.
Хорошие результаты дают горизонтальный диполь и Inverted V, расположенные на высоте 0,1...0,15 L над землей. Земля в этом случае служит естественным, и довольно неплохим рефлектором, направляя излучение вертикально вверх. Входное сопротивление полуволнового диполя, расположенного горизонтально, и невысоко над землей, заметно понижается, и надо подумать о его согласовании.
В ряде случаев на сухой земле и на скальных грунтах возможно вообще не поднимать антенну, расстелив ее просто по земле. Потери при этом, конечно, больше, но в экстренных ситуациях, когда речь идет хоть о какой то связи, по сравнению с ее полным отсутствием, это может оказаться радикальным выходом из положения.
Подобный вариант использует и другой американский любитель, назвавший свой луч "Roadside antenna" (антенна для обочины). Это провод длиной 20 м, разделенный в середине изолятором с перемычкой, оснащенной "крокодилом". Луч он протягивает горизонтально с крыши джипа, стоящего на обочине, к соседнему дереву. При разомкнутой перемычке 10 м провода образуют четвертьволновый вибратор в диапазоне 40 м. Для работы в диапазоне 80 м перемычку замыкают. В диапазоне 160 м в точке питания (на крыше джипа) включают удлиняющую катушку. Полагают, что 2 тонны автомобильного металла служат достаточным противовесом этой четвертьволновой антенне.
СО2КК усовершенствовал антенну для NVIS, применив петлевой полуволновой диполь, изогнутый в виде Inverted V. Под диполем, на высоте около 1 м над землей, протянут проволочный рефлектор, длина которого увеличена на 5 % относительно диполя. Он уменьшает потери в земле и увеличивает направленность антенны вверх. Расстояние от центра диполя до рефлектора 0,15...0,2 L, расстояние от концов диполя до рефлектора 0,1L
Примечание US0HZ: у военных, вышеизложенный материал, воплощён в антенны зенитного излучения (АЗИ). Такие антенны входят в комплект радиостанций: Р-140, Р-161, КШМ Р-142, КШМ Р-145БМ и др.
В. Поляков, RA3AAE