W [1] części 41 zamieściłem podstawowe dane techniczne tzw. anteny falowej, zainstalowanej w Grodzisku  Mazowieckim. Wykorzystano antenę falową, wynalezioną i opracowaną przez Beverage, Rice i Kellogga i opisaną w dokumencie zaprezentowanym przed American Institute of Electrical Engineers. Antena o długości 16.200 m usytuowana była z budynku stacji w kierunku południowym, czyli wzdłuż średnicy ziemi, linii o najkrótszej długości do Nowego Jorku i prawie pod kątem prostym do kierunku (usytuowania) stacji nadawczej [ 1 część 47].

W konstrukcji przypominała zwykłą linię telegraficzną, składającą się z dwóch przewodów miedzianych numer 10 (ok. 0.1x25.4=2,54 mm) rozciągniętą na drewnianych słupach o wysokości 20 stóp (ok. 20x0.3048=6.1 m) rozmieszczonych w odstępach 150 stóp (ok. 150x0.3048=46.35 m). Słupy te miały zamocowane  na swych wierzchołkach drewniane poprzeczki o długości 4 stóp (ok. 4x0.3048=1.22 m) i na ich końcach szklane izolatory, wytrzymujące napięcie 22.000 V, na których podwieszone były przewody antenowe. Przewody były zamieniane miejscami na co dziesiątym słupie, dla jej symetryzacji.

Stwierdzono, że większość zakłóceń pochodzących od wyładowań atmosferycznych przybywa do Warszawy z południa i południowego wschodu, tak więc ze względu na swoje stosunkowo bardzo dobre właściwości kierunkowe, antena falowa dawała bardzo dużą poprawą współczynnika sygnału do zakłóceń, w porównaniu z uzyskanym przy odbiorze przez antenę ramową (pętlę) lub w kombinacji anteny ramowej (pętli) i pionowym przewodem.

Poszukiwałem materiałów dotyczących w sposób względnie prosty opisujących istotę pracy anteny falowej. Dotarłem do artykułu w którym podano teoretyczne podstawy anteny falowej [2]. Jednak nie znalazłem opisu jej pracy, w popularnym, zrozumiałym dla przeciętnego Internauty, ujęciu. Dlatego też wykorzystując dostępne w tym zakresie materiały, postanowiłem wypełnić tą lukę. Antena falowa, która później stała się znana jako antena Beverage’a, jest anteną jednokierunkową. 

ISTOTA PRACY ANTENY FALOWEJ [3].

Przewód zawieszony w przestrzeni ma pewną pojemność i indukcyjność na jednostkę długości, które znajdują się w określonej relacji względem siebie. Stosunek ten może być wyrażony jako  wyrażony jako odwrotność pierwiastka z iloczynu L i C, równy wielkości V, w którym V jest wielkością stałą równą prędkości światła. Na przykład, gdy L i C są wyrażane jako pojemności i indukcyjności na metr, wtedy wielkość V = 3 x 108 m/s, jest prędkością światła w metrach na sekundę.

Jeśli zamiast pojedynczego użyte są: większy przewód albo, gdy zamiast jednego, użyte są dwa lub więcej przewodów, wówczas w idealnym przypadku, indukcyjność zmniejsza się, a w tym samym stosunku zwiększa się jego pojemność, tak więc iloczyn L x C jest zawsze stały. Oznacza to, że w idealnym przewodzie prądy indukowane w tym przewodzie zawsze poruszają się wzdłuż niego z prędkością światła, niezależnie od wielkości lub liczby przewodów.

Antena Beverage’a winna przebiegać poziomo w odległości kilku metrów od ziemi, a więc być podparta w kilku punktach i izolowana od ziemi za pomocą izolatorów. Użycie izolatorów i bliskość ziemi powoduje zwiększenie pojemności w większej proporcji, niż zmniejszenie indukcyjności, dlatego prędkości prądów w rzeczywistym przewodzie zawsze są nieco mniejsze niż prędkość światła. Jednakże dla krótszych fal, o długości np. 200 metrów (1.5 MHz) prędkość ta zbliża się do prędkości światła, na ogół w granicach od 85% do 98% prędkości światła, w zależności od wielkości i liczby przewodów.

Rys. 1 Schemat najprostszej anteny falowej. 

Na rys. 1 pokazana jest najprostsza antena falowa. Składa się z jednego długiego przewodu, o długości równej co najmniej długości fali, rozciągniętego od stacji odbiorczej SO w kierunku stacji nadawczej SN. Przyjmiemy, że stacja odbiorcza SO jest na początku anteny PA, natomiast koniec anteny KA, znajdujący się od strony nadajnika SN, jest zwarty rezystancją R, jak ilustruje to rys. 1.

Fala elektromagnetyczna ze stacji nadawczej SN, nazwijmy ją przestrzenną, przemieszcza się z prędkością światła w stronę początku anteny PA. Przemieszczając się wzdłuż drutu anteny,  indukuje w przewodzie  prądy poruszające się w obu kierunkach. Prądy poruszające się w kierunku przeciwnym do ruchu fali przestrzennej, a więc w kierunku końca anteny KA, maleją praktycznie do zera, jeśli długość anteny jest równa długości fali. Natomiast prądy poruszające się w stronę początku anteny PA, będąc użytecznym sygnałem, poruszają się wzdłuż przewodu praktycznie z prędkością światła, czyli jak fala przestrzenna. Schematycznie proces ten ilustruje rys. 2, na którym pokazana została pojedyncza fala „sygnałowa” w różnych rosnących momentach wybranego przedziału czasowego.

Rys. 2 Mechanizm powstawania fali sygnału w przewodzi anteny pod wpływem fali przestrzennej. 

Przyrosty prądów wszystkie dodają się w fazie na początku anteny PA, dając mocny sygnał, jak ilustruje to krzywa A na rys. 3. Oprócz użytecznych fal przestrzennych, poruszających się od końca anteny KA, w stronę jej początku PA, a więc w stronę odbiornika, oddziaływają fale przestrzenne szkodliwe, nie pożądane, poruszające się w kierunku przeciwnym, powodujące indukowanie prądów przeciwnych do tych użytecznych. Przyrosty tych prądów dodają się w fazie na końcu anteny KA, co ilustruje krzywa B na rys. 3.

Rys. 3 Krzywa A pokazuje, jak przyrosty prądu dodają się w fazie na początku anteny PA. Krzywa B ilustruje jak prądy zakłóceń od elektryczności statycznej, przemysłowych lub innych źródeł dodają się w fazie na końcu anteny KA.

Jeśli koniec anteny KA będzie otwarty lub zwarty przez zerową rezystancję (R=0), cała energia reprezentowana przez krzywą B, a więc pochodząca z kierunku gdzie jest stacja odbiorcza, SO, w momencie dojścia do końca anteny, KA, zostanie odbita od niego i będzie  przemieszczała się z powrotem do początku anteny PA, gdzie część energii, w zależności od impedancji obwodu wejściowego odbiornika, przejdzie do ziemi, a część będzie ponownie odbita w stronę końca anteny KA. Antena będzie odbierała zarówno sygnały użyteczne ze stacji nadawczej SN jak i sygnały nie pożądane od zakłóceń, przychodzące ze strony przeciwnej, czyli od strony stacji odbiorczej SO.

Dla graficznego przedstawiania kierunków promieniowanych lub odbieranych sygnałów korzysta się z charakterystyk anten. W ogólnym przypadku charakterystyka promieniowania lub odbioru, przedstawia pewną powierzchnię zamkniętą, złożoną z przestrzennych wiązek różnej postaci. Posługiwanie się przestrzenną figurą trójwymiarową jest kłopotliwe i dlatego ogranicza się zazwyczaj do podawania dwóch wzajemnie prostopadłych przekrojów jej charakterystyki. Gdy orientacja anteny w przestrzeni jest ustalona, używa się w praktyce antenowej określeń: pozioma i pionowa charakterystyka promieniowania lub odbioru. Pozioma charakterystyka kierunkowa, czyli na płaszczyźnie, przewodu o długości równej długości fali przestrzennej w wolnej przestrzeni, w którym istnieją fale: bieżąca - użyteczna i odbita - szkodliwa, ma kształt pokazany na rys. 4. Jest charakterystyką kierunkową dwustronną o maksymalnej czułości wzdłuż przewodu anteny.

Rys. 4 Pozioma dwustronna charakterystyka kierunkowa przewodu o długości równej długości fali przestrzennej, gdy istnieją w nim fala bieżąca i odbita [3].

Odbiór sygnału pochodzącego ze strony SO, nie jest tak dobry, jak ze strony SN, ponieważ prąd fali nie pożądanej jest tracony w drucie anteny podczas ruchu na koniec anteny KA i  przemieszczania się po odbiciu od niego z powrotem na jej początek PA.

W celu stworzenia jednostronnej anteny kierunkowej, konieczne jest zlikwidowanie odbić fal w miejscu znajdującym się najdalej od odbiornika, czyli w końcu anteny KA. Osiąga się to przez umieszczenie, na końcu linii utworzonej przez druty anteny i ziemią, bezindukcyjnej rezystancji R, rys. 1. Jeżeli rezystancja ta jest równa impedancji zwarcia linii, w idealnym przypadku, pochłania całą energię przychodzącą z nie chcianego kierunku od strony SO i zapobiega odbiciu jakiejkolwiek jej części z powrotem do odbiornika. W antenie powstaje sygnał w postaci fali bieżącej. Wówczas dwustronna charakterystyka z rys. 4 staje się charakterystyką jednostronną rys. 5. 

Rys. 5 Pozioma jednostronna charakterystyka z rys. 4, gdy fala odbita została wytłumiona [3].

Wartość impedancji zwarcia linii zależy od wielkości, liczby i wysokości zawieszenia przewodów nad ziemią, ale jest niezależna od długości przewodów. Impedancja zwarcia jest teoretycznie równa  R = pierwiastek stosunku L/C, gdzie L i C są indukcyjnością i pojemnością na jednostkę długości. W przypadku praktycznej konstrukcji z jednym lub dwoma przewodami miedzianymi nr 12, (0.12x25.4=3.05 mm), impedancja zwarcia wynosi od 200 do 400 omów.

Warto podkreślić, iż w miarę zwiększania długości anteny z falą bieżącą w stosunku do długości fali przestrzennej, jej poziome jednokierunkowe charakterystyki zmieniają się. Czułość odbioru anteny w kierunku jej końca znacznie wzrasta, a odbiór sygnałów ze strony przeciwnej bardzo znacznie maleje.

Należy także zwrócić uwagę na bardzo ważną wspólną cechę charakterystyk anten z falą bieżącą. Wskutek tego, że oporność układu z falą bieżącą jest niezależna od częstotliwości, jest ona zachowana przy każdej długości fali, a zmieniać się będzie tylko jego charakterystyka kierunkowości.

Dlatego anteny z falą bieżącą mogą pracować w szerokim zakresie częstotliwości, co jest ich główną zaletą. Natomiast do wad wszystkich anten z falą bieżącą należy zaliczyć, straty znacznej części  energii w oporności obciążenia oraz ich duże rozmiary.

Literatura.

[1] http://www.nadajnik-babice.pl/ .

[2] http://earlyradiohistory.us/1922RCA.htm

[3] http://nrcdxas.org/articles/Beverage0182.pdf

[4] http://www.w0btu.com/Beverage_antennas.html

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Beverage_antenna

[6] D.P. Linde Anteny i ich zastosowanie, Warszawa 1955, PWT.

Ireneusz Dobiech 2015.01.10