Радиостанция заземлена по всем правилам, толстый провод идёт от корпуса трансивера к заземляющему штырю в земле. На большинстве диапазонов всё спокойно, но на одном вдруг начинаются неприятности. Корпус трансивера щиплет руку при касании во время передачи, микрофон бьётся током, в наушниках наводки, а прибор показывает странное поведение согласования. Стоит сменить диапазон и всё успокаивается. Заземление, призванное защищать и стабилизировать, на одной частоте словно превращается в источник проблем.
Причина в том, что провод заземления это не безразличная перемычка к земле, а отрезок проводника со своей электрической длиной. На частоте, где эта длина оказывается близка к четверти волны, провод превращается в резонатор, на дальнем конце которого пучность напряжения. Вместо того чтобы отводить радиочастоту к земле, такой провод поднимает на корпусе высокое высокочастотное напряжение и сам излучает, становясь антенной. Разберём, почему провод заземления резонирует, как четвертьволновый отрезок трансформирует сопротивление, какими цифрами это описывается и как сделать заземление, которое работает на всех диапазонах.
Почему провод заземления имеет собственную электрическую длину
На постоянном токе и на низкой частоте провод от трансивера к штырю это просто проводник с малым сопротивлением, и он честно соединяет корпус с землёй. Но радиочастота ведёт себя иначе. Для неё провод длиной в метры это уже отрезок линии передачи, на котором укладывается заметная доля длины волны, и вдоль которого ток и напряжение распределены неравномерно.
Электрическая длина провода это его физическая длина, выраженная в длинах волны на рабочей частоте. На низкочастотных диапазонах, где длина волны десятки метров, трёхметровый провод это малая доля волны, и он ведёт себя почти как идеальная перемычка. На высокочастотных диапазонах, где длина волны единицы метров, тот же провод оказывается заметной частью волны, и его поведение меняется качественно. Один и тот же кусок провода на разных диапазонах это электрически разные объекты.
Особенно важна четверть волны. Отрезок линии длиной в четверть волны обладает замечательным свойством трансформировать сопротивление: то, что подключено к одному его концу, на другом конце выглядит противоположностью. Низкое сопротивление превращается в высокое, и наоборот. Заземляющий штырь на дальнем конце это относительно низкое сопротивление, почти короткое замыкание для радиочастоты. Если провод до него имеет длину четверть волны, то у корпуса трансивера это короткое замыкание трансформируется в очень высокое сопротивление.
Почему четвертьволновый провод поднимает напряжение вместо отвода
Здесь и кроется механизм проблемы. Четвертьволновый отрезок, замкнутый на дальнем конце низким сопротивлением земли, на ближнем конце у трансивера представляет высокое сопротивление. Это значит, что радиочастотный ток, который должен был стечь в землю, упирается в высокое сопротивление и не стекает, а вместо этого на корпусе нарастает высокое высокочастотное напряжение, пучность которого приходится как раз на ближний конец провода.
Вместо заземления получается обратное: корпус оказывается под высоким радиочастотным потенциалом. Именно это напряжение и щиплет руку, бьётся в микрофоне, наводится в наушниках. Хуже того, провод с пучностью тока и напряжения сам начинает эффективно излучать, превращаясь в антенну, подключённую к корпусу станции. Он добавляет своё излучение к излучению основной антенны, искажая её диаграмму и часто ухудшая работу, а также возвращая радиочастоту обратно в шек по корпусу аппаратуры.
Распределение вдоль провода объясняет картину наглядно. У четвертьволнового провода, замкнутого на землю, на заземлённом конце пучность тока и узел напряжения, а на конце у трансивера наоборот, узел тока и пучность напряжения. Поэтому дальний заземлённый конец спокоен, а вот ближний конец у аппаратуры раскалён по напряжению. Получается, что чем добросовестнее оператор тянул длинный провод к хорошему заземлению, тем вернее он построил четвертьволновый резонатор на каком-то из диапазонов, и тем сильнее этот резонатор кусается.
Числовая прикидка резонансной длины провода
Переведём в цифры. Четвертьволновая длина провода в метрах для свободного пространства считается просто, но провод имеет коэффициент укорочения, и удобна практическая формула, связывающая длину и частоту. Длина четверти волны в метрах приближённо равна:
L = 71.5 / f
где f частота в мегагерцах. Прикинем, на какой частоте резонирует провод заземления длиной, скажем, около трёх с половиной метров, типичной для пути от стола до штыря. Подставим длину и найдём частоту:
f = 71.5 / L = 71.5 / 3.5 = 20.4 мегагерца
Около двадцати мегагерц, прямо в любительском диапазоне пятнадцати метров. На этом диапазоне трёхметровый с небольшим провод заземления окажется четвертьволновым резонатором и поднимет на корпусе пучность напряжения. На соседних же диапазонах он не резонирует и ведёт себя сносно. Вот числовое объяснение того, почему беда возникает на одном конкретном диапазоне, а на других нет.
Прикинем и обратную задачу. Если знаменитый двенадцатифутовый провод заземления, это около трёх и семи десятых метра, проверить по формуле, его четвертьволновый резонанс приходится на
f = 71.5 / 3.7 = 19.3 мегагерца
тоже почти на пятнадцать метров, оттого этот диапазон и считается классически проблемным для заземления обычной длины. Опасны и нечётные кратные четверти волны, три четверти, пять четвертей, потому что они тоже дают на ближнем конце высокое сопротивление и пучность напряжения. Поэтому один и тот же провод способен кусаться на нескольких разнесённых диапазонах, соответствующих его нечётным четвертьволновым резонансам.
Почему земля и противовес тоже резонируют
Резонирует не только провод к штырю. Система заземления в целом, включая радиальные провода и противовес, тоже имеет резонансные длины, и их игнорирование приводит к похожим бедам. Противовес, поднятый над землёй набор проводов от основания антенны, это резонансная структура, и его провода работают лучше всего, когда их длина близка к четверти волны на рабочей частоте. Слишком короткий или слишком длинный противовес расстроен, и обратный ток антенны не находит удобного пути, растекаясь по корпусу аппаратуры и оплётке кабеля.
Приподнятые радиалы это, по сути, искусственная земля из резонансных проводников, и они несут сильный радиочастотный ток, особенно горячий на свободных концах. Эти концы под высоким напряжением, и их недаром изолируют и убирают подальше от людей. Заземляющие же радиалы, лежащие на земле или близко к ней, работают иначе: они не столько резонируют, сколько снижают потери в почве, работая в параллель с грунтом, и их делают многочисленными, а не точно резонансными.
Отдельная беда это синфазные резонансы вдоль длинных кабелей. Оплётка коаксиала и любой длинный провод в тракте могут резонировать на длинах, кратных половине волны, поднимая синфазный ток и наводки. Поэтому на длинных кабельных трассах высокоомные точки, развязывающие дроссели, ставят с интервалом порядка половины волны, чтобы подавить эти синфазные резонансы и снизить наводки, особенно в чувствительных приёмных установках. Земля и кабель, как и провод заземления, перестают быть пассивными и становятся резонирующими антеннами, стоит их длине совпасть с резонансной.
Как сделать заземление, не превращающееся в антенну
Из механики резонанса вытекают понятные правила построения заземления, работающего на всех диапазонах. Перечислим основные приёмы. Вот они:
- избегать длины провода заземления, близкой к четверти волны на рабочих диапазонах, выбирая её либо очень короткой, либо заведомо нерезонансной;
- применять развязывающий дроссель на кабеле и на проводе, подавляющий синфазный радиочастотный ток, не мешая постоянному току защиты;
- для рабочего радиочастотного заземления использовать резонансный четвертьволновый провод как противовес, не соединяя его дальний конец с землёй, а оставляя свободным;
- разделять заземление защитное, для безопасности и молнии, и радиочастотное, для возврата токов, не путая их функции;
- на каждый проблемный диапазон при необходимости подключать свой четвертьволновый противовес, настроенный именно на него.
Особенно полезно осознать разницу между плохим и хорошим использованием четвертьволнового провода. Тот же самый отрезок, который кусается, будучи замкнутым на штырь, превращается в отличный радиочастотный противовес, если его дальний конец оставить свободным, не соединяя с землёй. Тогда он работает как резонансный противовес, принимая на себя обратный ток антенны, а пучность напряжения уходит на его изолированный свободный конец, подальше от аппаратуры. Развязывающий дроссель на кабеле обрывает путь синфазному току обратно в шек. А разделение защитного и радиочастотного заземления снимает противоречие между требованиями безопасности, где нужен надёжный проводник к земле, и требованиями радиочастоты, где этот проводник не должен резонировать. Грамотное заземление это не один универсальный провод, а продуманная система, где каждый проводник имеет свою длину и назначение.
Числовая прикидка потерь в земле и роли количества радиалов
Стоит отдельно разобрать, почему для заземляющих радиалов важнее количество, чем точная резонансная длина, ведь это противоположно логике резонансного провода. Вертикальная антенна возвращает свой ток через землю, и если земля проводит плохо, часть мощности рассеивается в ней теплом вместо излучения. Эффективность антенны определяется отношением сопротивления излучения к сумме сопротивления излучения и сопротивления потерь:
eta = R_изл / (R_изл + R_потерь)
У четвертьволнового вертикала сопротивление излучения около тридцати шести ом. Если сопротивление потерь в земле тоже, скажем, тридцать шесть ом при скудном заземлении, эффективность
eta = 36 / (36 + 36) = 0.5, то есть всего 50 процентов
Половина мощности греет землю. Добавление множества радиальных проводов снижает сопротивление потерь, потому что они перехватывают обратный ток до того, как он уйдёт в проводящую с потерями почву. При сопротивлении потерь, сниженном до четырёх ом густой сетью радиалов, эффективность
eta = 36 / (36 + 4) = 0.9, то есть 90 процентов
Рост с пятидесяти до девяноста процентов это почти втрое меньше потерянной мощности. Поэтому вещательные станции укладывают по сотне и более радиалов: каждый дополнительный провод чуть снижает сопротивление потерь, и в сумме они приближают землю к идеально проводящему листу. Здесь работает количество и покрытие площади, а не точная настройка в резонанс, потому что лежащие на земле радиалы и так расстроены близостью почвы и резонировать не могут.
Это объясняет кажущееся противоречие. Приподнятый изолированный противовес должен быть точно резонансным, четвертьволновым, потому что он работает как часть антенны и несёт резонансный ток. Лежащие же на земле радиалы должны быть многочисленными, и их точная длина вторична, потому что их роль не резонировать, а снижать потери в почве. Понимание, какую из двух ролей играет данный проводник, и определяет, гнаться ли за резонансной длиной или за количеством и покрытием.
Что из этого следует держать в голове
Провод заземления это не безразличная перемычка к земле, а отрезок проводника с собственной электрической длиной, который на частоте, где он близок к четверти волны, превращается в резонатор. Замкнутый на землю четвертьволновый провод трансформирует низкое сопротивление штыря в высокое у корпуса, поднимает на аппаратуре пучность радиочастотного напряжения и сам излучает, становясь антенной вместо заземления. Оттого беда привязана к конкретным диапазонам, где длина провода попадает в резонанс.
Понимание этого меняет подход к заземлению станции. Тянуть к штырю один длинный провод и надеяться, что он одинаково хорош на всех диапазонах, наивно, потому что на каком-то он неизбежно станет четвертьволновым резонатором. Нерезонансные длины, развязывающие дроссели, резонансные противовесы со свободным концом и разделение защитного и радиочастотного заземления вместе делают землю станции тихой на всех диапазонах. Хорошее заземление узнаётся не по толщине провода к штырю, а по тому, что корпус аппаратуры не кусается ни на одном диапазоне при полной мощности.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube