В работе LW важную роль играет ВЧ заземление. А что такое «ВЧ заземление»? Увы, в любительской литературе имеется изрядная путаница в терминах и, соответственно, понимании. В этом параграфе нам придётся разбираться с заземлениями. Без этого работу LW не понять.

 Итак, заземление это такое место, которое может принять втекающий туда ток, и при этом обладает близким к нулю сопротивлением. То есть ток в заземление втекает, а напряжения нет или почти нет. И соответственно нет или почти нет потерь в заземлении.

 В этом определении упоминается ток. А токи бывают разные: НЧ и ВЧ. И заземления для них должны быть разными.

 В подавляющем большинстве случаев в не антенной технике, когда речь идёт о заземлении имеется в виду электротехническое заземление (ЭТЗ). ЭТЗ должно принимать низкочастотные токи – постоянный, 50 Гц от электросети, импульсы грозовых разрядов и т. д. В любом случае ЭТЗ принимает токи частот не выше единиц килогерц.

 В антенной же технике заземление должно принимать ВЧ токи, на рабочей частоте антенны, и при этом само не излучать (иначе это уже не заземление, а часть антенны). То есть высокочастотное заземление (ВЧЗ) обязано принимать с близким к нулю потенциалом токи с частотами единиц…десятков МГц.

 Рассмотрим разные виды заземления с точки зрения ВЧЗ.

 Идеальным заземлением для токов любой частоты (одновременно и ЭТЗ и ВЧЗ) является поверхность идеальной же земли. Туда может без потерь втечь ток любой частоты (но, важный нюанс – точка питания антенны должна располагаться именно на уровне земли). Но на практике найти идеальную землю пока никому не удалось. Даже поверхность моря (имеющая очень высокую проводимость и приближающаяся по свойствам к идеальной земле) доступна редко.

 Приходится как-то обходиться реальной землёй. Для обеспечения контакта с ней провод заземления (или систему проводов) закапывают. Причём чем хуже проводимость земли, тем большее количество и более длинных проводов приходится использовать. Это понятно – в хорошо проводящей земле ток растечется сам, а в плохо проводящей ему надо помогать, обеспечивая максимальную площадь контакта с землей.

 В данном случае ЭТЗ и ВЧЗ (точка питания антенны по-прежнему у поверхности земли) далеко не всегда одно и то же. Для ЭТЗ провода закапывают поглубже, поближе, к хорошо проводящим водоносным слоям (для лучшего контакта). А для ВЧ это уже не будет заземлением – ВЧ токи не проникают глубоко в почву (см. п. 3.3.3). Для ВЧЗ систему заземляющих проводов либо неглубоко (в 2-3 раза мельче глубины проникновения тока ВЧ данной частоты в данную землю) закапывают, либо располагают прямо на поверхности земли.

 В данном случае:

ЭТЗ может исполнять роль ВЧЗ, только при неглубоком закапывании заземляющих проводов. Если же провода ЭТЗ закопаны глубже толщины проникновения ВЧ тока в землю – то это не будет ВЧЗ (ток просто не дойдёт вглубь земли).

 ВЧЗ, провода (без изоляции!) которого закопаны в землю, заодно является неплохим ЭТЗ.

 Если же для ВЧЗ используются провода в изоляции (для ВЧ это допустимо), и/или провода ВЧЗ лежат на поверхности земли, то такое ВЧЗ будет плохим ЭТЗ. В самом деле - ВЧ ток протекает сквозь изоляцию проводов как через конденсатор (обкладки провод и земля). Для НЧ же токов – это большое сопротивление.

 ВЧЗ можно выполнить как систему (поверхность) проводов, расположенных низко над землёй, например система приподнятых радиалов, или нерезонансная сетка-поверхность. ВЧ ток утекает в землю через большую ёмкость между этой поверхностью и землёй. Например, несколько 8 радиалов длиной 5 м, замкнутые на концах и в середине кольцами (файл … GND via C.maa) и расположенные на высоте 0,5 м имеют ёмкость на землю около 600 пф. Для частот выше 3,5 Мгц это почти разделительный конденсатор. То есть нижняя точка питания соединена с реальной зёмлей через плоский воздушный конденсатор сетка – земля. В упомянутом файле заземленный таким образом резонансный l/4 GP на 3,5 МГц имеет Za= 36 – j68 Ом. Активные 36 Ом это сопротивление l/4 GP. А составляющая –j68 Ом это и есть реактивное сопротивление заземляющей ёмкости сетка-земля. Дополнительная реактивность должна учитываться во входном импедансе. Естественно на более высоких частотах она ниже.

 Очень полезным свойством такого ВЧЗ является его апериодичность. Сетка-поверхность, будучи по сути верхней обкладкой большого конденсатора, принимает в себя ВЧ ток (и передает его, через ёмкость дальше в землю) в очень широкой полосе частот. Нет никакой необходимости выбирать делать сетку резонансных размеров (как обычные противовесы у GP). Надо лишь обеспечить её требуемую ёмкость на землю. Так сетка-поверхность с радиусом 5 м на высоте 0,5 м в файле … GND via C.maa является ВЧЗ в полосе 3,5…30 МГц.

 Конечно, такое ВЧЗ совершенно не годится в качестве ЭТЗ – для токов электротехнических токов НЧ сотни пФ ёмкости сетки-поверхности на землю, это практически разрыв.

Очень хорошим ВЧЗ является высоко поднятая система из двух l/4 радиалов в линию или несколько, равномерно распределенных по углу радиалов (см. п. 3.4.1). Токи в радиалах текут в разные стороны, поэтому излучение очень мало, и столь же мал входной импеданс, что и требуется от хорошего заземления. Но, увы, так происходит только на частоте, где длина радиалов равна l/4. На других же частотах входной импеданс пары радиалов резко растёт, и это уже не ВЧЗ. То есть поднятая система из двух l/4 радиалов в линию это резонансное ВЧЗ.

 Очевидно, что, не имея никаких контактов с землёй, такое ВЧЗ не является ЭТЗ. НЧ току тут втекать решительно некуда.

 Пусть мы имеем идеальное ВЧЗ и ЭТЗ у поверхности земли. Допустим, земля идеальна – так повезло. Но наша антенна (и её точка питания) располагается высоко (скажем, на высоте l/4 над землёй) и по принципу своёй работы нуждается в ВЧЗ (например, забегая в следующий параграф, это LW). Как сделать к антенне ВЧЗ? Соединить проводом точку питания и идеальное ВЧЗ у поверхности земли? Ответ неправильный - этот провод будет однопроводной линией со стоячей волной. И с соответствующим синусоидальным распределением тока/напряжения. Пусть у земли это провод подключен к идеальному ВЧЗ с нулевым импедансом. Но к верху-то провод-линия этот импеданс трансформирует. Что дает на входе l/4 линия нагруженная на нулевой импеданс (см. п 3.2.4)? Правильно, высокий импеданс, то есть разрыв. То есть наш LW на верхнем конце провода увидит не ВЧЗ, а разрыв.

 Вывод – всякого рода заземления в виде длинного провода (или заземленной мачты) от антенны (установленной высоко) до земли (вернее – до места хорошего ВЧЗ) – не являются высокочастотным заземлением. Просто потому, что провод от антенны до хорошего ВЧЗ является длинной линией с заметной (в l) длиной, трансформирующей низкий импеданс хорошего ВЧЗ внизу во что угодно, но только не в ноль вверху, у антенны (подробнее см. п. 4.1.7.3).

 Как ЭТЗ это подходит – на килогерцах длина в l провода от антенны до земли ничтожна, и поэтому трансформации импеданса практически нет. А вот на ВЧ, увы…

 Поэтому использовать в качестве ВЧЗ верхушку металлической и хорошо заземленной внизу мачты неразумно – даже в лучшем случае (о коем речь впереди в п. 4.1.7.3) - высоте этой мачты l/2 (или кратной) это весьма неважное ВЧ заземление. Уже хотя бы потому, что ток, протекающий по мачте излучает, и следовательно имеет отбор мощности (потери) на излучение, и соответствующее этому отбору мощности активное (и не очень низкое) сопротивление. А для ВЧЗ сопротивление должно быть нулевым. Кроме того, излучение мачты изменяет Ga, Za и ДН основной антенны, что не всегда желательно.

 Если же высота заземленной мачты не кратна l/2, то её верхушка имеет высокий входной импеданс и служить ВЧЗ не может. Излучающей частью антенны – пожалуйста (см. п. 4.1.7.3), а ВЧЗ – нет.

Всё то же самое, что и в предыдущем пункте 5, но провод от точки питания антенны до земли (хорошего ВЧЗ) расположен внутри дома. Например, это шина заземления дома, шина земли в коробках распределительных шкафов 220 V, трубы водопровода или отопления. ЭТЗ будет хорошим, а будет ли это и ВЧЗ зависит от размеров дома и его ВЧ свойств.

 Надо различать три случая:

Материал дома – хороший диэлектрик. Обладает очень низкой проводимостью и почти не имеет активных потерь на ВЧ (сухое дерево, обожженный кирпич, керамическая плитка). В этом случае справедливо всё, сказанное в пункте 5. В самом деле – невелика разница, какой из сортов хорошего диэлектрика – воздух, керамика или дерево окружает идущий к земле провод.

 Хорошо проводящий дом (например, металлический ангар). Из-за высокой проводимости тепловых потерь почти нет. В принципе тоже вариант пункта 5, только в качестве заземленной мачты выступает сам дом. Большая толщина дома (как заземляющего проводника) приводит к низкой реактивности, и к тому, что ВЧЗ может оказаться и неплохим.

 Дом большой из плохого диэлектрика, с невысокой проводимостью и большими активными потерями на ВЧ (самый распространенный случай). Почти всё возможное излучение проводов идущих по дому до земли будет израсходовано на нагрев (тепловые потери) дома. Поэтому в любом случае добротность проводов внутри дома будет очень низкой и их входная реактивность соответственно – тоже. ВЧЗ будет не очень плохим (большой реактивности неоткуда взяться).

 В самом деле : не имеет большого значения, как расположить очень большую кучу глины и песка с несколькими проводами внутри: горизонтально (и назвать это землёй с радиалами) или вертикально (и назвать это домом).

Отличия дома с проводами внутри, от заземления, описанного в пункте 2:

 - Диэлектрик дома, как правило, имеет заметно худшую проводимость, чем почва (дома с отсыревшими стенами все же исключение, а влажная почва - норма). Поэтому хорошим заземлением (и ЭТЗ и ВЧЗ), даже при большом количестве проводов внутри дом быть не может. Применительно к антеннам это означает снижение Ga из-за падения КПД (часть мощности расходуется на нагрев дома).

- Заземляемый ВЧ ток будут растекаться по всему дому, который мы в данном случае считаем землёй. Но так считаем только мы. Остальные жильцы дома по старинке считают его просто жилищем. И размещают там разные бытовые радиоприборы. А наш ВЧ ток (вслед за нами) считает их частью земли. И пытается протечь и сквозь эти приборы. С соответствующими последствиями в виде помех. Причем помех принципиально неустранимых ни развязкой передатчика, ни дополнительной фильтрацией, ни подавлением излучения линии питания - ведь в данном случае антенна работает нормально – часть её тока течет через землю. А то, что в качестве этой земли используется дом, напичканный аппаратурой, антенна не виновата. Это вопрос к конструктору антенны, разместившему её столь неудачно.

В завершении параграфа. Надо чётко усвоить ЭТЗ и ВЧЗ – это разные заземления с разными функциями. ЭТЗ требуется практически всем электроприборам для электротехнической безопасности (в современных розетках часто присутствует третий, заземляющий провод – это ЭТЗ, на роль ВЧЗ непригодное). ВЧЗ требуется только некоторым антеннам (таких антенн, кстати, совсем немного - GP, LW, Windom), и не для безопасности, а для правильной работы антенны – приёма ВЧ тока от излучающей половинки антенны.

 Если по соображениям грозо- и электробезопасности надо заземлить по НЧ антенну, нуждающуюся в ВЧЗ, то требуются два заземления – и ВЧЗ и ЭТЗ. Иногда одно заземление может совмещать функции и ЭТЗ и ВЧЗ (некоторые из вариантов пунктов 2 и 6 этого параграфа), но такое бывает весьма редко.

 Стоит отметить, что ЭТЗ всегда нуждается в контакте с землёй (почвой, грунтом). Высокочастотное же заземление вполне можно выполнить как без прямого контакта с грунтом (например, через ёмкость, как в пункте 3 этого параграфа), так и вообще без всякого грунта – пара l/4 противовесов в линию (из пункта 4) отлично выполняет функцию ВЧЗ даже в свободном пространстве