Bodemeffekten bij HF-antennes 1
De aarde oefent op de werking van HF-antennes een sterke invloed uit. Dit werd al vaker betoogd, we zullen er daarom eens dieper op ingaan.
Faktoren die hierop invloed hebben zijn het geleidingsvermogen van de aarde en de reflektie van radiogolven aan het aardoppervlak.
Ook oefent de bodem invloed uit op de polarisatie-richting van de uitgestraalde golven.
Terugkaatsing van radiogolven
Radiogolven die het aardoppervlak raken worden op vrijwel dezelfde wijze als dit bij lichtstralen door b.v. een spiegel geschiedt teruggekaatst. De hoek van inval is dus gelijk aan de hoek van terugkaatsing. Dergelijke teruggekaatste golven kunnen zich met de boven de horizontaal uitgestraalde direkte golven verenigen, waarbij het van een aantal faktoren zoals de opstellingshoogte en lengte van de antenne, de bodemgesteldheid en de door de golven afgelegde afstand afhangt of deze golven een gegeven punt al dan niet in fase met elkaar zullen bereiken. De signaalsterkte in een gegeven punt (P) is afhankelijk van de onderlinge fase en amplitude van de direkte en de gereflekteerde golf.
Bij horizontaal gepolariseerde golven vindt bij terugkaatsing aan de aarde een fase verschuiving van 180° plaats.
Bij de vertikale antenne is het veld vertikaal. Hierbij vindt tijdens de terugkaatsing door de aarde geen fase-omkering plaats. In vele gevallen zal de teruggekaatste golf bij het bereiken van P een langere weg hebben afgelegd dan de direkte golf, waardoor een verdere onderlinge faseverschuiving ontstaat. De amplitude van de gereflekteerde golf wordt bepaald door de mate waarin absordtie door de aarde plaatsvindt, hetgeen weer afhankelijk is van de geleidbaarheid van de bodem. Indien twee golven met gelijke amplitude een gegeven punt in fase bereiken, zal de signaalsterkte in dat punt het dubbele zijn van de signaalsterkte van de direkte golf alleen.
Bereiken de golven het punt daarentegen met een onderling faseverschil van 180°, dan is de signaalsterkte nul. Indien in punt P de dubbele signaalsterkte wordt ontvangen is het zeer wel mogelijk dat op enige afstand van P een punt Q wordt gevonden waarin de signaalsterkte nul bedraagt, daar de tot dat punt of te leggen afstanden voor de direkte en de via het aardoppervlak teruggekaatste golven dusdanig verschillen, dat een faseverschil van 180° optreedt.
Daaruit blijkt dat het stralingsveld door de invloed van de bodemreflektie in maxima en minima uiteen kan vallen. Dit komt uiteraard ook in het stralingsdiagram tot uiting waarbij de lussen een ongeVeer twee keer zo grote maximum signaalsterkte aangeven als voor een dergelijke antenne in de vrije ruimte zou worden gevonden.
Invloed van bodemeffekten op het stralingsdiagram
1. De reflektiefaktor is de term, waarmede het stralingsdiagram van een antenne in de vrije ruimte moet worden vermenigvuldigd om de veldsterkte onder een bepaalde hoek in het vertikale vlak van een antenne te bepalen.
De maximale waarde van de reflektiefaktor is 2.
Bij die hoeken in het vertikale vlak, waarbij de reflektiefaktor maximaal is, zijn de direkte en de teruggekaatste golf in fase en komen dus veldsterktes van tweemaal de vrije-ruimte veldsterkte voor. De minimale waarde van de reflektiefaktor is nul. Bij die hoeken, waarbij de reflektiefaktor minimaal is, hebben de direkte en de teruggekaatste golf tegengestelde fasen en heffen zij elkaar geheel op. De reflektiefaktor kan dus, naar gelang van de hoek in het vertikale vlak (gemeten boven het grondvlak), wisselen van 0 tot 2. Voor hoeken beneden het grondvlak worden geen reflektiefaktoren gegeven.
2. De waarde van de reflektiefaktor is zowel van de hoogte boven de grond als van de richting van de antenne afhankelijk. De volgende tabellen geven de waarden van de reflektiefaktor onder verschillende hoe-ken voor een horizontale halve golflengte antenne.
| Hoek (°) | Reflektie faktor | Hoek (°) | Reflektie faktor | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 50 | 1,8 | |
| 10 | 0,5 | 60 | 1,95 | |
| 20 | 1,0 | 70 | 2,0 | |
| 30 | 1,5 | 80 | 2,0 | |
| 40 | 1,75 | 90 | 2,0 |
| Hoek (°) | Reflektie faktor | Hoek (°) | Reflektie faktor | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 50 | 1,4 | |
| 10 | 1,0 | 60 | 0,75 | |
| 20 | 1,75 | 70 | 0,4 | |
| 30 | 2,0 | 80 | 0,1 | |
| 40 | 1,75 | 90 | 0 |
| Hoek (°) | Reflektie faktor | Hoek (°) | Reflektie faktor | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 50 | 1,0 | |
| 10 | 1,5 | 60 | 1,7 | |
| 20 | 2,0 | 70 | 1,9 | |
| 30 | 1,5 | 80 | 2,0 | |
| 40 | 0 | 90 | 2,0 |
| Hoek (°) | Reflektie faktor | Hoek (°) | Reflektie faktor | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 50 | 1,95 | |
| 10 | 1,8 | 60 | 1,4 | |
| 20 | 1,6 | 70 | 0,6 | |
| 30 | 0 | 80 | 0,1 | |
| 40 | 1,6 | 90 | 0 |
Deze tabellen kunnen ook worden gebruikt voor een vertikale halve golflengte antenne. De hoogte boven de grond wordt gemeten vanaf het midden van de vertikale antenne. De voor de reflektiefaktor gegeven waarden moeten echter worden afgetrokken van 2. Is bijvoorbeeld, bij een bepaalde hoogte en hoek, een reflektiefaktor 1 gegeven voor de horizontale antenne, dan is de reflektiefaktor bij die hoek voor de vertikale antenne 2 - 1 = 1. Is de reflektiefaktor voor de horizontale antenne 0, dan is de reflektiefaktor voor de vertikale antenne 2 - 0 = 2.
3. Indien bovenstaande reflektiefaktoren worden toegepast op het stralingsdiagram van een horizontale halve golflengte antenne in de vrije ruimte ontstaan de stralingsdiagrammen uit fig. 1. Diagrammen A, C, E en G zijn vertikale stralingsdiagrammen in het vlak van de antenne zelf; B, D, F en H zijn diagrammen in het vlak, dat loodrecht op de antenne staat. A en B zijn van toepassing voor antennehoogten van een kwart golflengte, C en D voor antennehoogten van een halve golflengte, E en F voor hoogten van driekwart golflengte en G en H voor hoogten van een golflengte. Aan de hand van deze diagrammen kunnen de diagrammen voor tussenliggende hoogten worden geschat, de overgangen van diagram tot diagram zijn n.l. geleidelijk. Bij hoogten boven de grond van minder dan een kwart golflengte zijn de vertikale diagrammen voor een horizontale halve golflengte antenne vrijwel cirkelvormig. Naarmate de hoogte tot een kwart golflengte toeneemt neemt dit diagram aan de bovenzijde een ietwat afgeplatte vorm aan (fig. 1b). Wanneer de hoogte tot meer dan een kwart golflengte wordt vergroot neemt de breedte van het diagram toe en ontstaat bovenaan een instulping. Naarmate de hoogte de halve golflengte nadert wordt deze instulping dieper, totdat bij het bereiken van die hoogte het diagram zich in twee gescheiden lussen splitst. Op deze hoogte is de straling onder een hoek van 90° ("recht omhoog") nul (fig. 1d). Wanneer de hoogte van de antenne verder wordt vergroot vormt zich.een stralingslus in het midden van het diagram. Deze lus neemt in breedte toe naarm ate de antennehoogte toeneemt, terwijl de twee zijlussen verder uiteen worden gespreid, zodat de maxima onder minder grote hoeken voorkomen. Bij een antennehoogte van drie kwart golflengte heeft deze vertikale lus zijn grootste omvang en wordt de bovenzijde ietwat afgeplat (fig. 1f). Wanneer de hoogte van de antenne verder wordt vergroot vomit zich aan de bovenzijde van deze lus een instulping, welke dieper wordt naarmate de antennehoogte wordt vergroot.
Tenslotte splitst zich deze middenlus bij het bereiken van een antennehoogte van een golflengte in twee gescheiden delen (fig. 1h).
Aan de hand van fig. 1 kunnen ook de stralingsdiagrammen voor antennehoogten van meer dan een golflengte worden vastgesteld.
4. Wanneer de hoogte boven de grond van een horizontale antenne een oneven aantal kwart golflengten bedraagt, ontstaat een lus met maximale straling onder een hoek van 90° recht omhoog. Stel, dat een antenne op een kwart golflengte boven de grond is opgesteld. Neem aan, dat het momentele elektrische veld in de onmiddellijke omgeving van de antenne in een bepaalde, als positief aangeduide, richting maximaal is. Een deel van dit veld beweegt zich over een afstand van een kwart golflengte omlaag naar de aarde. Tijdens de terugkaatsing vindt een faseverschuiving van 180° plaats, het momentele elektrische veld is dan maximaal in de tegengestelde, als negatief aangeduide richting. Dit negatieve veld beweegt zich nu over een afstand van een kwart golflengte omhoog. Wanneer het teruggekaatste veld de antenne wederom bereikt, is een totale afstand van een halve golflengte afgelegd en dit in het tijdsverloop van een halve periode. Daardoor is inmiddels de polariteit van de energie in de antenne zelf omgekeerd. Dientengevolge bereikt de gereflekteerde golf de antenne in de juiste face om de direkte golf te versterken.
Deze versterking vindt niet alleen plaats bij een antennehoogte van een kwart golflengte, doch ook bij hoogten van 3, 5, 7 enz. kwart golflengten.
Bij alle antennehoogten van een oneven aantal kwart golflengten boven de grond ontstaat dus een maximale stralingslus onder een vertikale hoek van 90°.
5. Wanneer de hoogte boven de grond van een antenne een even aantal kwart golflengten bedraagt vindt onder een vertikale hoek van 90° geen (of minimale) uitstraling plaats. Bij een horizontale halve golflengte antenne, welke een halve golflengte boven de grond is opgesteld, moet het gedeelte van de straling, dat zich omlaag naar de grond beweegt, in totaal een afstand van een golflengte afleggen, voordat het de antenne weer bereikt.
De richting van dit veld is tijdens het terugkaatsingsproces omgekeerd. De teruggekaatste golf bereikt de antenne nadat een voile periode is verlopen en dan is het veld dat de antenne onmiddellijk omringt tot de oorspronkelijke richting of polariteit teruggekeerd.
Derhalve bereikt de teruggekaatste golf, met door de terugkaatsing omgekeerde polariteit, de antenne met een faseverschil t.o.v. de direkte golf van 180°. Als gevolg daarvan heffen de golven elkaar op en is de uitstraling onder een vertikale hoek van 90° minimaal. Dit gebeurt niet alleen bij antennehoogten van een golflengte, maar ook bij een antennehoogte van anderhalve golflengte, enz.
M.a.w. vindt onder een vertikale hoek van 90° geen uitstraling plaats bij alle antennehoogten boven de grond van een even aantal kwart golflengten.
6. Uit fig. 1 kan nog een andere faktor worden afgeleid om het vertikale stralingsdiagram voor een horizontale halve golflengte antenne, welke is opgesteld op een hoogte van meer dan een golflengte, vast te stellen.
Op een antennehoogte boven de grond van een kwart golflengte blijkt het stralingsdiagram uit slechts een lus te bestaan. Op een hoogte van tweekwart golflengte (λ/2) bestaat het diagram uit twee lussen. Op een hoogte van driekwart golflengte bestaat het diagram uit drie lussen. Op een hoogte van vierkwart golflengte (λ) boven de grond bestaat het diagram uit vier lussen.
Hieruit volgt dat voor iedere antennehoogte, het aantal lussen dat ontstaat gelijk is aan het aantal kwart golflengten, dat de antenne boven de grond is opgesteld. Men kan zich dus een redelijk goed beeld vormen van het vertikale stralingsdiagram van een horizontale halve golflengte antenne voor iedere mogelijke opstellingshoogte boven de grond.
Bijvoorbeeld: Wanneer een antenne zich op twee golflengten (d.i. dus op een even aantal kwart golflengten) boven de grond bevindt, ontstaat onder een vertikale hoek van 90° een minimum. Daar twee golflengten gelijk zijn aan acht kwart golflengten, bestaat het stralingsdiagram dan uit acht lussen.
PA0VER.
Deel 1 - deel 2.