Многие антенны и их разработчики пренебрегают истинной причиной потерь. Основная проблема при использовании коротких антенн — это реактивное сопротивление, а не длина! Реактивное сопротивление на самом деле означает, что напряжение и ток в этой точке системы больше не синфазны или сдвинуты на 180 градусов.
В результате при той же активной рабочей мощности реактивная мощность, или вольт-ампер-реактивная мощность, выше. Можно сказать, что «полная мощность» выше, в то время как «мощность, совершающая действительную работу», остаётся прежней.
Предположим, у нас есть передатчик с выходной мощностью 100 Вт. При нулевой реактивной нагрузке среднеквадратичное напряжение, умноженное на среднеквадратичное значение тока, будет равно 100. Помните формулу P = I E? Если нагрузка 50 Ом, то мы получим 70,7 вольт умножить на 1,414 ампера.
При добавлении реактивного сопротивления в систему напряжение и ток в этой точке системы перестают быть синфазными. Чтобы получить 100 Вт действительно полезной мощности, нам нужно 1000 вольт и 2 ампера! Это 2 кВт реактивной мощности при передатчике мощностью 100 Вт. Именно поэтому в фидерных линиях возникают потери, а тюнеры выходят из строя, когда антенная система слишком реактивна.
Что делает реактивная мощность?
Авторский первый урок по реактивной мощности произошёл где-то в 1962 или 63 году. Автор был новичком и использовал один 807-й в своём самодельном передатчике. Он выдавал 60–75 Вт входной мощности и около 30–50 Вт выходной. Была попытка нагрузить свой 40-метровый диполь на 80-метровом диапазоне, и тогда фидерная линия буквально расплавилась!
Давайте рассмотрим пример 80-метрового диполя. При 100 Вт и резонансе 80-метрового диполя небольшой высоты мы получаем 1,32 А при 75,9 В в точке питания. КСВ на 50 Ом составляет 1,15:1.
Частота = 3,72 МГц
Напряжение источника 1 = 75,89 В при -0,1 градуса.
Ток = 1,318 А при 0,0 градусах. Импеданс = 57,59 — J 0,09832 Ом
Мощность = 100 Вт
КСВ (система 50 Ом) = 1,152 (система 450 Ом) = 7,813
Давайте укоротим диполь…
Для G5RV длиной 102 фута имеем:
Частота = 3,72 МГц
Напряжение источника 1 = 143,5 В при -61,09 градуса
Ток = 1,441 А при 0,0 градусах
Импеданс = 48,16 — J 87,19 Ом
Мощность = 100 Вт
КСВ (система 50 Ом) = 4,957 (система 450 Ом) = 9,699
Обратите внимание, что если умножить 1,441 ампера на 143,5 вольта, то получим 206,8 Вт реактивной мощности.
Для диполя G5RV длиной 102 фута получаем 1,44 ампера и 143,5 вольта. Реактивная мощность составляет 206,6 Вт при активной мощности 100 Вт. КСВ при сопротивлении 50 Ом составляет 5:1. Потери несущественны, поскольку реактивная мощность составляет всего 207 Вт.
Давайте ещё больше укоротим диполь…
Когда мы укоротим антенну до 88 футов, возникнет проблема.
Частота = 3,72 МГц
Напряжение источника 1 = 1078 В при -87,53 градусах
Ток = 2,153 А при 0 градусах
Импеданс = 21,58 — J 500,3 Ом
Мощность = 100 Вт
КСВ (система 50 Ом) > 100 (система 450 Ом) = 46,651
Какое изменение в системе! При передатчике мощностью 100 Вт ток теперь составляет 2,15 ампер, а напряжение — 1078 вольт. КСВ на 50 Ом превышает 100:1. Реактивная мощность в точке питания антенны составляет 2317 Вт при подводимой активной мощности всего 100 Вт. Что касается всей системы, включая согласование, линию питания, проводники и изоляторы, то это равносильно тому, что мы увеличили уровень мощности в 23 раза.
А как насчёт экстремального варианта?
Рассмотрим 20-метровый диполь на 80 метрах.
Частота = 3,72 МГц
Напряжение источника 1 = 14570 В при -89,94 градуса
Ток = 6,233 А при 0,0 градусах
Импеданс = 2,574 — J 2338 Ом
Мощность = 100 Вт
КСВ (система 50 Ом) > 100 (система 450 Ом) > 100
Реактивная мощность теперь составляет 9,1 кВт с передатчиком мощностью 100 Вт.
Заключение
Реактивная мощность — настоящий убийца эффективности системы и повреждения компонентов. Реактивная мощность — настоящая причина того, что очень короткий диполь нагружает компоненты системы и имеет ужасную эффективность.
На 80-метровом диполе можно обойтись без диполя длиной 88 футов (28,5 м) при условии правильной компенсации реактивного сопротивления. Правильная компенсация реактивного сопротивления выравнивает фазу напряжения и тока, снижая полную мощность, передаваемую системой. Это снижает потери.
Требуемые компоненты должны быть рассчитаны на повышенное напряжение и ток. 100-ваттный передатчик, работающий на высокореактивную нагрузку, может похвастаться мощностью 9 кВт с точки зрения компонентов в реактивной части системы. Это означает, что фидерная линия, симметрирующий трансформатор и тюнер должны быть рассчитаны с запасом при использовании короткого диполя, иначе придётся работать на очень низкой мощности. Это также означает высокие потери. При высоком уровне реактивной мощности необходимо использовать компоненты с очень низкими потерями, иначе энергия преобразуется в тепло.
Если рассматривать только антенну, то мы почти не заметим изменений в её характеристиках при уменьшении длины с 130 футов до 50 футов или менее на диапазоне 80 метров. Проблема в том, что реактивная мощность очень короткой антенны создаёт нагрузку на другие компоненты, включая фидер, балун и тюнер.
Мы, вероятно, не заметим потери мощности в 5 дБ, ведь условия могут меняться на много децибел изо дня в день. Именно поэтому операторы QRP часто предпочитают использовать неэффективные антенны. Операторы, размещающие свои антенны в условиях конкуренции, могут почувствовать, что что-то не так. Конечно, в случае QRO низкая эффективность бросается в глаза, как пощёчина. Расплавленный тюнер, балун или фидер обязательно кого-нибудь заинтересуют.
Потери мощности могут легко ускользнуть от нашего «радара» при мощности 100 Вт или меньше, но на высокой мощности дополнительные нагрузки на компоненты привлекут наше внимание!
W8JI
