Elektrisk förlängning och förkortning

Hos antenner måste vi skilja mellan mekanisk och elektrisk längd. Den mekaniska längden är helt enkelt den faktiskt mätbara längden på antenntråden eller strålaren. Den elektriska längden beskriver däremot hur lång antennen verkar elektriskt vid den aktuella frekvensen. Den kan bland annat ändras med spolar och kondensatorer, utan att strålarens mekaniska längd behöver ändras.

Låt oss först titta på antenner nära sin grundresonans. En halvvågsdipol är resonant vid en total längd på ungefär $\lambda/2$, en groundplane med en enda vertikal strålare vid en strålarlängd på ungefär $\lambda/4$. Är en sådan antenn för kort för önskad frekvens har dess matningsimpedans en kapacitiv reaktiv del. En spole kan kompensera den kapacitiva reaktansen. Man talar då om en elektrisk förlängning av antennen. Är antennen däremot för lång för önskad frekvens har dess matningsimpedans en induktiv reaktiv del. Den kan kompenseras med en kondensator. Man talar då om en elektrisk förkortning. En spole förlänger alltså en antenn elektriskt, en kondensator förkortar den elektriskt. Strålarens mekaniska längd förblir oförändrad.

TODO
Figur HAREC-19.16.1: Strålningsmönster och strömfördelning hos vertikalantenner över ideal jord

Ett intressant exempel är $\frac{5}{8}\lambda$-vertikalantennen med en längd på, omräknat, $\qty{0,625}{\lambda}$ (jfr figur HAREC-19.16.2). Strålaren är mekaniskt ungefär 2,5 gånger så lång som hos en vanlig $\frac{\lambda}{4}$-groundplane ($\qty{0,25}{\lambda}$). Den större strålarlängden förändrar det vertikala strålningsdiagrammet till det bättre, som figur HAREC-19.16.1 visar: Mer av den utstrålade effekten samlas mot horisonten, mindre strålas uppåt eller nedåt. Det ger vid markbundna förbindelser med samma effekt vanligtvis längre räckvidd. En strålarlängd på ungefär $\frac{5}{8} \lambda$ är optimal för den här effekten: Förlängs strålaren ytterligare går åter mer effekt förlorad uppåt och nedåt.

Dock är den här antennen inte resonant vid strålarlängden $\frac{5}{8}\lambda=\qty{0,625}{\lambda}$. För resonans skulle strålarlängden behöva förkortas till $\frac{\lambda}{2}=\qty{0,5}{\lambda}$ eller förlängas till $\frac{3}{4}\lambda=\qty{0,75}{\lambda}$. Båda skulle ge mindre effekt mot horisonten. Det är bättre att, för den bättre fokuseringens skull, behålla strålarlängden $\frac{5}{8}\lambda$ och åstadkomma resonans elektriskt, alltså förlänga antennen elektriskt. Ett av flera sätt är en basspole (förlängningsspole i foten). Spolen ger en induktiv reaktans som kompenserar den kapacitiva reaktansen hos $\frac{5}{8}\lambda$-strålaren. Den impedans som uppnås är mycket lik impedansen hos en antenn med strålarlängden $\frac{3}{4}\lambda=\qty{0,75}{\lambda}$.

1) Kort beskrivning: Schematisk bild av en vertikal antenn (”mek. 5/8 λ”) med inkopplad spole och fyra horisontella radialer (”λ/4”).

2) Utförlig beskrivning: Bilden visar en schematisk bild av en vertikal strålare med en spole inkopplad vid nedre änden. Strålaren är ansluten till innerledaren i en nedåtgående koaxialkabel. Från koaxialkabelns ytterledare går fyra horisontella ledare (radialer) utåt med 90° mellanrum. Parallellt med den vertikala strålaren finns en uppåt och nedåt riktad pil märkt ”mek. 5/8 λ”. Parallellt med en av radialerna syns en inåt och utåt riktad pil märkt ”λ/4”.
Figur HAREC-19.16.2: $\qty{5}{8}\lambda$-vertikalantenn

Omvänt kan en antenn som nära sin grundresonans är mekaniskt något för lång förkortas elektriskt med en kondensator (jfr figur HAREC-19.16.3). Kondensatorn ger en kapacitiv reaktans och kompenserar därmed den induktiva reaktansen hos den för långa strålaren.

1) Kort beskrivning: Schematisk bild av en vertikal antenn (”mek. > λ/4”) med inkopplad kondensator och fyra horisontella radialer (”λ/4”).

2) Utförlig beskrivning: Bilden visar en schematisk bild av en vertikal strålare med en kondensator (två horisontella streck) inkopplad vid nedre änden. Strålaren är ansluten till innerledaren i en nedåtgående koaxialkabel. Från koaxialkabelns ytterledare går fyra horisontella ledare (radialer) utåt med 90° mellanrum. Parallellt med den vertikala strålaren finns en uppåt och nedåt riktad pil märkt ”mek. > λ/4”. Parallellt med en av radialerna syns en inåt och utåt riktad pil märkt ”λ/4”.
Figur HAREC-19.16.3: Vertikalantenn med förkortningskondensator

Även hos en dipol kan man först utifrån dess mekaniska längd uppskatta om en elektrisk förlängning eller förkortning behövs för önskad grundresonans.


Fortsätt till nästa avsnitt: NVIS