Как заземлить антенну и как уберечь трансивер (радиостанцию) или приёмник от статического электричества и попадания молнии

Если в ваши планы не входит уничтожение радиоэлектронной аппаратуры в доме или трансивера, с которого вы проводите связи, то у вас:
• Антенна должна быть короткозамкнутой для постоянного тока;
• Антенна должна быть правильно заземлена.

Конечно, можно просто натянуть КВ диполь, подключив одно его плечо к центральной жиле коаксиального кабеля, а другое к оплётке и перед каждой грозой или сильным ветром в сухую погоду отключать антенну от трансивера, замыкать её и заземлять, но однажды может наступить день, когда вы забудете или не сможете это сделать, например в виду неожиданности события (молнии бьют не только в грозу).

Особенно актуально выполнять антенну короткозамкнутой для постоянного тока и надёжно заземлять её, если это:

Антенна на КВ диапазон.
Такая антенна имеет значительную длину плеч, а следовательно и большую ёмкость к земле и грозовым тучам, значительную индуктивность, способна накапливать значительные энергии статического электричества или на неё могут наводиться импульсы большой энергии при грозовых разрядах.

Антенна установлена на мачте значительной высоты (по сравнению с окружающими предметами).
Такая антенна является точкой концентрации значительных потенциалов статического электричества, особенно если её конец весьма острый, и следовательно потенциальной точкой попадания грозового разряда.

Нужно отметить, что все промышленные антенны имеют в своём составе элементы обеспечивающие их короткое замыкание по постоянному току и рассчитаны на подключение к ним заземления (установки на мачту соединённую с контуром заземления).

Замыкание антенны по постоянному току

Если антенна изначально не является короткозамкнутой по постоянному току (квадрат, треугольник, разрезной петлевой вибратор), то для её замыкания можно использовать:

Дроссель
Дроссель подбирают так, что бы его реактивное сопротивление было примерно в 5-20 раз больше волнового сопротивления антенны.
Например, для антенны "Граунд плайн 1/4" на диапазон 10 метров (27 МГц или 28 МГц), такому условию удовлетворяет дроссель из 15 витков провода 3 мм намотанных с зазором 1 мм на оправке 30мм. Индуктивность такого дросселя порядка 2.8 мкГн, а его реактивное сопротивление на частоте 27 МГц будет 467 Ом, что почти в 10 раз выше волнового сопротивления антенны "Граунд плайн 1/4" (50 Ом).
На рабочей частоте такой дроссель не будет оказывать никакого ощутимого влияния на работу антенны и КСВ, но для более низкочастотных импульсов и тем более постоянного тока (статического электричества) он будет являться элементом замыкающим антенну.
Преимущества дросселя:
- Компактность;
- В случае если антенна многодиапазонная то дроссель, будучи рассчитан на самый низкочастотный диапазон (частоту) не будет оказывать влияние на более высокочастотные диапазоны (частоты).
Недостатки дросселя:
- В некоторых случаях дроссель может явиться колебательной системой LC контуром с распределёнными параметрами и резонировать на некой частоте, что приведёт к ухудшению параметров антенны.

Четвертьволновую короткозамкнутую линию
Четвертьволновая короткозамкнутая линия, в простейшем случае, есть не что иное как отрезок такого же фидера, как фидер идущий от антенны, длиной 1/4 L на рабочей частоте, естественно с учётом К_укорочения данного фидера, замкнутую на одном конце и подключенную параллельно фидеру другим концом (соответственно - оплётка к оплётке, центральная к центральной жиле, если это коаксиальный кабель).
Четвертьволновая линия замкнутая на конце является по сути параллельным LC контуром настроенным на рабочую частоту (частоту для которой её длина равна 1/4L), то есть оказывает большое сопротивление токам частоты на которую настроена и малое сопротивление токам любых других частот и постоянному напряжению.
Преимущества 1/4L короткозамкнутой линии:
- Возможность выполнения КЗ по постоянному току на высокочастотных диапазонах УКВ (VHF/UHF) без опасения, что будут потери в КЗ элементе.
- Дополнительная фильтрация сигналов как принимаемых из эфира так и излучаемых.
Недостатки 1/4L короткозамкнутой линии:
- Невозможность выполнения КЗ элемента таким способом на несколько диапазонов (частот).
- Большой физический объём в случае изготовления для КВ диапазонов.

Важно отметить, что какой бы не был КЗ элемент, обязательно к его выводам подключить разрядник на напряжение в 2-4 раза больше, чем напряжение развиваемое передатчиком.
Например, для передатчика мощностью 100 Ватт напряжение на которое должен быть рассчитан разрядник будет порядка 250 вольт.
Если антенна исключительно приёмная, то разрядник должен быть на как можно меньшее напряжение.
Разрядник необходим на случай прямого попадания молнии или наведения очень сильной наводки, например, от близкого грозового разряда. В таком случае разрядник замкнёт КЗ элемент антенны, который мог бы сам стать резонатором и в нём могли бы возникнуть колебания некой частоты, большой, порой огромной мощности, которые бы привели к разрушению или связной аппаратуры или бытовой электроники. Разрядник в момент пробоя снижает добротность такого резонатора и ограничивает напряжение, действующее в системе до относительно безопасного уровня.
Особенно актуален разрядник для короткозамкнутых 1/4L линий, так как такие линии являются колебательными системами с весьма высокой добротностью, настроенными непосредственно на полезную частоту, то есть частоту, которая будет пропущена любыми ФНЧ/ФВЧ и контурами связного тракта.
Для этой цели вполне подходят промышленные разрядники, которые можно купить в магазинах торгующих электронными компонентами, например:

На параметрах антенны такой разрядник в нормальном состоянии не будет сказываться, так как имеет весьма малую ёмкость и большое сопротивление. Разрядник, который замерил автор (приведён на фото) имел ёмкость всего 0,2 пф.
Естественно, что такие "мелкие" разрядники одноразовые, то есть при возникновении нештатной ситуации, скорее всего они физически разрушаться "выгорят", но и не стоит забывать, что при возникновении таких ситуаций, в любом случае потребуется техническое обслуживание и самой антенны, какой бы прочной она не была.

Заземление антенны

Большинство антенн нельзя заземлить просто соединив один из проводов с контуром заземления, по причине того, что это нарушит симметрирование антенны, исказит диаграмму направленности, приведёт к затеканию ВЧ токов в контур заземления и как следствие к помехам на телевизоры или для другой бытовой аппаратуры в доме.

Заземлять антенну нужно через один из элементов, которые были описаны выше для обеспечения короткого замыкания по постоянному току. Параллельно КЗ элементу нужно подключить и разрядник.

Ориентировочная схема заземления и организации КЗ по постоянному току для антенны 1/4 граунд плайн:

Ориентировочная схема заземления антенны ГП 1/4, заземления диполя

Заземлять антенну необходимо только на специально предусмотренный для этого контур заземления.
Найти контур заземления на крышах панельных домов, высотках и домах выполненных в соответствии с строительными нормами весьма просто - обычно к нему подключены мачты коллективных антенн.
Контур заземления, это не просто торчащая поблизости арматура или какой то стальной прут. Контур заземления обычно проложен по всей крыше, это отдельный проводник выполненный из стальной проволоки или ленты достаточного сечения, обычно, если это проволока, то её диаметр порядка 5-6мм или более.
В частном доме заземление нужно организовать самостоятельно, для этого ознакомиться с строительными нормами и правилами относительно данного предмета.

Заземление это не шутки, его нужно выполнять так, что бы контакты обеспечивали минимальное сопротивление и были механически надёжны, долговечны.
Если вы подключаетесь к имеющемуся контуру заземления, то обязательно хорошо зачистите место подключения и проводник, которым будет выполнено подключение, затем, после того как подключение выполнено, защитите место подключения от коррозии.

Почему важно иметь хороший контакт в контуре заземления?
Ток в разряде молнии достигает 10-100 тысяч ампер - по данным Википедии, следовательно мы можем руководствуясь законом Ома вычислить напряжение которое окажется на выводах условного резистора, который представляет собой наш контакт или проводник.
Предположим, что в антенну ударила самая чахлая, ничтожная молния, которая вызвала протекание по контуру заземления тока всего 5000 ампер, при этом сопротивление в неком месте контура заземления, на пути протекания тока было равно всего 1 Ом, тогда:
U=I*R, или U=5000*1 или 5000 вольт будет действовать на выводах этого сопротивления (контакта, проводника)!
То есть 5000 вольт с током в тысячи ампер могут оказаться приложенным к концу коаксиального кабеля вашей антенны, а следовательно и корпусу аппарата, если сопротивление антенна-земля будет всего лишь 1 Ом, а ведь обычно оно больше.
Для сравнения, применяемый для казни в США электрический стул оперирует напряжением порядка 6000 вольт с током до 1 ампера. Конечно, электрический стул долговременно прикладывает напряжение к телу, а молния лишь очень короткое время, тысячные доли секунды, но этого может вполне хватить для уничтожения бытовой электроники и возникновения крайне неприятных ощущений у оператора-связиста.

По той же самой причине, почему важен хороший контакт и низкое сопротивление в контуре заземления, важно выполнять и КЗ элементы антенны из проводников достаточно большого сечения. Провод диаметром 1мм не подойдёт.
Не подходят в качестве КЗ элементов и резисторы, особенно большого сопротивления (килоомы). От накопления статического электричества на полотне антенны конечно резистор сопротивлением 10-50 кОм поможет, но он будет бесполезен в случае, если на полотно антенны будет воздействовать сильная электромагнитная наводка, скажем от грозового разряда, который произошёл недалеко (до 5 км) от места установки антенны или в облаках, над антенной, не говоря уже о непосредственном попадании молнии в антенну.

Дополнительные меры грозозащиты в антенно-фидерном тракте

Задача конструктора антенно-фидерного тракта в данной части состоит в том, что бы максимально увеличить сопротивление импульсу тока при минимальном сопротивлении рабочей частоте.
Несколько витков коаксиального фидера на феррите от строчного трансформатора телевизора окажутся именно таким дополнительным сопротивлением, которое не пропустит импульс к вашей аппаратуре. Молния формирует весьма короткий импульс, следовательно даже небольшая индуктивность на пути этого импульса будет довольно значительным сопротивлением, в итоге большая часть импульса пройдёт по цепям с меньшей индуктивностью и следовательно меньшему реактивному сопротивлению - по контору заземления.
Не лишним будут дополнительные разрядники и КЗ элементы уже на подходе фидера к связному аппарату. Здесь они могут быть рассчитаны уже на менее внушительные токи, ведь основная мощность импульса уже погаснет рядом с антенной, на КЗ элементах антенны.

Некоторые моменты, которые надо знать при подключении аппаратуры к заземлённой антенне

- Если в вашем доме не предусмотрена или неисправна магистраль заземления, то современные устройства, питающиеся от импульсных блоков питания, будут иметь потенциал порядка 110 вольт (хоть и с весьма малым, но ощутимым током) на своём корпусе по отношению к заземлению.
- Если магистраль заземления есть в вашем доме, ваш связной аппарат соединён с ней и с заземлённой антенной, то при аварии на магистрали заземления можно увидеть фейерверк или дым рядом с аппаратом, нагрев фидера, так как все "кривые" токи от различных бытовых устройств потекут именно через корпус вашей радиостанции к контуру заземления.
Вообще заземлять всё надо в одной точке, что бы не создавать путь для блуждающих токов, однако при этом изоляция, например, межобмоточная, в блоке питания трансивера, должны быть рассчитана выдерживать напряжения, которые могут создавать те самые блуждающие токи (2-3 киловольта).
- Если прикоснуться одновременно к фазовому проводу и к заземлённому устройству (например, радиостанции), то бить будет нещадно, возможно до смерти.

Данная статья содержит не полные и возможно не точные сведения о грозозащите, однако, от некоторых страшных последствий читателя даже приведённые в статье меры могут спасти.
Автор статьи не несёт ответственности за жизнь читателя, возможную порчу оборудования или иной ущерб, который может возникнуть у читателя.
Автор рекомендует читателю самостоятельно найти и ознакомиться с дополнительными материалами относительно грозозащиты.

Автор статьи:

250 из Новосибирск (Новосибирская обл)