Μάθημα 18ο Η έννοια της κεραίας
6.2 Η έννοια της κεραίας
Στην εισαγωγή του κεφαλαίου είδαμε ότι οι κεραίες είναι διατάξεις αποτελούμενες από συστήματα αγωγών, που εκπέμπουν ή συλλαμβάνουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Για την εκπομπή οι κεραίες συνδέονται στην έξοδο ενός πομπού, ενώ για τη λήψη συνδέονται στην είσοδο ενός δέκτη. Μια κεραία εκπομπής μπορεί εξίσου καλά να εργαστεί και ως κεραία λήψης, και αντίστροφα. Μάλιστα αυτή η κεραία θα διατηρεί τις ίδιες ιδιότητες (π.χ. προτίμηση προς ορισμένη κατεύθυνση εκπομπής – λήψης) και στους δύο ρόλους. Για το λόγο αυτό, όταν εξετάζουμε κεραίες, συνήθως περιοριζόμαστε στις κεραίες εκπομπής, αφού η μελέτη τους καλύπτει και τις κεραίες λήψης. Στην πράξη όμως οι κεραίες εκπομπής έχουν συνήθως διαφορετική μορφή από τις κεραίες λήψης, γιατί σχεδιάζονται για να ικανοποιούν διαφορετικές απαιτήσεις.
Μια κεραία σε λειτουργία μπορεί να θεωρηθεί κύκλωμα συντονισμού με πηνίο – πυκνωτή σε σειρά, όπως αυτό του σχήματος 6-10(α). Επειδή ένα τέτοιο κύκλωμα έχει μικρές διαστάσεις, δεν είναι δυνατό να ακτινοβολήσει ικανοποιητικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ρεύματα που κυκλοφορούν στις πλευρές του βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους και έχουν αντίθετες κατευθύνσεις, έτσι ώστε οι επιδράσεις τους αλληλοεξουδετερώνονται.
Απομακρύνοντας τις πλάκες του πυκνωτή, τα ρεύματα απομακρύνονται μεταξύ τους και αρχίζουν να ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση. Ένα τέτοιο κύκλωμα, όπως του σχήματος 6-10(β), ακτινοβολεί, αλλά και πάλι όχι ικανοποιητικά, αφού τα ρεύματα στις πλάκες του πυκνωτή εξακολουθούν να έχουν αντίθετες κατευθύνσεις. Αν όμως καταργήσουμε τις πλάκες και αντικαταστήσουμε το πηνίο με ευθύγραμμο αγωγό, όπως στο 6-10(γ), τα ρεύματα γίνονται παντού ομόρροπα και το κύκλωμα μετατρέπεται σε κεραία που εκπέμπει κανονικά. Η αρχική χωρητικότητα και αυτεπαγωγή εξακολουθούν να υπάρχουν κατανεμημένες κατά μήκος της κεραίας (σχήμα 6-10(δ)).
Στο σημείο αυτό πρέπει να λάβουμε υπ' όψη ότι οι κεραίες συνδέονται στις εξόδους των πομπών με τη βοήθεια γραμμών μεταφοράς και να θυμηθούμε ότι ένα κομμάτι γραμμής μεταφοράς με μήκος λ/4 και ανοιχτό στο τέρμα του, συμπεριφέρεται σαν ένα συντονιζόμενο κύκλωμα σειράς, όπως αυτό του σχήματος 6-10(α). Αν λοιπόν πάρουμε μια γραμμή μεταφοράς και σε μήκος λ/4 από το άκρο της απομακρύνουμε τους αγωγούς μεταξύ τους, θα έχουμε μια κανονική κεραία.
Η κεραία του σχήματος 6-11 είναι μια κεραία λ/2 που ονομάζεται και δίπολο. Οι κατανομές της τάσης και του ρεύματος κατά μήκος αυτής της κεραίας θυμίζουν τη γραμμή λ/4 με ανοιχτό τέρμα. Στο μέσο της κεραίας όπου συνδέεται η πηγή τροφοδοσίας, εμφανίζεται κοιλία ρεύματος, ενώ στα άκρα της κεραίας εμφανίζονται κοιλίες τάσης. Τα ρεύματα και οι τάσεις δημιουργούν γύρω από την κεραία ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Πολύ κοντά στην κεραία το πεδίο είναι στενά συνδεδεμένο μαζί της και το μεγαλύτερο μέρος του απλώς πηγαινοέρχεται μεταξύ της κεραίας και του γύρω χώρου, χωρίς να ακτινοβολείται μακρύτερα. Το κοντινό αυτό πεδίο ονομάζεται πεδίο επαγωγής και έχει το χαρακτηριστικό ότι εξασθενεί γρήγορα με την απόσταση, έτσι ώστε σε μερικά μήκη κύματος μακρύτερα από την κεραία, πρακτικά εξαφανίζεται. Ένα μέρος όμως από την ενέργεια του κοντινού πεδίου αποσπάται από την κεραία και δεν επιστρέφει πίσω σ' αυτή. Αυτό το μέρος ενέργειας απομακρύνεται με την ταχύτητα του φωτός και διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σε περιοχές λοιπόν μακριά από την κεραία υπάρχει μόνο αυτό το πεδίο, που ονομάζεται πεδίο ακτινοβολίας και έχει το χαρακτηριστικό ότι δεν εξασθενεί σημαντικά με την απόσταση. Οι ασύρματες συνδέσεις μεταξύ των κεραιών εκπομπής και των μακρινών κεραιών λήψης γίνονται με τη βοήθεια του πεδίου ακτινοβολίας.
6.2.1 Τύποι κεραιών εκπομπής
Οι κεραίες μπορούν να χωριστούν σε συντονισμένες και ασυντόνιστες. Οι συντονισμένες κεραίες έχουν μήκος που είναι προσαρμοσμένο στη συχνότητα του ρεύματος της πηγής και δεν μπορούν να λειτουργήσουν ικανοποιητικά σε διαφορετικές απ' αυτή συχνότητες. Αντίθετα, οι ασυντόνιστες κεραίες μπορούν να λειτουργήσουν εξίσου καλά σε πολύ διαφορετικές μεταξύ τους συχνότητες. Οι κεραίες όμως αυτές έχουν συνήθως μεγάλο μήκος και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους δεν είναι απολύτως σταθερά, γιατί μεταβάλλονται εύκολα από τις επιδράσεις του γύρω χώρου. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιούνται σχετικά σπάνια.
Οι συντονισμένες κεραίες χρησιμοποιούνται πολύ συχνά. Και αυτές με τη σειρά τους χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις συμμετρικές και τις ασύμμετρες. Οι συμμετρικές κεραίες προέρχονται από άνοιγμα γραμμών λ/4, έχουν, δηλαδή, γεωμετρικό μήκος l=λ/2. Αυτές, όπως είδαμε, ονομάζονται δίπολα ή κεραίες Χερτζ. Μια τέτοια συμμετρική κεραία είναι αυτή του σχήματος 6-14. Αντίθετα οι ασύμμετρες κεραίες έχουν το μισό μήκος από τις συμμετρικές, γιατί τους λείπει το ένα από τα δύο τμήματα λ/4, που απαρτίζουν το δίπολο. Οι κεραίες αυτές βασίζουν τη λειτουργία τους στο φαινόμενο του ηλεκτρικού ειδώλου. Το ηλεκτρικό είδωλο σχηματίζεται με τη βοήθεια ενός αγώγιμου επιπέδου, το οποίο τοποθετείται κάθετα στον άξονα της κεραίας κοντά στη θέση του σημείου τροφοδοσίας της. Το επίπεδο αυτό λειτουργεί σαν καθρέφτης για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και έτσι το πεδίο της ασύμμετρης κεραίας παραμένει ίδιο με αυτό της συμμετρικής. Οι κεραίες αυτού του τύπου ονομάζονται κεραίες λ/4 ή κεραίες Μαρκόνι. Το ρόλο του αγώγιμου επιπέδου μπορεί να τον παίζει το έδαφος ή μια κατάλληλη μεταλλική κατασκευή (σχήμα 6-12).
Ο συντονισμός των παραπάνω κεραιών στη συχνότητα εκπομπής fγίνεται με ρύθμιση του μήκους τους, βάσει της σχέσης (6.1). Έτσι έχουμε :
Όταν χρησιμοποιούμε αυτούς τους τύπους, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η ταχύτητα uαντιπροσωπεύει την ταχύτητα του ρεύματος στην κεραία, που είναι μικρότερη κατά 5 ως 10% από την ταχύτητα του φωτός. Στην πράξη παίρνουμε u = 285.000.000 μέτρα το δευτερόλεπτο και βγάζουμε το μήκος της κεραίας σε μέτρα.
6.2.2 Χαρακτηριστικά κεραιών
Για κάθε κεραία υπάρχουν μια σειρά από μεγέθη που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία της και την καταλληλότητά της για κάθε περίπτωση χρήσης. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι τα εξής :
- Η ιδιοσυχνότητα fo.
Η ιδιοσυχνότητα είναι η συχνότητα στην οποία συντονίζεται μια κεραία με δοσμένο μήκος. Όπως είδαμε, μια κεραία συμπεριφέρεται σαν συντονισμένο κύκλωμα LC και η συχνότητα συντονισμού της μπορεί να υπολογιστεί βάσει των τιμών της κατανεμημένης χωρητικότητας και αυτεπαγωγής της. Επειδή όμως αυτά τα μεγέθη δεν είναι γνωστά, καταφεύγουμε στις σχέσεις (6.3) και (6.4), που τις λύνουμε ως προς f και υπολογίζουμε την ιδιοσυχνότητα, βάσει του μήκους l. Έτσι έχουμε :
- Το ενεργό ύψος hεν.
Οι κεραίες δεν ακτινοβολούν εξίσου ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά κύματα απ' όλα τα σημεία τους. Κοντά στο σημείο τροφοδοσίας η ένταση του ρεύματος είναι μεγάλη και απ' αυτό εκπέμπονται και τα πιο ισχυρά κύματα. Στα άκρα όπου το ρεύμα μηδενίζεται η εκπομπή είναι μηδενική. Αν η κατανομή του ρεύματος κατά μήκος της κεραίας ήταν ομοιόμορφη, τότε θα είχαμε το ίδιο ισχυρή εκπομπή με μικρότερο ύψος κεραίας. Αυτό το μικρότερο ύψος ονομάζεται ενεργό ή ηλεκτρικό ύψος και είναι περίπου το 60% του γεωμετρικού ύψους l.
- Οι αντιστάσεις εισόδου και ακτινοβολίας.
Η κεραία αντιπροσωπεύει μια αντίσταση φορτίου για την πηγή που την τροφοδοτεί. Εφόσον η κεραία ακτινοβολεί, αφαιρεί κάποιο ποσό ενέργειας από την πηγή. Αυτό το ποσό ενέργειας θεωρείται ότι καταναλώνεται πάνω σε μια ισοδύναμη ωμική αντίσταση, που ονομάζεται αντίσταση ακτινοβολίας (Rr). Εκτός από την ενέργεια που ακτινοβολείται, κάποιο επιπλέον ποσό ενέργειας καταναλώνεται στην κεραία χωρίς να ακτινοβοληθεί. Το ποσό αυτό μετατρέπεται σε θερμότητα στις διάφορες αντιστάσεις των αγωγών ή χάνεται σε διαρροές λόγω των κακών μονώσεων. Αυτό το ποσό ενέργειας λέμε ότι καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση απωλειών (Rα). Το άθροισμα αυτών των δύο αντιστάσεων ονομάζεται αντίσταση εισόδου (Rin) της κεραίας. Μια κεραία λ/2 έχει αντίσταση ακτινοβολίας περίπου 73 Ω και αντίσταση απωλειών περίπου 7 Ω. Έτσι η αντίσταση εισόδου της είναι 73+7=80 Ω. Μια κεραία λ/4 έχει ακριβώς τις μισές τιμές αυτών των αντιστάσεων. Έτσι:
Rin= Rr + Rα = 73 + 7 = 80 Ω(για κεραία λ/2)
Rin = Rr + Rα = 36,5 + 3,5 = 40 Ω(για κεραία λ/4)
- Ο βαθμός απόδοσης.
Εφόσον από την ισχύ που έρχεται στην κεραία ένα μέρος χάνεται στην αντίσταση απωλειών, καταλαβαίνουμε ότι η ισχύς Prπου ακτινοβολεί η κεραία είναι μικρότερη από την ισχύ Pin που δίνει η πηγή στην κεραία. Ονομάζουμε βαθμό απόδοσης nτης κεραίας το πηλίκο :
Βλέπουμε ότι ο βαθμός απόδοσης βελτιώνεται όσο μικρότερη γίνεται η αντίσταση απωλειών Rα της κεραίας. Η αντίσταση αυτή μπορεί να μειωθεί κάνοντας καλύτερες τις μονώσεις της κεραίας και φροντίζοντας να είναι καλή η αγωγιμότητα του (φυσικού ή τεχνητού) εδάφους στην περίπτωση των ασύμμετρων κεραιών.
- Η κατευθυντικότητα και το κέρδος.
Καμιά πραγματική κεραία δεν εκπέμπει τα ηλεκτρομαγνητικά της κύματα ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. Η ένταση της ακτινοβολίας προς ορισμένες κατευθύνσεις είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με άλλες. Αυτό δε θεωρείται μειονέκτημα, αλλά μάλλον πλεονέκτημα. Δε θέλουμε, για παράδειγμα, η κεραία ενός ραδιοσταθμού να ακτινοβολεί προς τα επάνω, γιατί προς αυτή την κατεύθυνση δεν υπάρχουν ακροατές του σταθμού. Οι κατευθυντικές ιδιότητες των κεραιών περιγράφονται από το διάγραμμα κατευθυντικότητας, το συντελεστή κατευθυντικότητας και το κέρδος.
Το διάγραμμα κατευθυντικότητας είναι μια γραφική παράσταση που μας δίνει την ένταση της ακτινοβολίας της κεραίας προς διάφορες κατευθύνσεις πάνω σε ένα επίπεδο και για σημεία που απέχουν εξίσου από την κεραία. Υπάρχουν διαγράμματα για το οριζόντιο και το κατακόρυφο επίπεδο. Αυτά τα διαγράμματα μπορούν να χαραχθούν μετά από αναλυτικούς υπολογισμούς ή να προκύψουν από μετρήσεις της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου γύρω από την κεραία. Στο σχήμα 6-14 φαίνονται τα διαγράμματα κατευθυντικότητας μιας οριζόντιας κεραίας λ/2 στο οριζόντιο επίπεδο και μιας κατακόρυφης κεραίας λ/4 στο κατακόρυφο επίπεδο. Λόγω του τρόπου κατανομής της ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο, η κεραία λ/2 ονομάζεται διπλοκατευθυντική, ενώ η λ/4 πανκατευθυντική.
Η κεραία θεωρείται ότι είναι τοποθετημένη στο κέντρο του διαγράμματος. Στα διαγράμματα διακρίνονται κλειστές καμπύλες – περιοχές, που ονομάζονται λοβοί. Οι λοβοί μπορούν να μας δώσουν μια εικόνα για το πώς κατανέμεται η ακτινοβολία της κεραίας σ' ένα επίπεδο. Για να φανταστούμε την κατανομή της ακτινοβολίας στο χώρο, πρέπει να θεωρήσουμε ότι το διάγραμμα περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της κεραίας.
Σε κάθε κεραία υπάρχει μια κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας. Ο λοβός που αντιστοιχεί σ' αυτή ονομάζεται κύριος λοβός. Η ένταση της ακτινοβολίας προς την κατεύθυνση του μέγιστου παίρνει στο διάγραμμα τιμή ίση με 1 και όλες οι υπόλοιπες εντάσεις αντιστοιχούν σε αναλόγως μικρότερα νούμερα. Υπάρχουν κεραίες που εκπέμπουν το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος του πομπού προς μια κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό μεγαλώνουμε την ένταση του πεδίου στο σημείο που μας ενδιαφέρει να γίνεται η λήψη, χωρίς να χρειαστεί να αυξηθεί η ισχύς του πομπού. Οι κεραίες αυτές ονομάζονται υψηλής κατευθυντικότητας. Τέτοιες κεραίες χρησιμοποιεί, για παράδειγμα, η ΕΡΤ, όταν κάνει εκπομπές στα βραχέα κύματα για τους ξενιτεμένους Έλληνες. Αυτές οι κεραίες εκπέμπουν άλλες ώρες της ημέρας προς την Αμερική, άλλες προς την Αυστραλία κλπ. Το διάγραμμα κατευθυντικότητας μιας τέτοιας κεραίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το άνοιγμα του κύριου λοβού βρίσκεται από τη γωνία φ, της οποίας οι πλευρές περνούν από τα σημεία όπου η ένταση του πεδίου είναι ίση με το 0,7 του μέγιστου (σχήμα 6-15).
Ο συντελεστής κατευθυντικότητας D μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ, απ' όση ισχύ δίνουμε στην κεραία που μελετούμε, θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα στο γύρω χώρο, ώστε με την πρώτη κεραία να έχουμε προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού της δεύτερης την ίδια ένταση πεδίου. Ο συντελεστής D είναι καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες) και όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του τόσο υψηλότερης κατευθυντικότητας είναι η κεραία.
Τέλος το κέρδος Gτης κεραίας δείχνει ό,τι και ο συντελεστής κατευθυντικότητας, αλλά αφού λάβουμε υπόψη και το βαθμό απόδοσης n της κεραίας. Είναι G = D. n.
Το κέρδος συνήθως το εκφράζουμε σε ντεσιμπέλ, οπότε η παραπάνω σχέση γίνεται : G = 10log(D.n) db. Υπάρχουν κεραίες που έχουν κέρδος 20, 30 ή και 60 db, δηλαδή εκπέμπουν προς ορισμένη κατεύθυνση 100, 1.000 ή και 1.000.000 φορές εντονότερα, απ' όσο θα εξέπεμπε, αν τροφοδοτούνταν με την ίδια ισχύ, μια υποθετική κεραία χωρίς κέρδος.
6.2.3 Τύποι κεραιών εκπομπής
Υπάρχουν διάφορες μορφές κεραιών εκπομπής, ανάλογα με τη συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, την ισχύ του πομπού και την επιθυμητή κατευθυντικότητα. Αρκετά συχνά χρησιμοποιούνται κεραίες Μαρκόνι (λ/4) σε διάφορες μορφές, λόγω των εξής πλεονεκτημάτων που διαθέτουν :
· Για ορισμένη συχνότητα εκπομπής έχουν το μισό μήκος από τις κεραίες δίπολα (Χερτζ). Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση στα μεσαία κύματα όπου το μήκος κύματος είναι μεγάλο. Για παράδειγμα, μια κεραία λ/4 που εκπέμπει στα 900 kHz έχει ύψος περίπου 80 μέτρα.
- Οι κεραίες λ/4 εκπέμπουν ομοιόμορφα γύρω τους κατά το οριζόντιο επίπεδο και δεν εκπέμπουν καθόλου προς τα επάνω. Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση, στις περιπτώσεις που οι δέκτες βρίσκονται ολόγυρα και στο ίδιο επίπεδο με τον πομπό όπως επίσης και στις περιπτώσεις που έχουμε κινητές μονάδες εκπομπής – λήψης (π.χ. πυροσβεστικά οχήματα).
Στις χαμηλότερες συχνότητες εκπομπής (π.χ. στα μεσαία ή στα μακρά κύματα) οι κεραίες λ/4, λόγω του μεγάλου μήκους τους, έχουν τη μορφή ιστού με κατάλληλη δομή και υποστήριξη από αντηρίδες, ώστε να αντέχουν στη δύναμη του ανέμου. Συχνά τοποθετείται στην κορυφή της κεραίας ένα σύστημα από αγωγούς με μορφή σχάρας. Αυτό ενεργεί σαν οπλισμός πυκνωτή και αναγκάζει το ρεύμα να συσσωρεύεται στην κορυφή της κεραίας. Έτσι προκαλείται αύξηση του ηλεκτρικού σε σχέση με το πραγματικό μήκος της κεραίας και μπορούμε να μειώσουμε το ύψος της. Το ίδιο μπορούμε να πετύχουμε τοποθετώντας ένα πηνίο στη βάση της κεραίας. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται συχνά σε μικρού μεγέθους κινητές κεραίες λ/4 (σχήμα 6-16).
Για την καλή λειτουργία μιας κεραίας λ/4, θα πρέπει το έδαφος πάνω στο οποίο στηρίζεται να έχει πολύ καλή αγωγιμότητα. Συνήθως τέτοιες κεραίες τοποθετούνται σε παραθαλάσσιες περιοχές ή εκτάσεις με υγρό έδαφος. Σε περίπτωση που το έδαφος είναι ξηρό ή πετρώδες, ενισχύεται η αγωγιμότητά του με την παράχωση σε μικρό βάθος χάλκινων αγωγών μήκους τουλάχιστον λ/4, οι οποίοι ξεκινούν ακτινωτά από το σημείο γείωσης της γραμμής μεταφοράς, κάτω από την κεραία.
Στα βραχέα ή υπερβραχέα κύματα οι κεραίες λ/4 έχουν μικρότερο μήκος και αρκετά απλούστερη μορφή. Πολύ συχνά χρησιμοποιείται ο τύπος του σχήματος 6-16(δ), κυρίως σε οχήματα. Στην περίπτωση αυτή η οροφή του οχήματος παίζει το ρόλο του αγώγιμου επιπέδου. Αρκετά συχνά χρησιμοποιούνται επίσης και οι κεραίες τύπου Τ και Γ όπως επίσης και η κεραία GroundPlane(γκράουντ πλέιν). Οι κεραίες Τ και Γ είναι απλοποιημένες μορφές της κεραίας του σχήματος 6-16(γ), ενώ η κεραία GroundPlaneπροέρχεται από τον τύπο 6-16(α).
Στις κεραίες Τ και Γ το οριζόντιο τμήμα λειτουργεί ως χωρητικότητα κορυφής και εκπομπή γίνεται μόνο από το κατακόρυφο τμήμα. Στην κεραία GroundPlane το φυσικό έδαφος έχει αντικατασταθεί από τρεις ή τέσσερις ακτινωτούς αγωγούς μήκους λ/4, μονωμένους από το κατακόρυφο τμήμα, που ονομάζονται τεχνητό έδαφος. Η κλίση αυτών των αγωγών προς τα κάτω καθορίζει και την αντίσταση εισόδου της κεραίας, που σχεδόν πάντα είναι 50 Ω. H κεραία Ground Plane τοποθετείται εύκολα σε υπερυψωμένες θέσεις και η απολαβή της είναι περίπου 1,5 db (σχήμα 6-17).
Στα βραχέα κύματα πολύ συχνά χρησιμοποιούνται επίσης και οι οριζόντιες κεραίες δίπολα (λ/2). Λόγω του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους, αυτές οι κεραίες τοποθετούνται κάθετα προς την επιθυμητή διεύθυνση εκπομπής. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργούν προέρχεται από το συνδυασμό δύο κυμάτων, αυτού που εκπέμπεται άμεσα από την κεραία και αυτού που αντανακλάται στο έδαφος κάτω από αυτή. Έτσι το ύψος του δίπολου πάνω από τη γη έχει μεγάλη σημασία. Συνήθως αυτές οι κεραίες τοποθετούνται σε ύψος μεταξύ λ/2 και λ/4 πάνω από το έδαφος.
Η κεραία του σχήματος 6-17 κατασκευάζεται εύκολα από απλά υλικά και γι' αυτό χρησιμοποιείται πολύ από τους ραδιοερασιτέχνες. Η αντίσταση εισόδου της είναι 75 Ω και έτσι τροφοδοτείται με ομοαξονική γραμμή της ίδιας χαρακτηριστικής αντίστασης. Η απολαβή της είναι περίπου 1,2 db.
Αν οι οριζόντιοι αγωγοί αποτελούνται από σχετικά λεπτό σύρμα, η κεραία συντονίζεται σε μια μόνο συχνότητα, η οποία προκύπτει από τη σχέση (6.3). Όσο όμως αυξάνουμε το πάχος των αγωγών τόσο περισσότερο ικανή γίνεται η κεραία να εκπέμψει και σε άλλες γειτονικές συχνότητες. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται το εύρος ζώνης της, κάτι που σε πολλές περιπτώσεις είναι ιδιαίτερα επιθυμητό. Έτσι, στα υπερβραχέα κύματα, όπου το μήκος του δίπολου είναι μικρό, οι οριζόντιοι αγωγοί κατασκευάζονται από σωλήνα αλουμινίου και δεν απαιτείται στήριγμα στα άκρα τους. Τέτοιες κεραίες τοποθετούνται συνήθως κατακόρυφα, για καλύτερη εκμετάλλευση του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους (σχήμα 6-18).
Το μικρό μήκος της κεραίας που χρησιμοποιείται σ' αυτές τις υψηλές συχνότητες επιτρέπει την κατασκευή ενός άλλου τύπου δίπολου, που ονομάζεται αναδιπλωμένο δίπολο και φαίνεται στο σχήμα 6-18(β). Το αναδιπλωμένο δίπολο έχει όμοια χαρακτηριστικά εκπομπής με το απλό δίπολο, αλλά διαφέρει στην αντίσταση εισόδου, η οποία είναι 240 ως 300 Ω. Το αναδιπλωμένο δίπολο συχνά χρησιμοποιείται σαν κεραία λήψης στην τηλεόραση.
Το μικρό μήκος κύματος λ στα υπερβραχέα κύματα επιτρέπει να κατασκευαστούν πολύπλοκες κεραίες αποτελούμενες από συστοιχίες πολλών τμημάτων, που ονομάζονται στοιχειοκεραίες. Αυτές οι κεραίες παρουσιάζουν υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα. Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιων στοιχειοκεραιών, οι παρασιτικές συστοιχίες και οι τροφοδοτούμενες συστοιχίες.
Μια παρασιτική συστοιχία αποτελείται από μια βασική κεραία συνδεδεμένη στη γραμμή μεταφοράς, που ονομάζεται τροφοδοτούμενο στοιχείο, και έναν ή περισσότερους αγωγούς που δεν συνδέονται στη γραμμή μεταφοράς και ονομάζονται παρασιτικά στοιχεία. Τα παρασιτικά στοιχεία έχουν ελαφρά διαφορετικό μήκος από το τροφοδοτούμενο στοιχείο. Τυπικό παράδειγμα μιας παρασιτικής συστοιχίας αποτελεί η κεραία Γιάγκι (Yagi), που ονομάζεται έτσι προς τιμή του Ιάπωνα ερευνητή που την επινόησε (σχήμα 6-19).
Στην κεραία Yagi το ένα παρασιτικό στοιχείο είναι περίπου 5% μακρύτερο από το βασικό δίπολο και ονομάζεται ανακλαστήρας. Το άλλο παρασιτικό στοιχείο είναι περίπου 5% κοντύτερο από το δίπολο και ονομάζεται κατευθυντήρας. Ο ανακλαστήρας απέχει από το δίπολο απόσταση 0,15 – 0,25λ, ενώ ο κατευθυντήρας απόσταση 0,1 – 0,2λ. Μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από το δίπολο αντανακλάται από τα παρασιτικά στοιχεία και συνδυάζεται με το αρχικό κύμα, με αποτέλεσμα να έχουμε μεγάλη ενίσχυση της ακτινοβολίας προς την πλευρά του κατευθυντήρα και μεγάλη εξασθένηση προς την πλευρά του ανακλαστήρα. Έτσι η κεραία Yagiείναι μια κεραία μονοκατευθυντική. Με τη μορφή του σχήματος 6-19(α) έχει απολαβή περίπου 8 db. Μπορούν να προστεθούν μέχρι και 20 κατευθυντήρες στην κεραία, οπότε η απολαβή της μπορεί να φτάσει και τα 17 db.
Ο άλλος τύπος στοιχειοκεραίας είναι η τροφοδοτούμενη συστοιχία. Αυτή είναι μια κεραία που έχει δύο ή περισσότερα δίπολα, τα οποία είναι όλα συνδεδεμένα με τη γραμμή τροφοδοσίας και διευθετούνται έτσι, ώστε να παρέχουν κατευθυντικότητα και κέρδος. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι τροφοδοτούμενων συστοιχιών, η συγγραμική, η μετωπική και η ακροπυροδοτική.
Η συγγραμική κεραία αποτελείται από δύο ή περισσότερα δίπολα, τοποθετημένα, όπως στο σχήμα 6-20. Τα μήκη των γραμμών μεταφοράς που συνδέουν τα δίπολα είναι υπολογισμένα έτσι, ώστε η ενέργεια του πομπού να φτάνει σε όλα τους με την ίδια φάση. Έτσι τα κύματα που παράγονται από κάθε δίπολο προστίθενται σε αυτά των άλλων και παράγουν μια εστιασμένη δέσμη. Η συγγραμική κεραία εξακολουθεί να είναι διπλοκατευθυντική, αλλά το διάγραμμα ακτινοβολίας της είναι πολύ πιο στενό από το διάγραμμα του απλού δίπολου, παρέχοντας μεγαλύτερη κατευθυντικότητα και κέρδος. Συνήθως τοποθετείται σε κατακόρυφη θέση, για να μπορεί να εκπέμπει ολόγυρα στο οριζόντιο επίπεδο σαν μια παγκατευθυντική κεραία με κέρδος.
Η μετωπική κεραία αποτελείται από δίπολα λ/2 συνδεδεμένα όπως στο σχήμα 6-21. Μπορούν να συνδυαστούν δύο ή περισσότερα στοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους και με τη γραμμή μεταφοράς. Η γραμμή διασταυρώνεται από δίπολο σε δίπολο, για να μπορεί να τροφοδοτεί τα στοιχεία με σήμα σωστής φάσης για τη λειτουργία της κεραίας. Η μετωπική κεραία δεν ακτινοβολεί κατά μήκος του άξονα των στοιχείων, όπως μια κεραία Yagi, αλλά μετωπικά, δηλαδή κάθετα στο επίπεδο της συστοιχίας. Είναι μια κεραία διπλοκατευθυντική με υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα. Συχνά συνδυάζεται με μια μεταλλική ανακλαστική επιφάνεια παράλληλη και σε απόσταση λ/4 από το επίπεδό της. Με τον τρόπο αυτό μετατρέπεται σε μονοκατευθυντική κεραία.
Η ακροπυροδοτική κεραία αποτελείται από ένα σύνολο δίπολων λ/2 συνδεδεμένων μεταξύ τους όπως στο σχήμα 6-22. Η απόσταση dμεταξύ των στοιχείων είναι μικρό κλάσμα του μήκους κύματος λ. Με κατάλληλη εκλογή του αριθμού των στοιχείων και της απόστασης dπροκύπτει μια μονοκατευθυντική κεραία υψηλής κατευθυντικότητας και απολαβής, που ακτινοβολεί όπως μια κεραία Yagi.
Σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, της περιοχής των μικροκυμάτων, το μήκος κύματος γίνεται τόσο μικρό, ώστε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αρχίζουν να συμπεριφέρονται σαν ακτίνες φωτός. Έτσι, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ανάκλαση των κυμάτων πάνω σε σχετικά μικρές μεταλλικές επιφάνειες, για να πετύχουμε με απλά μέσα εξαιρετικά μεγάλη κατευθυντικότητα και απολαβή από τις κεραίες.
Ο πιο συνηθισμένος τύπος βασικής κεραίας μικροκυμάτων είναι η χοανοκεραία. Αυτή δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια διεύρυνση της άκρης του κυματοδηγού που χρησιμοποιείται αντί της ομοαξονικής γραμμής μεταφοράς σ' αυτές τις συχνότητες (σχήμα 6-23).
Οι χοανοκεραίες συνδυάζονται σχεδόν πάντα με κοίλες μεταλλικές παραβολικές επιφάνειες, που ονομάζονται παραβολικά κάτοπτρα. Οι κεραίες που προκύπτουν συχνά ονομάζονται και παραβολικές κεραίες. Οι χοανοκεραίες τοποθετούνται μπροστά από το κέντρο των κατόπτρων έτσι, ώστε η κωνική δέσμη ακτινοβολίας που εκπέμπουν να μετατρέπεται μετά την ανάκλασή της σε παράλληλη. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται πολύ υψηλό κέρδος (30 – 60 db) και εξαιρετικά στενή δέσμη εκπομπής, όπως η δέσμη του φωτός ενός προβολέα (σχήμα 6-24).
