Т-антенна , Т-антенна , плоская вершиной антенна , цилиндр антенна , или (емкостный) верхнего нагруженной антенна является монополь радиоантенна с поперечным емкостной нагрузкой провод , прикрепленный к его вершине. [1] Т-образные антенны обычно используются в диапазонах ОНЧ , НЧ , СЧ и коротких волн , [2] [3] ( pp578–579 ) [4] и широко используются в качестве передающих антенн для любительских радиостанций , [5] и длинная волна исредневолновые радиовещательные станции AM . Их также можно использовать в качестве приемных антенн для прослушивания коротких волн .
Антенна состоит из одного или нескольких горизонтальных проводов, подвешенных между двумя опорными радиомачтами или зданиями и изолированных от них на концах. [1] [4] Вертикальный провод подсоединяется к центру горизонтальных проводов и свисает близко к земле, соединяясь с передатчиком или приемником . Вместе две секции образуют Т -образную форму, отсюда и название. Питание передатчика подается или приемник подключается между нижней частью вертикального провода и заземлением .
Т-образная антенна работает как несимметричная антенна с емкостной верхней нагрузкой; другие антенны в этой категории включают перевернутые , зонтичные и триатические антенны. Он был изобретен в первые десятилетия существования радио, в эпоху беспроводного телеграфирования , до 1920 года.
Как это работает
На частотах ниже 1 МГц длина отрезков провода антенны обычно короче четверти длины волны [a] [ 1/4λ ≈ 125 метров (410 футов) ] ,самая короткая длина прямого провода, обеспечивающегорезонанс. [5] В этом случае Т-образная антенна функционирует как вертикальнаяэлектрически короткая несимметричная антеннас емкостной верхней нагрузкой. [3] ( стр. 578–579 )
По левому и правому участкам горизонтального провода через вершину буквы «Т» проходят равные, но противоположно направленные токи. Следовательно, вдали от антенны радиоволны, излучаемые каждым проводом, не совпадают по фазе на 180 ° с другим и имеют тенденцию подавляться с волнами от другого провода вместе с аналогичным подавлением радиоволн, отраженных от земли. Таким образом, горизонтальные провода практически не излучают радиосигнал. [3] ( стр. 554 )
Вместо этого горизонтальные провода предназначены для увеличения емкости в верхней части антенны. В вертикальном проводе требуется больший ток для зарядки и разрядки этой емкости во время цикла высокочастотного тока. [6] [3] ( p554 ) Увеличенные токи в вертикальном проводе ( см. Рисунок справа ) эффективно увеличивают радиационное сопротивление антенны и, следовательно, излучаемую мощность радиоизлучения. [6] Горизонтальный провод с верхней нагрузкой может увеличить излучаемую мощность в 2–4 раза (от 3 до 6 дБ ) при заданном базовом токе. [6] Следовательно, Т-антенна может излучать больше мощности, чем простой вертикальный монополь той же высоты. Точно так же приемная Т-антенна может перехватывать большую мощность от входящего радиосигнала той же мощности, чем вертикальная антенна.
Однако Т-образная антенна обычно не так эффективна, как полноразмерная. 1/4λ вертикальный монополь , [5] и имеет более высокую добротность и, следовательно, более узкую полосу пропускания . Т-антенны обычно используются на низких частотах, где создание полноразмерной четвертьволновой высокой вертикальной антенны нецелесообразно [4] [7], а вертикальный излучающий провод часто имеет очень короткую электрическую длину: лишь небольшая часть длины волны. , 1/10λ или меньше. Электрический короткая антенна имеет базовое реактивное сопротивление , которое емкостное , а в передающих антеннах это должно быть настроено, путем дополнительной загрузки катушкой , чтобы сделать антенну резонансным такон может быть подана мощность эффективно.
Емкость верхней нагрузки увеличивается по мере добавления дополнительных проводов, поэтому часто используются несколько параллельных горизонтальных проводов, соединенных вместе в центре, где прикрепляется вертикальный провод. [5] Хотя емкость увеличивается, поскольку электрическое поле каждого провода воздействует на поля соседних проводов, она не увеличивается пропорционально количеству проводов: каждый добавленный провод обеспечивает уменьшение дополнительной емкости . [5]
Диаграмма излучения
Поскольку вертикальный провод является фактическим излучающим элементом, антенна излучает вертикально поляризованные радиоволны с ненаправленной диаграммой направленности с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях. [8] Ось горизонтального троса не имеет большого значения. Мощность максимальна в горизонтальном направлении или при небольшом угле возвышения, уменьшаясь до нуля в зените. Это делает ее хорошей антенной на НЧ или СЧ частотах, которые распространяются как земные волны с вертикальной поляризацией, но она также излучает достаточную мощность при более высоких углах возвышения, чтобы быть полезной для связи на небесных волнах («пропустить»). Эффект плохой проводимости грунта, как правило, заключается в наклоне диаграммы направленности вверх с максимальной силой сигнала при более высоком угле возвышения.
Передающие антенны
В более длинноволновых диапазонах, где обычно используются Т-антенны, электрические характеристики антенн, как правило, не критичны для современных радиоприемников; прием ограничен естественным шумом, а не мощностью сигнала, собираемого приемной антенной. [5]
Передающие антенны разные, и сопротивление точки питания [c] имеет решающее значение: комбинация реактивного сопротивления и сопротивления в точке питания антенны должна быть хорошо согласована с импедансом линии питания, а за ее пределами - выходного каскада передатчика. В случае несовпадения ток, передаваемый от передатчика к антенне, будет отражаться назад от точки подключения как «ток люфта», который в худшем случае может повредить передатчик и, по крайней мере, снизит мощность сигнала, излучаемого антенной.
Реактивность
Любая монопольная антенна короче 1/4λ имеет емкостное реактивное сопротивление ; чем он короче, тем выше это реактивное сопротивление и тем больше доля питающего тока, которая будет отражаться обратно к передатчику. Чтобы эффективно направлять ток в короткую передающую антенну, ее необходимо сделать резонансной (без реактивного сопротивления), если это еще не сделано в верхней части. Емкость обычно компенсируется добавленной катушкой нагрузки или ее эквивалентом; загрузочная катушка обычно размещается в основании антенны для доступа, подключена между антенной и ее фидерной линией.
Горизонтальная верхняя секция Т-образной антенны также может уменьшить емкостное реактивное сопротивление в точке питания, заменяя вертикальную секцию, высота которой будет примерно 2/3 его длина; [9] если он достаточно длинный, он полностью исключает реактивное сопротивление и устраняет необходимость в катушке в точке питания.
На средних и низких частотах высокая емкость антенны и высокая индуктивность нагрузочной катушки по сравнению с низкой радиационной стойкостью короткой антенны заставляют загруженную антенну вести себя как настроенная схема с высокой добротностью с узкой полосой пропускания, в которой она будет оставаться в хорошем состоянии. соответствует линии передачи, по сравнению с 1/4λ- монополь.
Для работы в широком диапазоне частот нагрузочную катушку часто необходимо регулировать и регулировать при изменении частоты, чтобы ограничить мощность, отражаемую обратно в передатчик . Высокая добротность также вызывает высокое напряжение на антенне, которое является максимальным в текущих узлах на концах горизонтального провода, примерно в Q раз больше напряжения в точке возбуждения. Изоляторы на концах должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать эти напряжения. В передатчиках большой мощности выходная мощность часто ограничивается началом коронного разряда от проводов. [10]
Сопротивление
Радиационная стойкость - это эквивалентное сопротивление антенны из-за ее излучения радиоволн; для полноразмерного четвертьволнового монополя сопротивление излучения составляет около 25 Ом . Любая антенна, короткая по сравнению с рабочей длиной волны, имеет меньшее сопротивление излучения, чем более длинная антенна; иногда катастрофически, далеко за пределами максимального улучшения характеристик, обеспечиваемого T-антенной. Таким образом , при низких частотах даже Т-антенна может иметь очень низкое сопротивление излучения, часто менее чем 1 Ом , [5] [11] , так что эффективность ограничена другими сопротивлениями в антенне и в наземной системе. Входная мощность делится между сопротивлением излучения и «омическим» сопротивлением цепи антенна + земля, главным образом катушки и земли. Сопротивление в катушке и особенно в системе заземления должно быть очень низким, чтобы свести к минимуму рассеиваемую в них мощность.
Можно видеть, что на низких частотах конструкция нагрузочной катушки может быть сложной: [5] она должна иметь высокую индуктивность, но очень низкие потери на частоте передачи (высокая добротность ), должна выдерживать высокие токи, выдерживать высокие напряжения на незаземленной поверхности. конец, и быть регулируемым. [7] Это часто делается из литцовой проволоки . [7]
На низких частотах для работы антенны требуется хорошее заземление с низким сопротивлением . ВЧ-заземление обычно строится в виде звезды из множества радиальных медных кабелей, проложенных примерно на 1 фут в землю, выходящих из основания вертикального провода и соединенных вместе в центре. В идеале радиалы должны быть достаточно длинными, чтобы выходить за пределы области тока смещения возле антенны. На частотах ОНЧ сопротивление почвы становится проблемой, и радиальная система заземления обычно поднимается и устанавливается на несколько футов над землей, изолированной от нее, чтобы сформировать противовес .
Эквивалентная схема
Мощность, излучаемая (или принимаемая) электрически короткой вертикальной антенной, такой как T-антенна, пропорциональна квадрату эффективной высоты антенны [5], поэтому антенну следует делать как можно более высокой. Без горизонтального провода распределение радиочастотного тока в вертикальном проводе линейно уменьшалось бы до нуля вверху ( см. Рисунок «а» выше ), давая эффективную высоту, равную половине физической высоты антенны. При идеальном проводе с верхней нагрузкой «бесконечной емкости» ток по вертикали будет постоянным по всей его длине, давая эффективную высоту, равную физической высоте, таким образом увеличивая излучаемую мощность в четыре раза. Таким образом, мощность, излучаемая (или принимаемая) Т-антенной, в четыре раза больше, чем мощность вертикального монополя той же высоты.
Сопротивление излучения идеального T-антенна с очень большой верхней емкостью нагрузки является [6]
поэтому излучаемая мощность
где
- h - высота антенны,
- λ - длина волны, а
- I 0 - среднеквадратичное значение входного тока в амперах.
Эта формула показывает, что излучаемая мощность зависит от произведения базового тока на эффективную высоту и используется для определения того, сколько «метров-ампер» требуется для достижения заданного количества излучаемой мощности.
Эквивалентная схема антенны (включая нагрузочную катушку) представляет собой последовательную комбинацию емкостного реактивного сопротивления антенны, индуктивного реактивного сопротивления загрузочной катушки и сопротивления излучения и других сопротивлений цепи антенна-земля. Таким образом, входной импеданс равен
В резонансе емкостное реактивное сопротивление антенны компенсируется нагрузочной катушкой, поэтому входное сопротивление при резонансе Z 0 является просто суммой сопротивлений в цепи антенны [12]
Таким образом, эффективность η антенны, отношение излучаемой мощности к входной мощности от фидерной линии, составляет
где
- R C - омическое сопротивление антенных проводников (потери в меди)
- R D - эквивалентные последовательные диэлектрические потери
- R L - эквивалентное последовательное сопротивление нагрузочной катушки.
- R G - сопротивление системы заземления
- R R - радиационная стойкость
- C - емкость антенны на входных клеммах
- L - индуктивность загрузочной катушки
Можно видеть, что, поскольку сопротивление излучения обычно очень низкое, основная проблема проектирования состоит в том, чтобы поддерживать на низком уровне другие сопротивления в системе антенна-земля для достижения максимальной эффективности. [12]
Многонастраиваемая антенна
Множественная настроенный FlatTop антенна представляет собой вариант Т-антенна используется в низкочастотных передатчиках большой мощности , чтобы снизить потери мощности наземных. [7] Он состоит из длинной емкостной верхней нагрузки, состоящей из нескольких параллельных проводов, поддерживаемых линией опор передачи, иногда длиной в несколько миль. Несколько вертикальных радиаторных проводов свисают с верхней нагрузки, каждый из которых прикреплен к своему заземлению через загрузочную катушку. Антенна приводится в действие либо одним из проводов излучателя, либо, чаще, одним концом верхней нагрузки, проводя провода верхней нагрузки по диагонали вниз к передатчику. [7]
Хотя вертикальные провода разделены, расстояние между ними мало по сравнению с длиной НЧ волн, поэтому токи в них синфазны, и их можно рассматривать как один излучатель. Поскольку ток антенны протекает в землю через N параллельных нагрузочных катушек и заземлений, а не через одну, эквивалентное сопротивление нагрузочной катушки и заземления и, следовательно, мощность, рассеиваемая в нагрузочной катушке и заземлении, уменьшается до 1 / Н по сравнению с простым T -антенна. [7] Антенна использовалась в мощных радиостанциях эпохи беспроводной телеграфии, но потеряла популярность из-за стоимости нескольких загрузочных катушек.
Смотрите также
- Дипольная антенна
- Радиатор мачты
Сноски
- ^ Греческая буква лямбда , λ , является условным обозначением длины волны .
- ^ В резонансе ток является хвостовой частью синусоидальной стоячей волны . В монополе «а» есть узел наверху антенны, где ток должен быть нулевым. В T «b» ток течет в горизонтальный провод в обоих направлениях от середины, увеличивая ток в верхней части вертикального провода. Сопротивление излучения , итаким образоммощность излучения в каждом, пропорциональна квадрату площади вертикальной части распределения тока.
- ^ Импеданс является комплексной суммой от реактивного сопротивления и сопротивления ; все они, по отдельности или в комбинации, ограничивают передачу тока через препятствующую электрическую часть и вызывают изменения напряжения в точке ее подключения.
Рекомендации
- ^ a b Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники, 7-е изд . США: Ньюнес. п. 761. ISBN 0-7506-9866-7.
- ^ Чаттерджи, Раджешвари (2006). Теория и практика антенн, 2-е изд . Нью-Дели: New Age International. С. 243–244. ISBN 81-224-0881-8.
- ^ а б в г Радж, Алан В. (1983). Справочник по конструкции антенн . 2 . ИЭПП. С. 554, 578–579. ISBN 0-906048-87-7.
- ^ а б в Эдвардс, RJ G4FGQ (1 августа 2005 г.). «Простая тройниковая антенна» . smeter.net . Библиотека проектирования антенн . Проверено 23 февраля 2012 года .
- ^ Б с д е е г ч I Стро, Р. Дин, изд. (2000). Антенная книга ARRL (19-е изд.). США: Американская радиорелейная лига. п. 6-36. ISBN 0-87259-817-9.
- ^ а б в г д Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике . Джон Вили и сыновья. С. 299–301. ISBN 978-0-470-51028-5.
- ^ а б в г д е Гриффит, Б. Уитфилд (2000). Основы радиоэлектронной передачи, 2-е изд . США: SciTech Publishing. С. 389–391. ISBN 1-884932-13-4.
- ^ Барклай, Лесли В. (2000). Распространение радиоволн . Институт инженеров-электриков. С. 379–380. ISBN 0-85296-102-2.
- ^ Моксон, Лес (1994). «Глава 12 КВ антенны». В Biddulph, Дик (ред.). Справочник по радиосвязи (6-е изд.). Радио общество Великобритании.
- ^ ЛаПорт, Эдмунд А. (2010). «Реактивное сопротивление антенны» . vias.org (Виртуальный институт прикладных наук) . Радиоантенная инженерия . Проверено 24 февраля 2012 года .
- ^ Баланис, Константин А. (2011). Справочник по современным антеннам . Джон Вили и сыновья. С. 2.8–2.9 (п. 2.2.2). ISBN 978-1-118-20975-2.
- ^ а б ЛаПорт, Эдмунд А. (2010). «Радиационная эффективность» . vias.org (Виртуальный институт прикладных наук) . Радиоантенная инженерия . Проверено 24 февраля 2012 .