Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Зонтик антенна представляет собой емкостная нагрузки сверху проволоки монополь антенны , состоящая в большинстве случаев на мачте , подаваемой на конце земли, к которой число радиальных проводов соединены в верхней части, с уклоном вниз. [1] Они используются в качестве передающих антенн на частотах ниже 1 МГц, в диапазонах СЧ , НЧ и особенно ОНЧ на частотах, достаточно низких, что практически или невозможно построить полноразмерную четвертьволновую монопольную антенну. Внешний конец каждого радиального провода, идущий вниз от вершины антенны, соединен изолятором с поддерживающим тросом или (обычно) изолированным кабелем, прикрепленным к земле; радиальные тросы могут также поддерживать мачту в качествеоттяжные провода . Радиальные провода делают антенну похожей на каркас гигантского зонта - без ткани - отсюда и название.

Дизайн [ править ]

Есть два типа антенного питания. Когда используется центральный верхний подвод, антенна поддерживается центральной стальной трубчатой ​​или решетчатой ​​мачтой, которая изолирована от земли и соединяется над основным изолятором с линией питания от передатчика.. Мачта служит одним из излучающих элементов (хотя в некоторых антеннах используются вертикальные тросы, подвешенные параллельно мачте). Верх мачты прикреплен к кольцу из равноудаленных радиальных проводов, простирающихся до земли, где есть изоляторы, которые соединены с отрезком неизлучающего провода, который прикреплен к земле и заземлен. Когда используется радиальная нижняя подача, мачта не изолирована, а зонтичные провода изолируются сверху, прежде чем они соединяются с центральной мачтой, и подводятся снизу. Нижняя подача используется там, где вес мачты настолько велик, что изоляторы мачты дороги и создают риск выхода из строя. [2] [3] [4] Зонтичные тросы также могут использоваться в качестве оттяжек.для поддержки мачты. Под антенной находится большая система заземления, состоящая из проводов, закопанных в землю, идущих радиально от основания мачты до края зонтичных проводов, чтобы обеспечить стабильную поверхность заземления и увеличить эффективную излучаемую мощность.

  • Схема зонтичной антенны с верхней загрузкой. Эти красные цилиндры являются изоляторами, передатчик соединен выше мачт изолятора. Под антенной находится радиальный коврик заземления. (не показано) .

  • Антенна H навигационной системы Omega , устаревшей радионавигационной системы, Цусима, Япония, 389 метров, постройки 1973 года. Передана на частотах 10–14 кГц.

  • Антенна Radio Televisyen Malaysia (RTM), Туаран, район Сабах, Малайзия

  • 428-метровая станция E Omega, антенна в Шабрие, остров Реюньон.

  • Вершина мачты 432 м антенны станции G Omega, Виктория, Австралия, с изоляторами, прикрепляющими 16 зонтичных проводов к мачте.

  • Нижние фидеры используются на основной УНЧ антенне Trideco на радиостанции Anthorn, поскольку центральная решетчатая мачта не изолирована от земли. Питатели также являются излучающими элементами.

Как это работает [ править ]

Вертикальная мачта, изолированная от земли опорным керамическим изолятором, функционирует как резонансная монопольная антенна . [2] [3] [4] На используемых низких частотах высота мачты намного меньше, чем ее резонансная длина, четверть длины волны ( ), поэтому получается очень короткая электрически антенна; он имеет очень низкую радиационную стойкость и без проводов с верхней нагрузкой был бы очень неэффективным радиатором. Колебательный ток от передатчика проходит вверх по мачте и примерно поровну распределяется между проводами верхней нагрузки. Он отражается от концов проводов и движется обратно по мачте. Исходящий и отраженный ток накладываются друг на друга, образуястоячая волна, состоящая из хвостовой части синусоиды . Из-за симметричного расположения проводов и отражений от земли радиоволны, излучаемые зонтичными проводами, в значительной степени компенсируются вдали от антенны, поэтому сами провода не излучают много радиоволн. Вместо этого зонтичные провода функционируют как верхняя емкостная нагрузка, добавляющая емкость верхней части антенны. Емкость увеличивает ток в вертикальной мачте из-за дополнительного тока, необходимого для зарядки и разрядки емкости верхней нагрузки каждый ВЧ-цикл, увеличивая излучаемую мощность. Скрытые заземляющие провода под антенной работают как нижняя пластина «конденсатора».

Чтобы отрегулировать большое емкостное реактивное сопротивление антенны и сделать ее резонансной на рабочей частоте, чтобы обеспечить эффективную подачу энергии, большая катушка индуктивности ( нагрузочная катушка ) помещается в линию питания последовательно с антенной у ее основания. Другая сторона фидерной линии от передатчика подключена к системе заземления. Антенна и катушка образуют настроенный контур . Их большое реактивное сопротивление и низкое сопротивление обычно придают антенне высокий коэффициент добротности , поэтому она имеет узкую полосу пропускания, в которой она может работать. В больших зонтичных антеннах используются очень низкие частоты.диапазон, полоса пропускания антенны может быть менее 100 герц.

В качестве альтернативы зонтичная антенна может получать питание, подавая ток передатчика на один или несколько радиальных проводов вместо мачты. В этом случае центральная мачта заземляется. Эта конструкция имеет преимущество в высокой мощности антеннах , которые работают при высоких напряжениях, так как он не требует дорогостоящей поддержки мачты изолятора в нижней части , чтобы поддерживать высокое напряжение на мачте от земли. Также не требуется изолятор в кабелях питания сигнальных огней мачты . Эта конструкция использовалась в трех больших зонтичных антеннах для устаревшей навигационной системы Omega, которая работала на частоте 10–14 кГц, чтобы устранить очень сложную проблему изоляции основания мачты от потенциала антенны 200 кВ.

Ниже приведены несколько вариантов зонтичных антенн с заземленной мачтой, разработанных военными США в 1970-х годах для использования в низкочастотном диапазоне.

  • Пан-полярная антенна

  • Антенна Nord

Диаграмма излучения [ править ]

Зонтичные антенны излучают вертикально поляризованные радиоволны во всенаправленной диаграмме направленности с одинаковой мощностью, излучаемой во всех горизонтальных направлениях, с максимальной мощностью сигнала, излучаемого в горизонтальных направлениях, монотонно падающим с углом места до нуля в зените. Из-за большой верхней нагрузки они обычно более эффективны, чем другая распространенная антенна с верхней загрузкой, плоская или Т- образная антенна , на низких частотах и ​​широко используются в диапазоне ОНЧ .

Земные волны - это волны с вертикальной поляризацией, которые распространяются от антенны по горизонтали прямо над землей. Следовательно, зонтичные антенны являются хорошими антеннами на земных волнах и используются в качестве антенн радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ.

Коэффициент усиления зонтичной антенны, как и других электрически коротких несимметричных антенн, составляет приблизительно 3,52 дБи, если он значительно короче, чем .

Поскольку диагональные провода имеют наклон вниз, ток в них имеет вертикальную составляющую. [3] Этот ток находится в направлении, противоположном току в мачте, поэтому вдали от мачты излучаемые им радиоволны на 180 ° не совпадают по фазе с радиоволнами от мачты и частично их подавляют. Таким образом, зонтичные тросы частично экранируют мачту, уменьшая излучаемую мощность. При наличии достаточного количества проводов зонта все радиоволны, излучаемые частью мачты над нижней частью зонта, блокируются, и единственное излучение исходит от части мачты под зонтом.

Приложения [ править ]

Из-за большой емкостной нагрузки зонтичные антенны являются одними из наиболее эффективных конструкций антенн на низких частотах и ​​используются для передатчиков в диапазонах НЧ и ОНЧ для навигационных средств и военной связи. Они обычно используются для коммерческих станций вещания в диапазоне AM средних и длинных волн . В эксплуатации находятся зонтичные антенны высотой 15–460 метров. [ необходима цитата ] Самые большие зонтичные антенны - это антенны Trideco (ниже) построен для военно-морских передающих станций СНЧ, которые связываются с подводными лодками. Восемь зонтичных антенны 350 метров используются в массиве на объекте связи Немецкого УНЧА, работающий при температуре около 20 кГц с высокой эффективностью излучения , даже если они являются менее чем 1 / 40 максимум длины волны. [ необходима цитата ]

С распространением во всем мире двух новых любительских радиодиапазонов на 630 м и 2200 м , любители, располагающие достаточной недвижимостью, возобновили использование этой конструкции.

Антенна Trideco [ править ]

Антенная решетка trideco в передатчике УНЧ Cutler ВМС США в Катлере , штат Мэн, которая передает тактические приказы подводным лодкам с частотой 24 кГц и мощностью 1,8 мегаватт, является одним из самых мощных передатчиков в мире. Он состоит из двух идентичных антенн Trideco, каждая из которых состоит из 13 опор, поддерживающих 6-канальный провод диаметром около мили. На рисунке (слева) показаны несколько башен, (справа) центральная мачта и 6 вертикальных излучателей, соединенных с панелями, показаны длинные 50-футовые гирлянды изоляторов и коронирующие кольца, необходимые для выдерживания напряжения 200 кВ на антенне.

Trideco антенна представляет собой огромный специализированный зонтичная антенна используется в нескольких передатчиков большой мощности при очень низкой частоте (УНЧ). [5] [6] В обычной зонтичной антенне использование наклонных растяжек в качестве емкостной верхней нагрузки имеет некоторые недостатки: во-первых, поскольку зонтичные тросы должны быть прикреплены к земле, их длина ограничена. На низких частотах длина требуемых тросов с верхней нагрузкой намного больше, чем можно использовать для растяжек, без дополнительных опорных мачт тросы провисают до земли. Во-вторых, поскольку провода наклонные, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот вертикальный ток направлен в направлении, противоположном току в мачте, поэтому излучаемые им радиоволны на 180 ° не совпадают по фазе с излучением мачты и частично его подавляют.

В конструкции Trideco верхние тросы нагрузки проходят горизонтально от вершины центральной мачты, поддерживаемые кольцом из 12 мачт, окружающих центральную мачту, чтобы создать «пластину конденсатора», параллельную Земле, приводимую в движение в центре. [7] [8] Проволоки с верхней нагрузкой имеют форму шести ромбовидныхПанели в форме ромба, симметрично выступающие от центральной мачты под углом 60 °, придают антенне форму шестиконечной звезды, если смотреть сверху. Вместо того, чтобы использовать центральную мачту в качестве радиатора, каждая панель подключается к вертикальному проводу радиатора рядом с центральной мачтой, и шесть радиаторных проводов подаются синфазно к основанию. Это позволяет отключить питание одной из панелей и опустить ее на землю для обслуживания, пока остальная часть антенны работает. В земле под антенной находится огромная система радиального заземления, которая образует нижнюю «пластину» конденсатора с верхней нагрузкой наверху. Антенна должна быть очень большой на используемых частотах ОНЧ; высота опорных мачт составляет 250–300 метров (820–980 футов), а диаметр верхней нагрузки составляет около 1900 метров (6200 футов).

Антенна Trideco была разработана для мощных морских передатчиков, которые передают на частотах от 15 до 30 кГц при мощности до 2 мегаватт, для связи с подводными подводными лодками по всему миру. Это наиболее эффективная конструкция антенны, найденная до сих пор для этого диапазона частот, с КПД 70–80%, тогда как другие конструкции антенн СНЧ имеют КПД 15–30% из-за низкой радиационной стойкости очень короткого электрического монополя. [8] Вдохновением для дизайна послужила зонтичная антенна передатчика «Голиаф» мощностью 1 мегаватт, построенного флотом нацистской Германии в 1943 году в Кальбе, Германия. Антенна была изобретена Бойнтоном Хагаманом из Development Engineering Co. (DECO) и впервые установлена ​​в Катлере, штат Мэн, в 1961 году [9]. Сегодня антенны Trideco расположены на нескольких военных базах по всему миру, таких как военно-морская радиостанция Катлер в штате Мэн, США, военно-морская станция связи Гарольда Э. Холта , Эксмаут , Австралия, и радиостанция Anthorn в Анторне, Великобритания. Модифицированная трехпанельная антенна была расположена в NSS Аннаполис , Аннаполис, Мэриленд, США, но была списана в 1990 году.

История [ править ]

Брант-Рок 1905 года Фессендена, Масса, 400-футовая зонтичная антенна
Зонтичная антенна для раннего искрового передатчика СНЧ на передающей станции Науэн, Науэн, Германия, 1906 год.
Зонтичная антенна 220 футов беспроводной телеграфной станции 200 кГц недалеко от Ньюкасла, Англия, 1910 год.

Зонтичные антенны были изобретены в эпоху беспроводной телеграфии , примерно с 1900 по 1920 год, и использовались с искровыми передатчиками в длинноволновых диапазонах для передачи информации кодом Морзе . Низкие частоты использовались для трансконтинентальной связи на большие расстояния, а антенны были электрически короткими , поэтому использовались антенны с емкостной нагрузкой. Зонтичные антенны разработаны на основе больших многопроволочных емкостных антенн, используемых Гульельмо Маркони во время его усилий по обеспечению надежной трансатлантической связи.

Первой антенной, в которой использовалась эта конструкция, вероятно, была трубчатая мачта длиной 420 футов (130 м), установленная в 1905 году Реджинальдом Фессенденом для его экспериментального передатчика с искровым разрядником в Брант-Рок, штат Массачусетс, с помощью которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, установив связь с идентичная антенна в Махриханише , Шотландия. [10] Провода, прикрепленные к вершине (4 или 8, в зависимости от источника), были электрически подключены к мачте и протянуты по диагонали вниз к поверхности, где они были изолированы от земли. Другой ранний пример - зонтичная антенна, построенная в 1906 году Адольфом Слаби на передающей станции Науэн., Первая в Германии радиостанция дальнего радиуса действия, состоящая из 100-метрового стального решетчатого радиатора башни с 162 зонтичными тросами, прикрепленными к вершине, прикрепленными пеньковыми веревками к земле в 200 м от башни. Маленькие зонтичные антенны широко использовались с портативными передатчиками военными войсками связи во время Первой мировой войны , поскольку не было возможности установить полноразмерные четвертьволновые антенны.

Зонтичные антенны использовались в большинстве передатчиков навигационной системы OMEGA , работающих около 10 кГц, на станциях Decca Navigator и на станциях LORAN-C , работающих на частоте 100 кГц с центральными мачтами высотой примерно 200 метров, до того, как эти системы были отключены.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Моррис, Кристофер Г. (1992). Словарь академической прессы по науке и технологиям . Издательство Gulf Professional Publishing. п. 2292. ISBN 9780122004001.
  2. ^ a b Руководство NAVELEX 0101-113: Критерии морской береговой электроники - системы связи СНЧ, НЧ и СЧ . Вашингтон, округ Колумбия: Командование военно-морских электронных систем, ВМС США. Август 1972. С. 4.23–4.28. ISBN 9780906048870.
  3. ^ a b c Радж, Алан В .; Милн, К. (1982). Справочник по конструкции антенн, Vol. 2 . ИЭПП. С. 588–593. ISBN 9780906048870.
  4. ^ a b Джонсон, Ричард С. (1993). Справочник по проектированию антенн, 3-е изд. (PDF) . Макгроу-Хилл. С. 24.8–24.10. ISBN  007032381X.
  5. ↑ Ньюман, Эдвард М. (14 ноября 2012 г.). «Самая большая маленькая антенна в мире» (PDF) . Scribd . Проверено 17 июня 2020 .
  6. ^ Джонсон, Ричард С. (1993). Справочник по проектированию антенн, 3-е изд. (PDF) . Макгроу-Хилл. п. 24.12. ISBN  007032381X.
  7. ^ Руководство NAVELEX 0101-113: Критерии морской береговой электроники - системы связи СНЧ, НЧ и СЧ (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Командование военно-морских электронных систем, ВМС США. Август 1972. С. 3.15–3.16.
  8. ^ a b Ватт, Артур Д. (1967). Радиотехника УНЧ . Pergamon Press. С. 139–142.
  9. ^ Hagaman, Бойнтон (апрель 2000). «Проектирование гигантских антенн» . Конспект презентации в апреле AMRAD собрании 2000 . AMRAD (Корпорация исследований и развития любительского радио) . Проверено 9 июня 2020 .
  10. ^ Саркар, ТЗ; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А. (2006). История беспроводной связи . Джон Вили и сыновья. С. 399–400. ISBN 9780471783015.

Внешние ссылки [ править ]

  • Изображение зонтичной антенны