Зонтичная антенна

редактировать

Зонтичная антенна представляет собой емкостный провод с верхней нагрузкой монопольная антенна, состоящий в большинстве случаев из мачты , питаемой со стороны заземления, к которой наверху подсоединено несколько радиальных проводов с уклоном вниз. Они используются в качестве передающих антенн на частотах ниже 1 МГц, в диапазонах MF, LF и, в частности, VLF, 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 также могут поддерживать мачту в качестве растяжек. Радиальные провода делают антенну похожей на каркас гигантского зонта - без ткани - отсюда и название.

Содержание

  • 1 Дизайн
  • 2 Как это работает
  • 3 Диаграмма направленности
  • 4 Приложения
  • 5 Антенна Trideco
  • 6 История
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Конструкция

Антенна поддерживается центральной мачтой, обычно стальной трубчатой ​​или решетчатой ​​. Электропроводящая мачта обычно изолирована от земли и подключается у своего основания к фидерной линии от передатчика и служит излучающим элементом (хотя в некоторых антеннах используются вертикальные провода, подвешенные параллельно мачте.). Вверху мачты прикреплено кольцо из диагональных тросов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, идущих вниз до земли, где они обычно крепятся бетонными анкерами. деформационный изолятор, вставленный в каждый провод на определенной высоте, не позволяет току антенны достигать земли, поэтому антенна состоит из мачты и верхних частей зонтичных проводов, а нижние части служат только для закрепления провода к земле и могут быть изготовлены из непроводящего троса. Конструктивно тросы могут также служить растяжками для поддержки мачты. Под антенной находится большая система заземления , состоящая из проводов, закопанных в землю, идущих радиально от основания мачты до края проводов с верхней нагрузкой, подключенных к другой стороне фидерной линии передатчика..

Как это работает

Вертикальная мачта, изолированная от земли с помощью поддерживающий керамический изолятор, функционирует как резонансная монопольная антенна. На используемых низких частотах высота мачты намного меньше ее резонансной длины, четверть длины волны (λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4}\ lambda / 4 ), поэтому получается очень электрически короткая антенна; он имеет очень низкую радиационную стойкость и без проводов с верхней нагрузкой был бы очень неэффективным излучателем. 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, образуя стоячую волну, состоящую из хвостовой части синусоидальной волны. 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 действуют как верхняя емкостная нагрузка, добавляя ёмкость к верхней части антенны. Емкость увеличивает ток в вертикальной мачте из-за дополнительного тока, необходимого для зарядки и разрядки емкости верхней нагрузки в каждом РЧ-цикле, увеличивая излучаемую мощность. Скрытые заземляющие провода под антенной работают как нижняя пластина «конденсатора».

Чтобы отключить большое емкостное реактивное сопротивление антенны и сделать ее резонансной на рабочей частоте, чтобы обеспечить эффективную подачу энергии, большая катушка индуктивности (загрузочная катушка ) размещается в фиде последовательно с антенной у ее основания. Другая сторона фидерной линии от передатчика подключена к системе заземления. Антенна и катушка образуют настроенную цепь. Их большое реактивное сопротивление и низкое сопротивление обычно придают антенне высокий Q_factor, поэтому она имеет узкую полосу, в которой она может работать. В больших зонтичных антеннах, используемых в полосе очень низкой частоты, ширина полосы частот 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 выгодна для антенн высокой мощности, которые работают при высоких напряжениях, поскольку не требует дорогостоящей опоры изолятора мачты внизу, чтобы удерживать высокое напряжение на мачте от земли. Также не требуется изолятор в кабелях питания сигнальных ламп 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 диапазоне низких частот.

Диаграмма направленности

Зонтичные антенны излучают вертикально поляризованные радиоволны с однонаправленной диаграммой 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 VLF.

Земные волны - это волны с вертикальной поляризацией, которые распространяются от антенны горизонтально прямо над землей. Следовательно, зонтичные антенны являются хорошими антеннами на основе наземных волн и используются в качестве антенн радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ.

усиление зонтичной антенны, как и других электрически коротких несимметричных антенн, составляет примерно 3,52 дБи, если оно значительно меньше, чем λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4}\ lambda / 4 .

Поскольку диагональные провода имеют наклон вниз, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот ток направлен 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 гасят. 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

Из-за большой емкостной нагрузки зонтичные антенны являются одними из наиболее эффективных конструкций антенн на низких частотах и ​​используются для передатчиков в LF и VLF диапазоны для средств навигации и военной связи. Они обычно используются для коммерческих средневолновых и длинноволновых AM-радиостанций. В эксплуатации находятся зонтичные антенны высотой 15–460 метров. Самые большие зонтичные антенны - это антенны Trideco (ниже), построенные для военно-морских передающих станций VLF, которые взаимодействуют с подводными подводными лодками. Восемь зонтичных антенн высотой 350 метров используются в группе на немецком объекте связи ОНЧ, работающих на частоте около 20 кГц с высокой эффективностью излучения, даже несмотря на то, что они имеют длину волны менее ⁄ 40.

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

Антенна Trideco

Антенная решетка Trideco на передатчике УНЧ Cutler ВМС США в Катлере, штат Мэн, передает тактические приказы подводным лодкам с частотой 24 кГц и мощностью 1,8 мегаватт, один 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 радиаторов, соединенных с панелями, показаны длинные 50-футовые гирлянды изоляторов и коронирующие кольца требуется, чтобы выдерживать напряжение 200 кВ на антенне.

Trideco-антенна - это огромная специализированная зонтичная антенна, используемая в нескольких передатчиках высокой мощности на очень низкой частоте (VLF). 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 необходимая длина 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 тридеко верхние нагрузочные тросы проходят горизонтально от вершины центральной мачты, поддерживаясь кольцом из 12 мачт, окружающих центральную мачту, чтобы создать «пластину конденсатора», параллельную Земле, с приводом от центр. Тросы с верхней нагрузкой имеют форму шести панелей ромбовидной формы (ромбовидной формы), симметрично отходящих от центральной мачты под углом 60 °, что придает 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 электрически короткого монополь. Вдохновением для дизайна послужила зонтичная антенна 1-мегаваттного передатчика «Голиаф», 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. Сегодня антенны Trideco расположены на нескольких военных базах по всему миру, таких как военно-морская радиостанция Катлера в штате Мэн, США, военно-морская станция связи Гарольда Э. Холта, Эксмаут, Австралия, и радиостанция Anthorn, Антхорн, Великобритания. Модифицированная трехпанельная антенна была расположена в NSS Аннаполис, Аннаполис, Мэриленд, США, но была выведена из эксплуатации в 1990 году.

История

Зонтичная антенна Фессендена 1905 г., штат Массачусетс, 400 футов Зонтичная антенна для раннего искрового передатчика СНЧ на передающей станции Науэн, Науэн, Германия, 1906. Зонтичная антенна 220 футов беспроводной телеграфной станции 200 кГц около Ньюкасла, Англия, 1910 год.

Зонтик антенны были изобретены в эпоху беспроводной телеграфии, примерно с 1900 по 1920 год, и использовались с передатчиками с искровым разрядником на длинноволновых диапазонах для передачи информации Морзе код. Низкие частоты использовались для трансконтинентальной связи на большие расстояния, а антенны были электрически короткими, поэтому использовались антенны с емкостной нагрузкой. Зонты 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), возведенная в 1905 году Реджинальдом Фессенденом для своего экспериментального передатчика с искровым разрядником в Брант-Рок, Массачусетс, с которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, установив связь с идентичной антенной в Махриханиш, Шотландия. 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, первой в Германии радиостанции дальнего действия, состоящей 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 системы навигации OMEGA, работающих на частоте около 10 кГц, и на станциях LORAN-C, работающих на частоте 100 кГц с центральными мачтами около 200 метров высотой до того, как эти системы были отключены.

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-20 10:18:15
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте