J-полевая антенна
J -образная антенна , более известная как J-антенна , [1] представляет собой вертикальную всенаправленную передающую антенну , используемую в коротковолновых диапазонах частот . Он был изобретен Гансом Беггеровым в 1909 году для использования на дирижаблях Zeppelin . [2] Расположенный за дирижаблем, он состоял из единственного проволочного излучателя длиной в половину длины волны, последовательно соединенного с четвертьволновым параллельным линии передачи шлейфом настройки , который согласовывал импеданс антенны с фидерной линией . К 1936 году эту антенну начали использовать для наземных передатчиков с излучающим элементом и согласующей секцией, установленными вертикально, придав ей форму буквы «J», [3] и к 1943 году она была названа J-антенной . [1] Когда излучающая полуволновая секция устанавливается горизонтально, под прямым углом к четвертьволновому согласующему шлейфу, такой вариант обычно называют антенной Зеппа . [4]
Как это работает
[ редактировать ]Антенна с J-полюсом представляет собой всенаправленную полуволновую антенну с концевым питанием , которая согласуется с фидерной линией с помощью короткозамкнутого четвертьволнового параллельного линии передачи шлейфа . [5] [1] [6] Чтобы передающая антенны должно быть антенна работала эффективно, поглощая всю мощность, передаваемую по ее фидерной линии, сопротивление согласовано с линией; питающей линии он должен иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению . Полуволновая антенна, питаемая с одного конца, имеет токовый узел в точке питания, что обеспечивает очень высокое входное сопротивление, составляющее около 1000–4000 Ом . [5] Это намного превышает характеристическое сопротивление линий передачи, поэтому требуется схема согласования импеданса между антенной и фидерной линией.
Короткий четвертьволновый шлейф, линия передачи длиной в четверть длины волны с закороченными на одном конце проводниками, имеет аналогичный узел с высоким импедансом на открытом конце, что хорошо согласуется с антенной. Входное сопротивление, наблюдаемое в какой-то точке шлейфа, постоянно меняется, монотонно уменьшаясь от этого высокого значения до нуля на закороченном конце. Таким образом, любое значение входного сопротивления можно получить, подключив фидерную линию к нужной точке шлейфа. Одно плечо шлейфа удлинено на половину длины волны, чтобы получилась антенна. Присоединив фидерную линию антенны к нужной точке линии передачи, шлейф преобразует это сопротивление в сторону уменьшения, чтобы оно соответствовало более низкому импедансу фидерной линии, позволяя эффективно подавать мощность на антенну. [6] Во время строительства подходящая точка крепления питающей линии находится путем перемещения соединения питающей линии вперед и назад вдоль шлейфа, одновременно контролируя КСВ до тех пор, пока не согласование импеданса (минимальный КСВ). будет получено [1] [6] Будучи полуволновой антенной, она обеспечивает небольшой выигрыш, чуть менее 1 дБ, по сравнению с четвертьволновой антенной, расположенной на земле. [7]
Усиление и диаграмма направленности
[ редактировать ]
Антенна с J-образным полюсом, в основном являющаяся диполем, демонстрирует в основном всенаправленную диаграмму направленности в горизонтальной (H) плоскости со средним коэффициентом усиления в свободном пространстве около 2,2 дБи (0,1 дБд) . [8] Измерения и моделирование подтверждают, что четвертьволновой шлейф изменяет форму круговой диаграммы направленности в плоскости H, немного увеличивая усиление на стороне шлейфового элемента J и немного уменьшая усиление на стороне, противоположной шлейфовому элементу J. [8] [9] Под прямым углом к J-шлейфу усиление ближе к общему среднему значению: около 2,2 дБи (0,1 дБд). [8] Небольшое увеличение усиления диполя на 2,15 дБи (0 дБд) представляет собой небольшой вклад в диаграмму направленности, вносимый дисбалансом тока в согласующей секции. [8] Рисунок на возвышении (или в плоскости E ) демонстрирует небольшое возвышение рисунка в направлении элемента J, в то время как рисунок напротив элемента J в основном имеет поперечную форму. [9] Конечным эффектом возмущения, вызванного четвертьволновым шлейфом, является приблизительное усиление в Н-плоскости от 1,5 до 2,6 дБи (от -0,6 дБд до 0,5 дБд). [9]
Среда
[ редактировать ]Как и все антенны, J-полюс чувствителен к электропроводящим объектам в своих индукционных полях. [10] (также известная как реактивная область ближнего поля [11] )и должны поддерживать достаточное расстояние, чтобы минимизировать эти взаимодействия в ближнем поле, как часть типовых соображений по установке системы. [12] Четвертьволновой шлейф параллельной линии передачи имеет внешнее электромагнитное поле, сила и размер которого пропорциональны расстоянию между параллельными проводниками. [13] Параллельные проводники должны быть защищены от влаги, снега, льда и находиться на расстоянии от других проводников, включая водосточные трубы, металлические оконные рамы, оклады и т. д., на расстоянии, в два-три раза превышающем расстояние между параллельными шлейфами. [4] J-образная опора очень чувствительна к проводящим опорным конструкциям и обеспечивает наилучшие характеристики без электрического соединения между антенными проводниками и монтажной конструкцией. [14] [15]
Строительство
[ редактировать ]Антенна состоит из двух параллельных прямых металлических проводников, одного 3/4 длины другая волны и 1/4 длины волны на рабочей частоте , закороченной внизу. [ нужна ссылка ] Типичные строительные материалы включают металлические трубы, [1] лестничная линия , или двухпроводная . [16] Поскольку согласующая секция должна действовать как линия передачи, расстояние между параллельными проводниками должно составлять не более 0,02 длины волны. [17]
Антенна с J-полюсом и ее варианты могут питаться по симметричной линии. [1] Коаксиальную линию питания можно использовать , если она включает в себя средства подавления радиочастотных токов в питающей линии. [14] [18] Точка питания J-полюса находится где-то между закрытым низом с низким импедансом и открытым верхом с высоким импедансом J-шлейфа. [1] [3] Между этими двумя крайностями возможно согласование любого импеданса между точками низкого и высокого импеданса. [1] [3]
Конструкция J-полюса хорошо работает при сбалансированном питании (через балун , трансформатор или дроссель), и между его проводниками и окружающими опорами отсутствует электрическое соединение. [14] [15] Историческая документация по J-антенне предполагает, что нижний конец согласующего шлейфа имеет нулевой потенциал по отношению к земле и может подключаться к заземляющему проводу или мачте, не влияя на работу антенны. [1] Более поздние исследования подтверждают тенденцию мачты или заземляющего провода отводить ток от антенны, что потенциально может испортить диаграмму направленности антенны. [19] При обычном подходе проводник удлиняется ниже нижней части J-полюса, что приводит к появлению дополнительных и нежелательных радиочастотных токов, протекающих по каждой части монтажной конструкции. [14] Это изменяет диаграмму направленности антенны в дальнем поле. [19] обычно, но не всегда, подъем основных лепестков над горизонтом снижает эффективность антенны для наземной службы. [15] J-образные антенны с электрическим подключением к опорам часто работают не лучше, а зачастую и намного хуже, чем более простая несимметричная антенна . [14] Развязывающий шлейф мачты уменьшает токи в мачте. [19] [20] [21] [22]
Вариации
[ редактировать ]
Тонкая антенна Джима
[ редактировать ]Разновидностью J-штекера является антенна Slim Jim , также известная как G2BCX Slim Jim . [23] это связано с J-полюсом аналогично тому, как сложенный диполь связан с диполем . [24] Slim Jim — один из многих способов формирования J-образной стойки. [24] Представленное Фредом Джаддом (G2BCX) в 1978 году, название произошло от его тонкой конструкции и заглушки , соответствующей типу J ( J I ntegrated Matching ). [23]
Вариант антенны с J-образной опорой Slim Jim имеет характеристики и характеристики, аналогичные простой или сложенной полуволновой антенне и идентичной конструкции обычной J-образной опоры. [24] Джадд сообщил, что Slim Jim имеет меньший угол взлета и лучшие электрические характеристики, чем 5/8 антенна с плоской поверхностью длины волны, [23] однако другие испытания и анализ показывают, что антенны Slim Jim не имеют преимущества в производительности по сравнению с обычной однопроводной антенной с J-образным полюсом. [9] [24] Антенны Slim Jim, изготовленные из лестничной линии передачи, используют существующий параллельный проводник для сложенного дипольного элемента. [9] но в варианте с медной трубкой Slim Jim требует почти вдвое больше материала, что не дает никакого выигрыша в производительности. [9]
Примерное усиление в H-плоскости Slim Jim составляет от 1,5 до 2,6 дБи (от –0,6 дБд до 0,5 дБд). [9]
Антенна Супер-J
[ редактировать ]Вариант антенны J-полюса Super-J добавляет еще один коллинеарный полуволновой излучатель над обычным J и соединяет их с помощью фазового шлейфа, чтобы гарантировать, что обе вертикальные полуволновые секции излучают в текущей фазе. [25] Фазирующий шлейф между двумя полуволновыми секциями часто выполнен в стиле Франклина . [25] [26] [27]
Антенна Super-J сжимает ширину луча по вертикали и имеет больший коэффициент усиления, чем традиционная конструкция с J-образной опорой. [28] Обе излучающие секции имеют недостаточное разделение для реализации максимальных преимуществ коллинеарных решеток, в результате чего уровень шума немного меньше оптимальных 3 дБ по сравнению с обычной J-образной или полуволновой антенной. [28] [29]
Примерное усиление в H-плоскости антенны Super-J составляет от 4,6 до 5,2 дБи (от 2,4 дБд до 3,1 дБд). [29]
Коллинеарная J-антенна
[ редактировать ]Коллинеарная J-антенна улучшает Super-J, разделяя две излучающие полуволновые секции для оптимизации усиления с помощью фазирующей катушки. [29] Полученное усиление ближе к оптимальным 3 дБ по сравнению с обычной J-образной или полуволновой антенной. [29]
Примерное усиление в H-плоскости коллинеарной J-антенны составляет от 4,6 до 5,2 дБи (от 2,4 дБд до 3,1 дБд). [29]
Диаграммы усиления E-плоскости вариаций
[ редактировать ]На графике сравнивается усиление E-плоскости трех вышеупомянутых вариантов с обычной J-антенной.
Обычная J-антенна и вариант SlimJIM практически идентичны по усилению и диаграмме направленности. Super-J демонстрирует преимущества правильной фазировки и ориентации второго радиатора над первым. Collinear J демонстрирует немного более высокие характеристики по сравнению с Super-J.
Двухдиапазонный режим работы вблизи 3-й гармоники
[ редактировать ]Базовая J-антенна резонирует на третьей гармонике самой низкой расчетной частоты. [30] Эксплуатация 3/2 Таким образом , . длины волны создают диаграмму направленности антенны, неблагоприятную для наземной работы [31]
Чтобы решить проблему изменения диаграммы направленности, существует множество методов, которые якобы ограничивают J-антенну, работающую на третьей гармонике или около нее, так, чтобы в излучателе над шлейфом была активна только одна полуволна. Все они подразумевают использование дросселя с высоким импедансом в первой петле напряжения. [31] Эти методы не достигают цели, поскольку закрытие точки с высоким импедансом с помощью высокого импеданса позволяет энергии проходить через дроссель. [31] [32]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Антенны очень высокой частоты». Антенны и антенные системы (ТМ 11-314) (PDF) . Военное министерство США. 30 ноября 1943 г., стр. 163–164 . Проверено 6 мая 2016 г.
- ^ Беггеров, Ганс (19 сентября 1909 г.). «Патент Германии 225204» (PDF) . Антенна Цеппелина . Проверено 28 января 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с Патент США 2124424 , Лоранс МакКоннелл Лидс, «Антенная система», опубликован 19 июля 1938 г.
- ^ Jump up to: а б Холл, Джеральд; и др., ред. (1988). Книга об антеннах ARRL (15-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . п. 24.25. ISBN 0-87259-206-5 .
- ^ Jump up to: а б Книга по антеннам ARRL . Библиотека радиолюбителей. Том. 15 (5-е изд.). Вест-Хартфорд, Коннектикут / Конкорд, Нью-Хэмпшир: Американская лига радиорелейной связи / Rumford Press. 1949. стр. 91–92 - через книги Google.
- ^ Jump up to: а б с Браун, Джордж, изд. (июль 2001 г.). Поваренная книга по радио и электронике . Поттерс-Бар, Хертс, Великобритания / Оксфорд, Великобритания: Радиосообщество Великобритании / Newnes. стр. 149–150. ISBN 9780750652148 – через книги Google. ISBN 0-7506-5214-4
- ^ Хаггинс, Джон С. (6 ноября 2008 г.). «1/4-волновой монополь против 1/2-волнового J-поляка EZNEC» . Любительское радио: Magnum Experimentum (hamradio.me) . Проверено 30 января 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с д Чебик, Л.Б. «Некоторые J-полюсы, которые я знал, Часть 1: Почему я наконец заинтересовался J-полюсами, и некоторые предостережения при их моделировании» . Cebik.com . Архивировано из оригинала 22 апреля 2014 года . Проверено 1 октября 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хаггинс, Джон С. (19 августа 2015 г.). «Слим-Джим против традиционной антенны с J-образной опорой» . Любительское радио: Magnum Experimentum (hamradio.me) . Проверено 28 августа 2015 г.
- ^ Гриффит, Б. Уитфилд (1962). Основы радиоэлектронной передачи . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 322–323.
- ^ Баланис, Константин (1982). Теория антенн . Харпер и Роу. стр. 116–118. ISBN 0-06-040458-2 .
- ^ Коллинз, Брайан (1984). «Антенны связи ОВЧ и УВЧ». В Джонсоне, Ричарде (ред.). Справочник по проектированию антенн (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 27.21–27.22. ISBN 0-07-032291-0 .
- ^ Гриффит, Б. Уитфилд (1962). Основы радиоэлектронной передачи . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 243–244.
- ^ Jump up to: а б с д и Хаггинс, Джон С. (28 января 2012 г.). «J-образная антенна: стоит ли ее заземлять?» . Любительское радио: Magnum Experimentum (hamradio.me) . Проверено 30 января 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с Ричардсон, Дэн (март 1998 г.). «Возвращение к J-полюсу» (PDF) . Журнал CQ . стр. 34–41 . Проверено 30 января 2012 г.
- ^ Фонг, Эдисон (март 2007 г.). «DBJ-2: портативная свернутая J-образная антенна ОВЧ-УВЧ для государственных служб». КСТ . Ньюингтон, Коннектикут: ARRL, Inc.
- ^ Титерс, Чак (декабрь 2005 г.). «Проблема с J-антеннами» . The Splatter, выпуск за декабрь 2005 г. Сайт любительского радиоклуба Огасты, Огаста, Джорджия . Проверено 15 ноября 2021 г.
- ^ Складной балун, гильзовый балун или синфазный дроссель подавляют радиочастотные токи в питающей линии. Видеть : Стро, Дин (2007). «26 – Соединение линии с антенной». Книга по антеннам ARRL . ARRL, Inc. Ньюингтон, Коннектикут: ISBN 978-0-87259-987-1 .
- ^ Jump up to: а б с Хаггинс, Джон С. (27 февраля 2015 г.). «Возьмите J-полюс и заземлите его» . Проверено 4 марта 2015 г.
- ^ Хаггинс, Джон С. (17 июня 2015 г.). «Антенна на J-образной опоре, монтируемая на мачту» . Проверено 17 июня 2015 г.
- ^ Патент США 10468743 «Антенна», выдан 5 ноября 2019 г.
- ^ Патент США D798847 , «Антенна», выдан 3 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Джадд, Фред (1978). «Слим Джим – антенна 2 метра» . Практическая беспроводная связь – из воздуха : 37–39 . Проверено 24 апреля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с д Чебик, Л.Б. «Что такое Тонкий Джим?» . Cebik.com . Архивировано из оригинала 24 апреля 2014 года . Проверено 30 января 2012 г. - через net46.net.
- ^ Jump up to: а б Стив Сервин (2007). «Мобильные и морские антенны — морская антенна Super-J». В Стро, Дин (ред.). Книга антенн ARRL (21-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи, Inc., стр. 16.23–16.26. ISBN 978-0-87259-987-1 .
- ^ Франклин, Чарльз (1924). «Антенна Франклина» (PDF) . Проверено 28 января 2016 г.
- ^ Коллинз, Брайан (1984). «Антенны связи ОВЧ и УВЧ - Антенны базовых станций». В Джонсоне, Ричард; Генри Ясик (ред.). Справочник по проектированию антенн (2-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. п. 27.14. ISBN 0-07-032291-0 .
- ^ Jump up to: а б Чебик, Л.Б. «Некоторые известные мне J-штанги, Часть 4: Некоторые вещи, которые мы можем и не можем делать с J-штангами» . Cebik.com. Архивировано из оригинала 22 апреля 2014 года . Проверено 21 апреля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Хаггинс, Джон С. (5 августа 2012 г.). «Улучшение антенны Super J-Pole» . Проверено 21 апреля 2014 г.
- ^ Хаггинс, Джон (17 декабря 2008 г.). «Можно ли использовать 2-метровую J-палку на высоте 440?» . Hamradio.me . Проверено 12 июня 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с Хаггинс, Джон (29 декабря 2018 г.). «Провал в развязке антенного радиатора?» . Hamradio.me . Проверено 12 июня 2019 г.
- ^ Хаггинс, Джон (28 декабря 2018 г.). "Там, где заглушки четвертьволновой излучательной развязки работают... и не работают" . Hamradio.me . Проверено 12 июня 2019 г.