Мачтовый радиатор

Типичный мачтовый излучатель и хижина для настройки антенны AM-радиостанции в Чапел -Хилл, Северная Каролина , США.

Мачтовый излучатель (или излучающая башня ) — радиомачта или башня, в которой сама металлическая конструкция находится под напряжением и выполняет функцию антенны . Эта конструкция, впервые широко использованная в 1930-х годах, обычно используется для передающих антенн, работающих на низких частотах , в диапазонах НЧ и СЧ , в частности тех, которые используются для радиовещательных станций AM. Проводящая стальная мачта электрически соединена с передатчиком . Его основание обычно монтируется на непроводящей опоре, чтобы изолировать его от земли. Мачтовый излучатель представляет собой разновидность монопольной антенны .

Структурный проект

Типичная 60-метровая (200 футов) решетчатая мачта с треугольными оттяжками AM-радиостанции в Маунт-Вернон, Вашингтон , США.

Blosenbergturm . , отдельно стоящая антенная башня в Беромюнстере , Швейцария

Большинство мачтовых радиаторов имеют конструкцию мачт с оттяжками . Стальные решетчатые мачты треугольного сечения являются наиболее распространенным типом. Иногда также используются квадратные решетчатые мачты и трубчатые мачты. Чтобы гарантировать, что опора является непрерывным проводником, структурные секции опоры электрически соединены в местах соединений короткими медными перемычками, которые припаиваются с каждой стороны или свариваются «плавлением» (дуговой сваркой) поперек ответных фланцев.

Для обеспечения работы мачты как единого проводника отдельные конструктивные секции мачты электрически соединяются медными перемычками.

Мачты с базовым питанием, наиболее распространенный тип, должны быть изолированы от земли. В своем основании мачта обычно крепится на толстом керамическом изоляторе , который обладает прочностью на сжатие, позволяющей выдерживать вес башни, и диэлектрической прочностью , позволяющей выдерживать высокое напряжение, подаваемое передатчиком. Радиочастотная рядом с мощность для возбуждения антенны подается через сеть согласования импеданса , обычно расположенную в хижине для настройки антенны основанием мачты, а кабель, подающий ток, просто прикрепляется болтами или припаивается к вышке. Фактический передатчик обычно расположен в отдельном здании, которое подает радиочастотное питание в настроечную хижину по линии передачи .

Чтобы удерживать мачту в вертикальном положении, к мачте прикреплены натянутые растяжки , обычно по три штуки под углом 120°, которые крепятся к земле обычно с помощью бетонных анкеров . Несколько наборов растяжек (от 2 до 5) на разных уровнях используются для придания башне устойчивости к короблению. В оттяжки вставлены изоляторы напряжения , обычно вверху рядом с точкой крепления к мачте, чтобы изолировать проводящий кабель от мачты и предотвратить попадание высокого напряжения на опоре на землю.

Несмотря на то, что они изолированы от мачты, проводящие оттяжки могут действовать электрически как резонансные антенны ( паразитные элементы ), поглощая и переизлучая радиоволны от мачты, нарушая диаграмму направленности антенны. Чтобы предотвратить это, в растяжки через определенные промежутки вставляются дополнительные изоляторы напряжения, чтобы разделить линию на нерезонансные длины: Обычно сегменты должны быть ограничены максимум одной восьмой-одной десятой длины волны ( $\ {\tfrac {\ 1\ }{8}}\lambda \sim {\tfrac {1}{\ 10\ }}\lambda \$).

Мачтовые радиаторы также могут быть построены в виде отдельно стоящих решетчатых башен , широких внизу для устойчивости и сужающихся к тонкой мачте. Преимуществом этой конструкции является отсутствие растяжек и, следовательно, уменьшение необходимой земельной площади. Эти опоры могут иметь треугольное или квадратное поперечное сечение, при этом каждая опора опирается на изолятор. Недостатком является то, что широкое основание башни искажает вертикальную картину тока на башне, снижая сопротивление излучения и, следовательно, излучаемую мощность, поэтому предпочтительны мачты с оттяжками.

Национальное министерство радио страны обычно имеет регулирующие полномочия по проектированию и эксплуатации радиомачт в дополнение к местным строительным нормам , которые охватывают структурное проектирование. В США это Федеральная комиссия по связи (FCC). Планы мачты должны быть одобрены регулирующими органами до начала строительства.

Электрический проект

Базовое питание: Радиочастотная мощность подается на мачту по прикрепленному к ней проводу, который поступает из согласующей сети внутри « хижины настройки антенны » справа. Коричневый керамический изолятор в основании обеспечивает электрическую изоляцию мачты от земли. Слева расположен заземлитель и разрядник для молниезащиты.

В оттяжки вставлены тензоизоляторы яйцевидной формы, которые предотвращают попадание высокого напряжения на мачте на землю и разбивают линии на сегменты нерезонансной длины .

Одиночный мачтовый излучатель представляет собой всенаправленную антенну , излучающую одинаковую мощность радиоволн во всех горизонтальных направлениях. Излучатели мачты излучают с вертикальной поляризацией радиоволны , при этом большая часть мощности излучается при малых углах места. В среднечастотном (СЧ) и низкочастотном (НЧ) диапазонах AM -радиостанции покрывают зону прослушивания с помощью земных волн — радиоволн с вертикальной поляризацией, которые распространяются близко к поверхности земли, следуя контуру местности. Мачтовые излучатели являются хорошими антеннами для земных волн и являются основным типом передающих антенн, используемых радиостанциями AM, а также другими радиослужбами в диапазонах СЧ и НЧ. Они также могут излучать достаточную мощность при больших углах места для небесной волны радиопередачи (пропуска).

Большинство радиостанций используют одиночные мачты. Несколько мачт, питаемых радиотоком на разных фазах, можно использовать для создания направленных антенн , которые излучают большую мощность в определенных направлениях, чем другие.

Система подачи

Передатчик , генерирующий радиочастотный ток, часто располагается в здании на небольшом расстоянии от мачты, поэтому его чувствительная электроника и обслуживающий персонал не будут подвергаться воздействию сильных радиоволн у основания мачты. В качестве альтернативы он иногда располагается у основания мачты, при этом комната передатчика окружена медным экраном Фарадея для защиты от радиоволн. Ток от передатчика доставляется на мачту через питающую линию — специализированный кабель ( линию передачи ) для передачи радиочастотного тока. На частотах НЧ и СЧ коаксиальный кабель обычно используется с пенопластовой изоляцией. Линия подачи подключена к блоку настройки антенны ( сети согласования импеданса ) у основания мачты для согласования линии передачи с мачтой. Он может быть расположен в водонепроницаемом ящике или небольшом сарае, называемом хижиной для настройки антенны (спиральным домиком), рядом с мачтой. Схема настройки антенны согласовывает характеристическое сопротивление питающей линии с сопротивлением антенны (представлено на графике ниже) и включает в себя реактивное сопротивление , обычно нагрузочную катушку , для настройки реактивного сопротивления антенны, чтобы сделать ее резонансной на рабочая частота. Без антенного тюнера несоответствие импеданса между антенной и фидерной линией могло бы вызвать состояние, называемое стоячими волнами (высокий КСВ ), при котором часть радиомощности отражается обратно по фидерной линии к передатчику, что приводит к неэффективности и, возможно, перегреву передатчика. От антенного тюнера к мачте прикручивается или припаивается короткий фидер.

Существует несколько способов питания мачтового радиатора:

• Последовательное возбуждение (базовое питание) : мачта поддерживается на изоляторе и питается снизу; одна сторона питающей линии от спиральной башни соединена с нижней частью мачты, а другая - с системой заземления под мачтой. Это наиболее распространенный тип питания, используемый в большинстве мачт AM-радиостанций.
• Возбуждение шунта : нижняя часть мачты заземлена, и одна сторона питающей линии соединена с мачтой частично вверх, а другая - с системой заземления под мачтой. Импеданс мачты увеличивается по ее длине, поэтому, выбрав правильную высоту для подключения, сопротивление антенны можно согласовать с питающей линией. Это позволяет избежать необходимости изолировать мачту от земли, устраняет необходимость в изоляторе в линии электропередачи самолета и опасность поражения электрическим током высокого напряжения на основании мачты.
• Складной унипол : его можно рассматривать как разновидность шунтового питания, описанного выше. Антенная мачта заземляется, а к вершине антенны крепится трубчатая «юбка» из проводов и свисает параллельно мачте, окружая ее, до уровня земли, куда она подается. Он имеет более широкую полосу пропускания, чем одна башня.
• Секционная : также известная как «антенна с защитой от замирания», мачта разделена на две секции с изолятором между ними, образуя две расположенные друг над другом вертикальные антенны, питаемые синфазно. Такое коллинеарное расположение усиливает излучение под малым углом (земная волна) и уменьшает излучение под большим углом (воздушная волна). Это увеличивает расстояние до зоны месива , где земная и небесная волны ночью имеют одинаковую силу.

Правительственные постановления обычно требуют, чтобы мощность, подаваемая на антенну, контролировалась на основании антенны, поэтому станция настройки антенны также включает в себя схему выборки тока антенны, которая отправляет свои измерения обратно в диспетчерскую передатчика. В хижине также обычно находится источник питания для сигнальных огней самолета.

Высота мачты и диаграмма направленности

Измерены вертикальные диаграммы направленности антенн-излучателей монопольной мачты, установленных на земле. Расстояние линии от начала координат при заданном угле места пропорционально плотности мощности, излучаемой под этим углом. Для данной входной мощности мощность, излучаемая в горизонтальных направлениях, увеличивается с высотой от четвертьволнового монополя (0,25λ, синий ) через полуволновой монополь (0,5λ, зеленый ) до максимума на длине 0,625λ ( красный). )

Измеренное базовое сопротивление и реактивное сопротивление типичного мачтового радиатора с базовым питанием в зависимости от высоты.

Идеальная высота мачтового излучателя зависит от частоты передачи. $f$географическое распределение слушающей аудитории и местность. Несекционированный мачтовый излучатель представляет собой несимметричную антенну , и ее вертикальная диаграмма направленности , то есть количество мощности, которую он излучает под разными углами места, определяется его высотой. $h$ по сравнению с длиной волны $\lambda =c/f$ радиоволн, равных скорости света $c$ разделить на частоту $f$. Высота мачты обычно указывается в долях длины волны или в « электрических градусах ».

$G=360^{\circ }{h \over \lambda }$

где каждая степень равна $\lambda /360$ метры. Распределение тока на мачте определяет диаграмму направленности . Радиочастотный (точкой нулевого ток течет вверх по мачте и отражается от вершины, а прямой и отраженный ток интерферируют примерно синусоидальную стоячую волну , создавая на мачте с узлом тока) вверху и максимумом на четверть длины волны вниз.

$i(y)=I_{\text{max}}\sin(G-y)$

где $i(y)$ ток на высоте $y$ электрических градусов над землей и $I_{\text{max}}$ это максимальный ток. На высотах чуть меньше четверти длины волны ${1 \over 4}\lambda ,{1 \over 2}\lambda ,{3 \over 4}\lambda$ ...(G = 90°, 180°, 270°...) мачта резонансная ; на этих высотах антенна оказывает чистое сопротивление фидерной линии , что упрощает согласование импеданса фидерной линии и антенны. При других длинах антенна имеет емкостное реактивное сопротивление или индуктивное реактивное сопротивление . Однако мачты такой длины можно эффективно питать, компенсируя реактивное сопротивление антенны сопряженным реактивным сопротивлением в согласующей сети в спиральном доме. Из-за конечной толщины мачты, сопротивления и других факторов фактический ток антенны на мачте значительно отличается от предполагаемой выше идеальной синусоидальной волны, и, как показано на графике, резонансные длины типичной мачты ближе к 80 °. 140° и 240°.

Земные волны распространяются горизонтально от антенны чуть выше земли, поэтому целью большинства конструкций мачт является излучение максимального количества энергии в горизонтальных направлениях. Идеальная несимметричная антенна излучает максимальную мощность в горизонтальных направлениях на высоте 225 электрических градусов, примерно ⁠ 5/8 при ⁠ или 0,625 длины волны (это приближение справедливо для типичной мачты конечной толщины; для бесконечно тонкой мачты максимум возникает $2\lambda /\pi$ = 0.637 $\lambda$) Как показано на схеме, на высотах ниже половины длины волны (180 электрических градусов) диаграмма направленности антенны имеет один лепесток с максимумом в горизонтальных направлениях. На высотах выше половины длины волны диаграмма расщепляется и имеет второй лепесток, направленный в небо под углом около 60°. Причина, по которой горизонтальное излучение максимально на уровне 0,625. $\lambda$ заключается в том, что на частоте чуть больше половины длины волны излучение противоположной фазы от двух лепестков оказывает разрушительное влияние и гасится при больших углах места, в результате чего большая часть мощности излучается в горизонтальных направлениях. Высоты выше 0,625 $\lambda$ обычно не используются, поскольку выше этого уровня мощность, излучаемая в горизонтальных направлениях, быстро уменьшается из-за увеличения мощности, теряемой в небо во второй доле.

Для мачт средневолнового АМ-диапазона 0,625 $\lambda$ будет высотой 117–341 м (384–1119 футов) и выше для длинноволновых мачт. Высокие затраты на строительство таких высоких мачт приводят к тому, что часто используются более короткие мачты.

Выше приведена диаграмма направленности идеально проводящей мачты над идеально проводящей землей. Фактическая мощность принимаемого сигнала в любой точке земли определяется двумя факторами: мощностью, излучаемой антенной в этом направлении, и затуханием на трассе между передающей антенной и приемником, которое зависит от проводимости земли . Процесс проектирования реальной радиомачты обычно включает в себя исследование проводимости почвы, а затем использование компьютерной программы моделирования антенны для расчета карты мощности сигнала, создаваемого реальными коммерчески доступными мачтами на реальной местности. Это сравнивается с распределением аудитории, чтобы найти лучший дизайн.

Антивыцветающий дизайн

Вторая цель проектирования, влияющая на высоту, — уменьшить замирания из-за многолучевого распространения в зоне приема. Часть радиоэнергии, излучаемой под углом в небо, отражается слоями заряженных частиц в ионосфере и возвращается на Землю в зоне приема. Это называется небесной волной . На определенных расстояниях от антенны эти радиоволны не совпадают по фазе с земными волнами, и две радиоволны деструктивно интерферируют и частично или полностью гасят друг друга, снижая мощность сигнала. Это называется затуханием . Ночью, когда ионосферное отражение является наиболее сильным, это приводит к образованию кольцевой области низкой мощности сигнала вокруг антенны, в которой прием может быть неадекватным, иногда называемой «зоной тишины», стеной затухания или зоной месива . Однако замирание из-за многолучевости становится значительным только в том случае, если мощность сигнала ионосферной волны находится в пределах примерно 50% (3 дБ) от земной волны. Немного уменьшив высоту монополя, можно уменьшить мощность, излучаемую во втором лепестке, настолько, чтобы устранить замирание из-за многолучевости, с лишь небольшим уменьшением горизонтального усиления. Оптимальная высота составляет около 190 электрических градусов или 0,53. $\lambda$, так что это еще одна распространенная высота мачт.

Секционные мачты

Типом мачты с улучшенными характеристиками защиты от замирания является секционная мачта, также называемая мачтой с защитой от замирания. В секционированной мачте изоляторы в вертикальных опорных элементах делят мачту на две вертикально расположенные токопроводящие секции, которые питаются синфазно по отдельным линиям питания. Это увеличивает долю мощности, излучаемой в горизонтальных направлениях, и позволяет мачте быть выше 0,625. $\lambda$ без чрезмерного излучения под большим углом. Практические секции с высотой 120 на 120 градусов, 180 на 120 градусов и 180 на 180 градусов в настоящее время используются с хорошими результатами.

Электрически короткие мачты

Нижний предел частоты, на которой можно использовать мачтовые излучатели, находится в низкочастотном диапазоне из-за возрастающей неэффективности мачт короче четверти длины волны.

По мере уменьшения частоты длина волны увеличивается, поэтому для передачи заданной доли длины волны требуется более высокая антенна. Затраты на строительство и площадь земельного участка увеличивались с высотой, что налагало практическое ограничение на высоту мачты. Мачты высотой более 300 м (980 футов) непомерно дороги, и их построено очень мало; самые высокие мачты в мире имеют высоту около 600 м (2000 футов). Еще одним ограничением в некоторых областях являются ограничения по высоте конструкций; Возле аэропортов авиационные власти могут ограничить максимальную высоту мачт. Эти ограничения часто требуют использования мачты короче идеальной высоты.

Антенны значительно короче основной резонансной длины в четверть длины волны (0,25 $\lambda$, 90 электрических градусов) называются электрически короткими антеннами. Электрически короткие антенны являются эффективными излучателями ; усиление . даже короткой антенны очень близко к усилению четвертьволновой антенны Однако ими невозможно эффективно управлять из-за их низкой радиационной стойкости . Сопротивление излучения антенны, электрическое сопротивление , которое представляет собой мощность, излучаемую в виде радиоволн, которое составляет около 25–37 Ом на четверти длины волны, уменьшается ниже четверти длины волны пропорционально квадрату отношения высоты мачты к длине волны. Другие электрические сопротивления в антенной системе, омическое сопротивление мачты и системы подземного заземления, включены последовательно с сопротивлением излучения, и мощность передатчика делится между ними пропорционально. По мере уменьшения сопротивления излучения большая часть мощности передатчика рассеивается в виде тепла на этих сопротивлениях, снижая эффективность антенны. Мачты короче 0,17 $\lambda$ (60 электрических градусов) используются редко. На этой высоте сопротивление излучения составляет около 10 Ом, поэтому типичное сопротивление подземной системы заземления, 2 Ом, составляет около 20% сопротивления излучения, поэтому ниже этой высоты более 20% мощности передатчика теряется в земле. система.

Вторая проблема с электрически короткими мачтами заключается в том, что емкостное реактивное сопротивление мачты велико, поэтому требуется большая нагрузочная катушка в антенном тюнере, чтобы настроить ее и сделать мачту резонансной. Высокое реактивное сопротивление по сравнению с низким сопротивлением дает антенне высокую добротность ; Антенна и катушка действуют как настроенная схема с высокой добротностью , уменьшая полезную полосу пропускания антенны.

На более низких частотах мачтовые излучатели заменяются более сложными антеннами с емкостной верхней нагрузкой, такими как Т-антенна или зонтичная антенна , которые могут иметь более высокую эффективность.

Емкостные нагрузки

Емкостный «цилиндр» на мачте радиовышки AM в Хамерсли, Австралия.

В обстоятельствах, когда необходимо использовать короткие мачты, емкостная верхняя нагрузка (также известная как цилиндр или емкостной шляпа ) для увеличения излучаемой мощности. к вершине мачты иногда добавляется Это круглый экран из горизонтальных проводов, идущих радиально от верхушки антенны. Он действует как пластина конденсатора ; увеличение тока в мачте, необходимого для зарядки и разрядки емкости верхней нагрузки в каждом радиочастотном цикле, увеличивает излучаемую мощность. Поскольку верхняя нагрузка электрически действует как дополнительная длина мачты, это называется « электрическим удлинением » антенны. Другой способ создания натяжной шляпы — использовать секции верхней растяжки, вставив тензоизоляторы в растяжки на небольшом расстоянии от мачты. Емкость шляпок конструктивно ограничена эквивалентом 15-30 градусов дополнительной электрической высоты.

Система заземления

Основная статья: Земля (электричество)

Для мачтовых излучателей земля под мачтой является частью антенны; ток, подаваемый на мачту, проходит через воздух в землю под антенной в виде тока смещения (электрического поля). Земля также служит заземляющим слоем для отражения радиоволн. На антенну подается питание между нижней частью мачты и землей, поэтому требуется система заземления под антенной, чтобы обеспечить контакт с почвой и сбор обратного тока. Одна сторона питающей линии от спирального домика крепится к мачте, а другая сторона к наземной системе. Система заземления включена последовательно с антенной и пропускает полный ток антенны, поэтому для эффективности ее сопротивление должно быть низким, менее двух Ом, поэтому она состоит из сети кабелей, закопанных в землю. Поскольку в ненаправленной антенне токи заземления движутся радиально к точке заземления со всех направлений, система заземления обычно состоит из радиальной схемы подземных кабелей, идущих наружу от основания мачты во всех направлениях, соединенных вместе с заземляющим проводом на расстоянии терминал рядом с базой.

Мощность передатчика, теряемая в сопротивлении земли, и, следовательно, эффективность антенны, зависит от проводимости почвы. Это широко варьируется; болотистая местность или пруды, особенно с соленой водой, обеспечивают грунт с наименьшим сопротивлением. Плотность радиочастотного тока в земле и, следовательно, потери мощности на квадратный метр увеличиваются по мере приближения к клемме заземления у основания мачты. Таким образом, радиальную систему заземления можно рассматривать как замену почвы средой с более высокой проводимостью, медью, в частях земли, несущих высокую плотность тока, для уменьшения потерь мощности.

Стандартная широко используемая система заземления, приемлемая Федеральной комиссией по связи США (FCC), представляет собой 120 радиальных заземляющих проводов, расположенных на равном расстоянии друг от друга и простирающихся на четверть длины волны (0,25 дюйма). $\lambda$, 90 электрических градусов) от мачты. Обычно используется мягкотянутая медная проволока № 10, закапываемая на глубину от 10 до 25 см (от 4 до 10 дюймов). Для мачт AM-диапазона для этого требуется круглая территория, простирающаяся от мачты на 47–136 м (154–446 футов). Обычно его засаживают травой, которую скашивают коротко, поскольку высокая трава при определенных обстоятельствах может увеличить потери мощности. Если площадь земли вокруг мачты слишком ограничена для таких длинных радиалов, во многих случаях их можно заменить большим количеством более коротких радиалов. Металлическая опора под изолятором мачты соединена с системой заземления с помощью токопроводящих металлических лент, поэтому на бетонной опоре, поддерживающей мачту, не возникает напряжения, поскольку бетон имеет плохие диэлектрические свойства.

Для мачт высотой около полуволны (180 электрических градусов) мачта имеет максимум напряжения ( пучность ) вблизи своего основания, что приводит к возникновению сильных электрических полей в земле над заземляющими проводами возле мачты, где ток смещения попадает в землю. Это может вызвать значительные потери диэлектрической мощности в земле. Чтобы уменьшить эти потери, в этих антеннах часто используется проводящий медный заземляющий экран вокруг мачты, соединенный с заглубленными заземляющими проводами, лежащими на земле или поднятыми на несколько футов, чтобы защитить землю от электрического поля. Другое решение — увеличить количество заземляющих проводов возле мачты и закопать их очень неглубоко в поверхностный слой асфальтового покрытия, который имеет низкие диэлектрические потери.

Вспомогательное оборудование

Фехтование

Мачтовые излучатели с питанием от основания имеют высокое напряжение на основании мачты, что может привести к опасному поражению электрическим током заземленного человека, прикоснувшегося к нему. Потенциал на мачте обычно составляет несколько тысяч вольт относительно земли. Электротехнические нормы требуют, чтобы такое открытое высоковольтное оборудование было огорожено от публики, поэтому хижина для настройки мачты и антенны окружена запертым забором. Обычно сетчатое ограждение используется , но иногда используются деревянные ограждения, чтобы предотвратить искажение диаграммы направленности антенны токами, наведенными в металлическом ограждении. Альтернативный вариант заключается в установке мачты на крыше хижины для настройки антенны, в недоступном для публики месте, что исключает необходимость в ограждении.

Сигнальные огни самолетов

Основная статья: Сигнальная лампа самолета

Антенные мачты достаточно высоки и могут представлять опасность для самолетов. Авиационные правила требуют, чтобы мачты были окрашены чередующимися полосами международной оранжевой и белой краски и имели сигнальные огни самолетов по всей длине , чтобы сделать их более заметными для самолетов. Правила требуют мигалок наверху и (в зависимости от высоты) в нескольких точках по длине башни. Высокочастотное напряжение на мачте создает проблему для питания сигнальных ламп: силовой кабель, идущий по мачте от фонарей для подключения к линии электропередачи, находится под высоким радиочастотным потенциалом мачты. Без защитного оборудования он будет проводить радиочастотный (РЧ) ток к заземлению силовой проводки переменного тока, вызывая короткое замыкание мачты. Чтобы предотвратить это, в силовом кабеле освещения у основания мачты устанавливается защитный изолятор, который блокирует радиочастотный ток, пропуская низкочастотный переменный ток частотой 50 или 60 Гц вверх по мачте. Использовались несколько типов изолирующих устройств:

Трансформатор Остина у основания передающей башни WMCA и WNYC в Кирни, штат Нью-Джерси.

• Трансформатор Остина – это специализированный тип изолирующего трансформатора, созданный специально для этого использования, в котором первичная и вторичная обмотки трансформатора разделены воздушным зазором, достаточно широким, чтобы высокое напряжение на антенне не могло перескочить. Он состоит из кольцеобразного тороидального железного сердечника с навитой на него первичной обмоткой , закрепленного на кронштейне, выступающем из бетонного основания ниже изолятора антенны, соединенного с источником питания освещения. Вторичная обмотка, обеспечивающая питание мачтовых фонарей, представляет собой кольцеобразную катушку, которая проходит через тороидальный сердечник, как два звена цепи, с воздушным зазором между ними. Магнитное поле , создаваемое первичной обмоткой, индуцирует ток во вторичных обмотках без необходимости прямого соединения между ними.
• Дроссель – состоит из индуктора , катушки из тонкой проволоки, намотанной вокруг цилиндрической формы. Импеданс ( сопротивление переменному току) индуктора увеличивается с увеличением частоты тока. Изолирующий дроссель представляет собой фильтр нижних частот . Он имеет высокий импеданс на радиочастотах , который предотвращает прохождение радиочастотного тока, но незначительный импеданс на нижней частоте сети 50/60 Гц, поэтому мощность переменного тока может проходить через огни. Дроссель вставляется в каждую из трех линий (горячая, нейтральная, защитное заземление), составляющих силовой кабель. Конец низкого напряжения каждого дросселя шунтируется через конденсатор на землю, поэтому высокое напряжение, индуцированное на конце низкого напряжения за счет емкостной связи через межобмоточную емкость дросселя, передается на землю.
• Параллельный резонансный контур (ловушка) – состоит из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно в линии электропередачи. контура Значения индуктивности и емкости выбираются таким образом, чтобы резонансная частота соответствовала рабочей частоте антенны. Параллельный резонансный контур имеет очень высокий импеданс (тысячи Ом) на своей резонансной частоте, поэтому он блокирует радиочастотный ток, но низкий импеданс на всех других частотах, пропуская мощность освещения переменного тока. Эта схема блокирует только определенную частоту, на которую она настроена, поэтому при изменении частоты радиопередатчика ловушку необходимо отрегулировать.

Молниезащита и заземлитель

В основании мачты должен быть установлен молниеотвод, состоящий из шарового или рупорного искрового разрядника между мачтой и заземляющим зажимом, чтобы ток от удара молнии в мачту отводился на землю. Проводник от молниеотвода должен кратчайшим путем идти непосредственно к металлическому заземляющему столбу. На вершине мачты должен быть установлен громоотвод для защиты верхнего сигнального огня самолета. Мачта также должна иметь путь постоянного тока к земле, чтобы статические электрические заряды с мачты могли стекать. Также в основании находится заземлитель, который используется для подключения мачты к системе заземления во время операций по техническому обслуживанию, чтобы исключить вероятность присутствия высокого напряжения на мачте во время работы на ней персонала.

Совмещенные антенны

Высокая радиомачта представляет собой удобную конструкцию для установки других беспроводных антенн, поэтому многие радиостанции сдают в аренду место на своих вышках другим радиослужбам для своих антенн. Это так называемые совмещенные антенны . Типы антенн, часто монтируемых на мачтовых излучателях: штыревые антенны из стекловолокна для наземных мобильных радиосистем такси и служб доставки, тарелочные антенны для микроволновых ретрансляционных линий, передающих коммерческие телекоммуникации и интернет-данные, антенны FM-радиовещания, состоящие из коллинеарных отсеков скрученных дипольных элементов, и базовых станций сотовой связи антенны .

Пока совмещенные антенны не работают на частотах, близких к частоте передачи мачты, их обычно можно электрически изолировать от напряжения на мачте. Линии передачи, подающие РЧ-энергию к расположенным рядом антеннам, создают во многом ту же проблему, что и линии электропередачи освещения самолета: они должны проходить вниз по башне, через базовый изолятор и подключаться к низковольтному оборудованию, поэтому без изолирующих устройств они будут нести высокое напряжение на мачте и может привести к короткому замыканию мачты на землю. Линии передачи изолированы индукторами фильтров нижних частот, состоящими из спиралей коаксиального кабеля, намотанного на непроводящую форму.

История

130-метровый (420 футов) трубчатый мачтовый радиатор Фессендена 1906 года.

Пример мачты Блоу-Нокс , Башня Лакихедь , мачта высотой 314 метров (1030 футов) в Венгрии, построенная в 1933 году.

Вертикальная или несимметричная антенна была изобретена и запатентована радиопредпринимателем Гульельмо Маркони в 1896 году во время разработки первых практических радиопередатчиков и приемников . Первоначально он использовал горизонтальные дипольные антенны, изобретенные Генрихом Герцем , но не смог общаться дальше, чем на несколько миль. Экспериментально он обнаружил, что если подключить один терминал своего передатчика и приемника к вертикальному проводу, подвешенному над головой, а другой терминал к металлической пластине, закопанной в землю, он сможет передавать сигналы на большие расстояния. Антенны Маркони, как и большинство других вертикальных антенн 1920-х годов, были построены из проводов, подвешенных на деревянных мачтах.

Одним из первых больших мачтовых излучателей была экспериментальная трубчатая 130-метровая (420 футов) мачта, возведенная в 1906 году Реджинальдом Фессенденом для его искрового передатчика в Брант-Роке, штат Массачусетс, с помощью которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, связавшись с идентичная антенна в Махриханише , Шотландия. Однако в эпоху радиотелеграфии до 1920 года большинство радиостанций дальнего радиуса действия передавали в длинноволновом диапазоне, что ограничивало вертикальную высоту излучателя гораздо менее четверти длины волны, поэтому антенна была электрически короткой и имела низкую радиационную стойкость от 5 до 30 Ом. Поэтому в большинстве передатчиков использовались антенны с емкостной верхней нагрузкой, такие как зонтичная антенна или перевернутая L- и T-антенна, для увеличения излучаемой мощности. В ту эпоху работа антенн была мало изучена, а конструкции основывались на методе проб и ошибок и полупонятных эмпирических правилах.

Начало AM -радиовещания в 1920 году и выделение радиовещательным станциям средневолновых частот вызвали рост интереса к средневолновым антеннам. Плоская или Т-образная антенна использовалась в качестве основной радиовещательной антенны на протяжении 1920-х годов. Его недостатком было то, что для него требовались две мачты, вдвое превышалась стоимость строительства одной мачтовой антенны, гораздо большая площадь суши, а паразитные токи в мачтах искажали диаграмму направленности. Две исторические статьи, опубликованные в 1924 году Стюартом Баллантайном, привели к разработке мачтового радиатора. Один из них определил сопротивление излучения вертикальной монопольной антенны над плоскостью земли. Он обнаружил, что сопротивление излучения увеличивается до максимума на длине половины длины волны, поэтому мачта примерно такой длины имела входное сопротивление, которое было намного выше, чем сопротивление земли, что уменьшало долю мощности передатчика, которая терялась в наземной системе. , что устраняет необходимость в емкостной верхней нагрузке. Во второй статье того же года он показал, что количество энергии, излучаемой горизонтально в земных волнах, достигает максимума на высоте мачты 0,625. $\lambda$ (225 электрических градусов).

К 1930 году недостатки Т-антенны вынудили радиовещательные компании использовать мачтовую излучательную антенну. Одним из первых использованных типов была ромбовидная консоль или башня Блоу-Нокса . Он имел ромбовидную ( ромбоэдрическую ) форму, что делало его жестким, поэтому требовался только один набор растяжек на его широкой талии. Заостренный нижний конец антенны заканчивался крупным керамическим изолятором в виде шарового шарнира на бетонном основании, снимающим изгибающие моменты конструкции. Первая полуволновая мачта длиной 200 метров (665 футов) была установлена ​​на передатчике радиостанции WABC мощностью 50 кВт в Уэйне, штат Нью-Джерси, в 1931 году. В это время также были введены системы радиального заземления.

В 1930-х годах индустрия вещания осознала проблему многолучевого замирания : ночью волны под большим углом, отраженные от ионосферы, мешают земным волнам, вызывая кольцевую область плохого приема на определенном расстоянии от антенны. Было обнаружено, что ромбовидная форма башни Бло-Нокс имела неблагоприятное распределение тока, что увеличивало мощность, излучаемую под большими углами. К 1940-м годам индустрия AM-вещания отказалась от конструкции Блоу-Нокса в пользу используемой сегодня узкой решетчатой ​​мачты с одинаковым поперечным сечением, которая имела лучшую диаграмму направленности. Было обнаружено, что уменьшение высоты монопольной мачты с 225 электрических градусов до 190 градусов может устранить радиоволны под большим углом, вызывающие замирание. В это время также были разработаны секционные мачты.

Ссылки

• Джонсон, Ричард К. (1993). Справочник по проектированию антенн, 3-е изд. (PDF) . МакГроу-Хилл. ISBN  007032381X .
• Лапорт, Эдмунд А. (1952). Радиоантеннная техника . МакГроу-Хилл Книжная компания.
• Смит, Брайан В. (2007). Коммуникационные структуры . Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-3400-6 .
• Уильямс, Эдмунд, изд. (2007). Справочник Национальной ассоциации телерадиовещателей по инженерным вопросам, 10-е изд . Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0-240-80751-5 .

См. также

• Радиомачты и башни
• Мачта с оттяжками