Зонтичная антенна

Зонтичная антенна с емкостной нагрузкой сверху представляет собой проволочную несимметричную антенну , состоящую в большинстве случаев из мачты , питаемой на заземляющем конце, к которой вверху подключено несколько радиальных проводов, наклоненных вниз. Одна сторона питающей линии, подающей питание от передатчика, подключена к мачте, а другая сторона - к системе заземления из радиальных проводов, зарытых в землю под антенной. Они используются в качестве передающих антенн на частотах ниже 1 МГц, в диапазонах СЧ , НЧ и особенно в диапазонах ОНЧ , на частотах настолько низких, что создание полноразмерной четвертьволновой монопольной антенны становится непрактичным или невозможным. Внешний конец каждого радиального провода, сходящий вниз от вершины антенны, соединяется изолятором с поддерживающим канатом или тросом, закрепленным на земле; радиальные тросы также могут поддерживать мачту в качестве растяжек . Радиальные провода делают антенну похожей на проволочный каркас гигантского зонта (без ткани), отсюда и название.

Схема зонтичной антенны с базовым питанием. Красные . цилиндры — это изоляторы Под антенной спрятана система заземления из радиальных проводов (не показана) .

Дизайн

Антенна поддерживается центральной стальной трубчатой ​​или решетчатой ​​мачтой . Верх мачты прикреплен к кольцу из равноотстоящих друг от друга радиальных проводов, идущих по диагонали к земле, причем каждый из них прикрепляется с помощью натяжного изолятора к отрезку неизлучающего провода или троса, прикрепленного к земле. Зонтичные тросы также могут служить в качестве растяжек для поддержки мачты. Существует несколько различных способов подачи энергии от передатчика к антенне:

При базовом питании мачта опирается на толстый керамический изолятор изолирует ее от земли, а линия питания передатчика , который прикрепляется к основанию мачты. Проводящая стальная мачта служит монопольным излучателем. Альтернативно, в антеннах большой мощности мачта заземляется, зонтичные провода изолируются в месте их соединения с центральной мачтой и присоединяются к вертикальным проводам излучателя, свисающим параллельно мачте, которые питаются снизу. Эта конструкция используется в антеннах большой мощности, в которых очень высокое напряжение на антенне затрудняет изоляцию мачты от земли.

Под антенной находится большая система заземления, подключенная к противоположной стороне питающей линии, состоящая из проводов, закопанных в землю, идущих радиально от основания мачты к краю зонтичных проводов.

• 
  Антенна навигационной системы Omega H, устаревшая радионавигационная система, Цусима, Япония, 389 метров, 1973 года постройки. Передача на частоте 10–14 кГц.
• 
  Антенна радио и телевидения Малайзии (RTM), Туаран , район Сабах, Малайзия
• 
  Антенна станции Omega E длиной 428 метров в Шабрие, остров Реюньон .
• 
  Верх 432-метровой мачты антенны станции G Omega , Виктория, Австралия: показаны изоляторы, крепящие 16 зонтичных проводов к мачте.

Альтернативно, при радиальной подаче питание на антенну можно подавать, подавая ток передатчика на концы одного или нескольких радиальных проводов вместо мачты. В этом случае центральная мачта заземляется. Как и в случае с механизмами подачи проволоки, это позволяет избежать необходимости в изоляторе опоры мачты, а также не требует изолятора в силовых кабелях для сигнальных огней самолета на мачте . Эта конструкция использовалась в трех больших зонтичных антеннах устаревшей навигационной системы «Омега» , работавшей на частоте 10–14 кГц , чтобы устранить очень сложную проблему изоляции основания мачты от потенциала антенны 200 кВ.

Поскольку антенна короче резонансной длины в четверть длины волны, ее емкость составляет . Чтобы нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление и сделать его резонансным, чтобы можно было эффективно подавать мощность, индуктор согласования импеданса, называемый нагрузочной катушкой , подключается последовательно с питающей линией в основании антенны.

Операция

Вертикальная мачта, изолированная от земли, или вертикальные провода излучателя действуют как резонансная несимметричная антенна . На используемых низких частотах высота мачты значительно меньше ее резонансной длины, четверти длины волны ( $\ {\tfrac {1}{4}}\lambda \$), поэтому получается очень электрически короткая антенна; он имеет очень низкую радиационную стойкость , и без проводов верхней нагрузки он 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 распространяется обратно вниз по мачте. Исходящий и отраженный ток суммируются, образуя стоячую волну, состоящую из хвостовой части синусоидальной волны .

Из-за отражений от земли и симметричного расположения проводов верхней нагрузки, измеренных вдали от антенны, радиоволны, излучаемые зонтикообразными спицевыми проводами, в значительной степени нейтрализуют друг друга, поэтому сами спицевые провода почти не излучают радиомощность. Вместо этого зонтичные тросы действуют как емкостная верхняя нагрузка, заменяющая часть или всю емкость , которая обеспечивалась бы вершиной четвертьволновой мачты во всю длину. Заземляющие провода, закопанные или проложенные в земле под антенной, выполняют функцию соответствующей нижней пластины гигантского «конденсатора». Добавленная емкость увеличивает ток в вертикальной мачте из-за дополнительного заряда, необходимого для зарядки и разрядки верхней нагрузки каждую половину ВЧ-цикла. В лучшем случае это может удвоить общий ток и в четыре раза увеличить излучаемую мощность, увеличив сигнал до 6 дБ по сравнению с уровнем, который был бы без верхней нагрузки.

Чтобы отрегулировать большое емкостное реактивное сопротивление антенны и сделать ее резонансной на рабочей частоте, чтобы обеспечить эффективное питание, большой индуктор ( нагрузочная катушка помещается в фидерную линию последовательно с антенной в ее основании ). Другая сторона линии питания от передатчика подключена к системе заземления. Антенна и катушка образуют настроенную цепь . Их большое реактивное сопротивление и низкое сопротивление обычно придают антенне высокую добротность , поэтому она имеет узкую полосу пропускания , в которой она может работать. В больших зонтичных антеннах, используемых в диапазоне очень низких частот , полоса пропускания антенны может составлять менее 100 Гц .

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

• 
  Панполярная антенна
• 
  Норд антенна

Диаграмма направленности

Зонтичная антенна излучает вертикально поляризованные радиоволны во всенаправленной диаграмме направленности , с одинаковой мощностью, излучаемой во всех горизонтальных направлениях, с максимальной силой сигнала, излучаемой в горизонтальных направлениях, монотонно падающей с углом места до нуля в зените. Из-за большой верхней нагрузки они обычно более эффективны, чем другие распространенные антенны с верхней нагрузкой, «плоская» или Т-антенна , на низких частотах и ​​широко используются в диапазоне ОНЧ .

Земные волны — это волны с вертикальной поляризацией, которые распространяются от антенны горизонтально прямо над землей. Зонтичные антенны являются хорошими антеннами для земных волн и используются в качестве антенн радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ .

Усиление зонтичной антенны над идеально проводящей землей, как и у других электрически коротких монопольных антенн, составляет примерно 3,52 дБи , если она значительно короче, чем ${\tfrac {1}{4}}\lambda ~.$

Поскольку диагональные провода имеют наклон вниз, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот ток имеет направление, противоположное току в мачте, поэтому вдали от мачты излучаемые им радиоволны сдвинуты по фазе на 180° с радиоволнами от мачты и частично гасят их. Таким образом, зонтичные тросы частично экранируют мачту, уменьшая излучаемую мощность. При наличии достаточного количества зонтичных проводов все радиоволны, излучаемые частью мачты над нижней частью зонта, блокируются, и единственное излучение исходит от части мачты под зонтиком.

Приложения

Из-за большой емкостной верхней нагрузки зонтичные антенны являются одними из наиболее эффективных конструкций антенн на низких частотах и ​​используются в передатчиках в диапазонах LF и VLF для навигационных средств и военной связи. Они широко используются на коммерческих средневолновых и длинноволновых радиовещательных станциях AM . В эксплуатации находятся зонтичные антенны высотой 15–460 метров. Самыми большими зонтичными антеннами являются антенны Trideco (внизу), созданные для военно-морских передающих станций ОНЧ, которые связываются с подводными лодками под водой. Восемь зонтичных антенн высотой 350 метров используются в решетке немецкой ОНЧ-связи, работающей на частоте около 20 кГц с высокой эффективностью излучения, хотя она и ниже ⁠ 1/40 ⁠ длина волны . высокая

С развитием во всем мире двух новых любительских радиодиапазонов на 630 метров и 2200 метров , любители с достаточным пространством возобновили использование этой конструкции.

Антенна Тридеко

антенной решетки ОНЧ Катлера План расположения

Некоторые из антенных мачт. Конструкции у основания мачт представляют собой огромные противовесы, натягивающие тросы верхней нагрузки.

Схема антенной решетки ОНЧ Катлера

США Антенная решетка Trideco на ОНЧ-передатчике Cutler ВМС в Катлере, штат Мэн , который передает тактические приказы подводным лодкам, находящимся под водой, на частоте 24 кГц и мощности 1,8 мегаватт , один из самых мощных передатчиков в мире. Он состоит из двух одинаковых антенн типа «тридеко», каждая из которых состоит из 13 башен, поддерживающих верхнюю нагрузку из шестиконечных проводов диаметром около мили.

Центральная мачта и 6 вертикальных фидеров радиатора, подключаемые к горизонтальным проводам верхней нагрузки, демонстрируют длинные 50- футовые изоляционные гирлянды и коронирующие кольца, необходимые для выдерживания напряжения 200 кВ на антенне.

Кормушки вокруг центральной мачты

Полноценная антенна

Антенна Trideco на радиостанции Анторн на побережье Камбрии, Англия , которая передает сигналы VLF на подводные лодки ВМС Великобритании и других стран НАТО .

Антенна Trideco — это огромная специализированная зонтичная антенна, используемая в нескольких мощных военных передатчиках на очень низкой частоте (ОНЧ). В обычной зонтичной антенне использование наклонных растяжек в качестве емкостной верхней нагрузки имеет некоторые недостатки: во-первых, поскольку зонтичные провода должны быть закреплены на земле, их длина ограничена. На низких частотах требуемая длина тросов верхней нагрузки намного больше, чем длина растяжек, без дополнительных опорных мачт тросы провисли бы до земли. Во-вторых, поскольку провода наклонные, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот вертикальный ток направлен в противоположном направлении току в мачте, поэтому излучаемые им радиоволны сдвинуты по фазе на 180° с излучением мачты и частично его нейтрализуют.

В конструкции Trideco тросы верхней нагрузки проходят горизонтально от вершины центральной мачты и поддерживаются кольцом из 12 мачт, окружающих центральную мачту, образуя радиальную проводную «пластину конденсатора», параллельную Земле и приводящуюся в движение в центре. Тросы верхней нагрузки имеют форму шести панелей ромбовидной (ромбовидной) формы, отходящих симметрично от центральной мачты под углами 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, а шесть проводов радиатора запитываются синфазно у основания. Это устраняет сложную проблему изоляции мачты от земли при используемых чрезвычайно высоких напряжениях. Это также позволяет отключить питание одной из панелей и опустить ее на землю для технического обслуживания, пока остальная часть антенны работает. В земле под антенной находится огромная радиальная система заземления, которая образует нижнюю «пластину» конденсатора с верхней верхней нагрузкой. 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 военно-морских передатчиков, которые передают на частотах от 15 до 30 кГц при мощности до 2 мегаватт для связи с подводными лодками по всему миру. На сегодняшний день это самая эффективная конструкция антенны для этого диапазона частот, достигающая эффективности 70–80%, тогда как другие конструкции ОНЧ-антенн имеют эффективность 15–30% из-за низкой радиационной стойкости очень электрически короткого монополя. Антенна была изобретена Бойнтоном Хагаманом из компании Development Engineering Co. (DECO) и впервые установлена ​​в Катлере, штат Мэн, в 1961 году. Вдохновением для дизайна послужила зонтичная антенна передатчика «Голиаф» мощностью 1 мегаватт , построенного военно-морским флотом нацистской Германии в 1943 году в Кальбе, Саксония-Анхальт , Германия. Сегодня антенны Trideco расположены на нескольких военных базах по всему миру, таких как военно-морская радиостанция Катлер в штате Мэн, США; Станция военно-морской связи Гарольда Э. Холта , Эксмут, Австралия; и радиостанция Anthorn , Анторн, Великобритания. Модифицированная трехпанельная антенна находилась на базе NSS Аннаполис , Аннаполис, Мэриленд, но была выведена из эксплуатации в 1990 году.

История

Брант-Рок Фессендена, 1905 год, Массачусетс, зонтичная антенна длиной 400 футов.

Зонтичная антенна искрового передатчика на передающей станции Науэн , Науэн, Германия, 1906 год.

Зонтичная антенна высотой 220 футов станции беспроводной телеграфии 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 передатчиками с искровым разрядником в длинноволновых диапазонах для передачи информации с помощью азбуки Морзе . Низкие частоты использовались для трансконтинентальной связи на большие расстояния, а антенны были электрически короткими , поэтому использовались антенны с емкостной верхней нагрузкой. Зонтичные антенны были разработаны на основе больших многопроводных емкостных антенн, которые Гульельмо Маркони использовал во время своих усилий по обеспечению надежной трансатлантической связи.

Одной из первых антенн, в которых использовалась эта конструкция, была трубчатая мачта высотой 420 футов (130 м), возведенная в 1905 году Реджинальдом Фессенденом для его экспериментального передатчика с искровым разрядником в Брант-Роке, штат Массачусетс, с помощью которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, связавшись с идентичная антенна в Махриханише , Шотландия. Прикрепленные к верху провода (4 или 8, в зависимости от источника) электрически соединялись с мачтой и тянулись по диагонали вниз к поверхности, где изолировались от земли. Еще одним ранним примером является зонтичная антенна, построенная в 1906 году Адольфом Слаби на передающей станции Науэн , первая в Германии радиостанция дальнего действия, состоящая из 100-метрового (330 футов) стального решетчатого башенного излучателя со 162 зонтичными кабелями, прикрепленными к вершине и закрепленными на пеньке. веревки на землю в 200 м от вышки. Небольшие зонтичные антенны широко использовались вместе с портативными передатчиками военными службами связи во время Первой мировой войны , поскольку не было возможности установить полноразмерные четвертьволновые антенны.

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

Внешние ссылки

• Изображение зонтичной антенны «Голиаф» . j-hawkins.com (изображение).