Складная однополюсная антенна

Современная складная однополюсная антенна с шестью юбочными проводами, окружающими круглую массивную металлическую мачту. Юбочные тросы удерживаются на расстоянии от мачты с помощью опор с изолированными концами.

Складчатая унипольная антенна представляет собой тип монопольной мачтовой излучающей антенны, используемой в качестве передающей антенны преимущественно в диапазоне средних волн для радиовещательных станций AM . Он состоит из вертикального металлического стержня или мачты , установленного и соединенного у его основания с системой заземления, состоящей из подземных проводов. Мачта окружена «юбкой» из вертикальных проводов, электрически прикрепленных к вершине мачты или рядом с ней. Юбочные провода соединены металлическим кольцом возле основания мачты, а линия питания передатчика подключена между кольцом и землей.

Он нашел широкое применение при ремонте башен средневолновых радиовещательных станций AM в США и других странах. Когда AM -радиостанция делит вышку с другими антеннами, такими как антенны FM-вещания , складной униполяр часто является хорошим выбором. Поскольку основание башни соединяется с системой заземления, в отличие от обычной мачтовой радиаторной башни, у которой основание находится под высоким напряжением , линии передачи к любым антеннам, установленным на башне, а также линии электропередачи освещения самолетов можно прокладывать . вверх по стороне башни без необходимости использования изоляторов.

Изобретение

Складчатая однополюсная антенна была впервые разработана для использования в радиовещании Джоном Х. Маллани , пионером американского радиовещания и инженером-консультантом. Он был разработан для решения некоторых сложных проблем с существующими средних волн (MW), частотной модуляции (FM) и амплитудной модуляции радиовещательными антеннами (AM).

Типичная установка

Сложенный унипол с тремя юбочными тросами, прикрепленными к углам стандартной мачты треугольной рамы. (Ближний провод в левой части изображения — это случайная растяжка на переднем плане.)

Поскольку сложенные униполярные антенны чаще всего используются для ремонта старых радиовещательных антенн, в первом подразделе ниже описывается типичная несимметричная антенна, используемая в качестве отправной точки. В следующем подразделе описывается, как добавляются окружающие юбочные провода, чтобы превратить обычную радиовещательную вышку в сложенный униполе.

На рисунке справа показана небольшая сложенная однополюсная антенна, построенная на основе существующей треугольной монопольной башни; у него всего три вертикальные проволоки, составляющие его «юбку».

Обычные монопольные антенны

Типичная несимметричная передающая антенна для AM- радиостанции с последовательным питанием представляет собой мачтовый излучатель ; вертикальная стальная решетчатая мачта , находящаяся под напряжением и излучающая радиоволны. Одна сторона питающей линии , которая передает мощность от передатчика к антенне, подключена к мачте, другая сторона - к системе заземления (электричества) , состоящей из скрытых проводов, отходящих от клеммы рядом с основанием мачты. Мачта опирается на толстый керамический изолятор , который электрически изолирует ее от земли. Правила FCC США требуют, чтобы система заземления имела 120 скрытых радиальных проводов из меди или фосфористой бронзы длиной не менее четверти длины волны; в непосредственной близости от башни обычно находится наземный экран. Чтобы свести к минимуму коррозию, все компоненты системы заземления соединяются друг с другом, обычно с помощью пайки или серебряного припоя .

К мачте прикреплены диагональные растяжки , закрепленные на бетонных анкерах в земле для ее поддержки. В оттяжках имеются натяжные изоляторы, которые электрически изолируют их от мачты и предотвращают попадание высокого напряжения на землю. Чтобы проводящие растяжки не нарушали диаграмму направленности антенны, в линии иногда вставляют дополнительные изоляторы напряжения, чтобы разделить их на ряд коротких, электрически отдельных сегментов, чтобы гарантировать, что все сегменты слишком коротки, чтобы резонировать на рабочей частоте. .

В США Федеральная комиссия по связи (FCC) требует, чтобы измерения мощности передатчика для одной башни с последовательным питанием рассчитывались в этой точке питания как квадрат тока, умноженный на резистивную часть импеданса точки питания.

$\ P=I^{2}\ R\$

Электрически короткие несимметричные антенны имеют низкое сопротивление и высокое емкостное (отрицательное) реактивное сопротивление. В зависимости от желаемых получателей и окружающей местности, и особенно в зависимости от расположения обширных пространств открытой воды, более длинная антенна может иметь тенденцию посылать сигналы в направлениях, которые становятся все более выгодными, вплоть до того, что электрическая высота антенны превышает примерно ⁠ 5/8 ⁠ в длин   волн высоту.

Реактивное сопротивление равно нулю только для башен короче ⁠ 1/4 , но реактивное сопротивление в любом случае будет повышаться или падать в зависимости ⁠   длины волны от влажности, пыли, соленой пены или льда, скапливающегося на башне или ее питающей линии.Независимо от высоты, система антенного питания имеет систему согласования импеданса, расположенную в небольшом навесе у основания башни (называемом « настроечной хижиной », «связной хижиной» или «спиральной хижиной»). Согласующая цепь антенны настроена таким образом, чтобы соединить полное сопротивление с характеристическим сопротивлением соединяющей фидерной линии, ее с передатчиком. антенны Если вышка слишком короткая (или слишком высокая) для данной частоты, емкостное (или индуктивное) реактивное сопротивление будет противодействовать противоположному реактивному сопротивлению согласующей цепи , а также повышать или понижать сопротивление точки питания антенны, чтобы оно соответствовало сопротивлению фидерной линии. характеристический импеданс . Совместные ограничения согласующей сети , заземляющих проводов и башни могут привести к тому, что система будет иметь узкую полосу пропускания ; в крайних случаях последствия узкой полосы пропускания могут быть достаточно серьезными, чтобы ухудшить качество звука радиовещания.

Электрически короткие антенны имеют низкую радиационную стойкость , что делает нормальные потери в других частях системы относительно более дорогостоящими с точки зрения потери мощности вещания. Потери в системе заземления, согласующей сети(ях), питающих проводах и конструкции башни - все они идут последовательно с током питания антенны, и каждый из них тратит впустую долю передаваемой мощности, нагревая почву или металл в башне.

Складные однополюсные антенны

Эвристически провода внешней юбки униполя можно рассматривать как присоединенные сегменты нескольких высоких, узких, одновитковых катушек , соединенных параллельно, при этом центральная мачта завершает последнюю сторону каждого витка. Аналогичным образом, каждая юбка представляет собой провода параллельный отрезок , а мачта является другим параллельным «проводом» ; закрытый . конец в верхней части шлейфа, где юбка соединяется с мачтой, образует передачи индуктор линии шлейфовый В любом случае, эффект юбочных проводов заключается в добавлении индуктивного реактивного сопротивления к антенной мачте, что помогает нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление короткой мачты.

В обычном случае короткого монополя индуктивное сопротивление , вносимое юбочными проводами, уменьшается по мере уменьшения частоты, а емкостное реактивное сопротивление голой мачты увеличивается. С увеличением частоты, вплоть до частоты, при которой юбка составляет четверть длины волны, индуктивное реактивное сопротивление возрастает, а емкостное реактивное сопротивление падает. Таким образом, для короткой антенны индуктивность юбки и емкость мачты могут компенсироваться только на одной частоте, поскольку величины реактивного сопротивления увеличиваются и уменьшаются противоположным образом с частотой.

При использовании более длинной антенной мачты, по меньшей мере, в четверть волны, реактивные сопротивления могут быть настроены более тщательно: противоположные реактивные сопротивления могут компенсировать друг друга на более чем одной частоте, по крайней мере частично, а также увеличиваться и уменьшаться примерно на одну частоту. та же сумма. Приблизительный баланс между противоположными реактивными сопротивлениями складывается для уменьшения общего реактивного сопротивления всей антенны на пониженных (и повышенных) частотах, тем самым расширяя полосу пропускания антенны с низким реактивным сопротивлением. Однако нет ничего особенно примечательного в том, что более длинная антенна имеет более широкую полосу пропускания с низким реактивным сопротивлением.

Если большую часть несбалансированного радиотока можно заставить течь по юбочным проводам, а не по мачте, внешнее кольцо юбочных проводов также эффективно увеличит электрическую ширину мачты, что также улучшит полосу пропускания, вызывая несбалансированность токи в униполе действуют как « клетчатая антенна ».

Современная складная однополюсная точка питания, в которой будет измеряться ток радиочастотного возбуждения. Соединительное кольцо, которое крепится к проводам юбки, представляет собой простую петлю из довольно тонкой проволоки, пересекающую верхний край изображения. Толстые вертикальные стержни затягивают юбку: в верхней части изображения соединения стержней с проводами юбки изолированы; другие их концы крепятся к опорной ферме, закрепленной на земле в нижней части изображения.

Обычно сложенные униполи конструируются путем модификации существующей монопольной антенны, и не все возможные улучшения униполя могут быть достигнуты на каждом монополе.

• Сначала основание башни подключается непосредственно к системе заземления, закорачивая изолятор основания (если таковой имеется).
• Затем ряд вертикальных тросов — обычно от четырех до восьми — устанавливаются на креплении на вершине башни или рядом с ней; эти провода окружают башню и называются «юбкой».
• Юбочные провода удерживаются на постоянном расстоянии от башни с помощью изолированных «стойких» конструктивных элементов и присоединяются к электрически изолированному проводящему кольцу, которое окружает основание башни, также установленному на изолированных стойках.
• Новый антенный фидер подключается между общей точкой системы заземления и кольцом в нижней части юбочных проводов.

Образовавшаяся юбка, охватывающая мачту, соединяется только на вершине башни или в какой-то средней точке рядом с вершиной и с изолированным проводящим кольцом, окружающим основание башни; юбочные тросы остаются изолированными от мачты во всех остальных точках по всей ее длине.

Электрическая работа и конструкция Unipole

Сбалансированные и несимметричные токи важны для понимания антенн, потому что несбалансированный ток, расположенный близко друг к другу, ток всегда излучается, а сбалансированный никогда не излучается. Следующий рисунок того, как работает однополюсная антенна отдельно, рассматривает симметричные и несимметричные токи, протекающие через антенну. Сумма этих двух значений представляет собой фактический ток, наблюдаемый в любом одном проводнике.

Общий ток, разбитый на симметричную и несимметричную части.

По принципу электрической суперпозиции общие токи, протекающие в антенне, можно рассматривать как разделенные на сумму независимых симметричных и несимметричных токов. Сбалансированные и несимметричные части токов антенны складываются, образуя «истинный» профиль тока; эквивалентно, если мы назовем «истинный» измеренный ток, текущий через мачту $\ I_{\mathsf {mast}}\ ,$ и $\ I_{\mathsf {skirt}}\$ сумма всех «истинных» токов, измеренных в юбочных проводах (по симметрии предполагается, что все они одинаковы), тогда симметричные и несимметричные части «истинных» токов равны

$\ I_{\mathsf {balnc}}={\tfrac {1}{2}}\left(I_{\mathsf {mast}}-I_{\mathsf {skirt}}\right)\ ,$ и

$\ I_{\mathsf {unbal}}={\tfrac {1}{2}}\left(I_{\mathsf {mast}}+I_{\mathsf {skirt}}\right)~.$

И наоборот, «истинные» токи в мачте и юбке из концептуальных сбалансированных и несимметричных токов равны

$\ I_{\mathsf {mast}}=I_{\mathsf {unbal}}+I_{\mathsf {balnc}}\ ,$ и

$\ I_{\mathsf {skirt}}=I_{\mathsf {unbal}}-I_{\mathsf {balnc}}~.$

Например, с упрощенной точки зрения, различие между антенной и ее питающей линией заключается в том, что сбалансированный ток течет антипараллельно в питающей линии, которая не излучает, и перенаправляется в несбалансированные, векторно-параллельные пути внутри антенна, которая излучает.

Сбалансированный ток питания

Электрическое поведение юбки и мачты можно рассматривать как аналогичное коаксиальной линии питания , где юбка соответствует внешнему экрану коаксиального кабеля, а мачта служит основным проводом или центральным проводником. Соединение юбки и мачты наверху действует как короткое замыкание на конце виртуального коаксиального кабеля, а поскольку длина «коаксиального кабеля» по конструкции составляет менее четверти волны в точке крепления, он фактически представляет собой индуктивный закороченный шлейф. . Независимо от сконфигурированных размеров и расстояния юбки и мачты, которые определяют полное сопротивление, воспринимаемое симметричным током , ток питания, циркулирующий через юбку и мачту, создает разность напряжений между верхней точкой и точкой питания юбки, а также между верхней и заземляющей плоскостями. что составляет половину разницы напряжений между точкой питания и землей (возможно, с очень незначительными изменениями).

Единственный ток, рассматриваемый до сих пор, является сбалансированным: тот же общий ток питания поднимается вверх по юбочным проводам и течет вниз через мачту к точке питания на уровне земли (или наоборот) и обратно через (сбалансированную) линию питания, создавая электрическое напряжение. замкнутый контур. Магнитные поля тока, текущего вверх, равны и противоположны току, текущему вниз, поэтому все магнитные поля (почти) компенсируются, и, следовательно, сбалансированные токи (в основном) не излучают. Таким образом, ситуация с антенной, если принять во внимание только сбалансированный ток питания, заключается в том, что он создает разницу напряжений между верхней частью антенны и плоскостью заземления , а не с точки зрения радиоволн. Эта разность напряжений служит электрическим возбудителем несбалансированного тока.

Несбалансированный ток излучения

Если затем рассмотреть отдельно антенну с «точки зрения» любого предполагаемого несимметричного тока, можно увидеть несбалансированное напряжение между точкой соединения возле вершины мачты и плоскостью заземления у основания антенны. (Для радиочастотного анализа обратный путь через точку питания к радиомодулю рассматривается как виртуальный путь к земле, игнорируя сбалансированный ток питания.) Самокомпенсирующиеся сбалансированные токи не оказывают электрического влияния на несбалансированные токи (кроме создания разница напряжений общая для всех), хотя они добавляются, чтобы создать «истинный» профиль тока в антенне.

Существует два возможных пути, по которым несимметричный ток может идти в ответ на разницу напряжений между верхом и низом: либо вниз (или вверх) через мачту, либо вниз (или вверх) через юбочные провода. Поскольку токи по каждому пути возбуждаются одним и тем же напряжением, они будут течь в одном направлении. Ток делится пропорционально адмиттансу (обратному сопротивлению ) каждого пути к земле. Величина тока по каждому пути определяется размерами и количеством проводов на каждом пути, а также в некоторой степени взаимным сопротивлением соседних проводников (мачтовых и юбочных проводов) и токов, текущих в этих проводах (параллельных проводов). токи в соседних проводах вытесняют магнитные поля друг друга, что затрудняет прохождение тока). Весь несбалансированный ток излучается; излучение от нескольких векторно-параллельных путей тока суммируется.

Выбор дизайна и результаты

По сравнению со симметричными токами, протекающими по тем же двум проводникам, электрический импеданс, противодействующий протеканию несбалансированных токов, очень высок – примерно 500–600 Ом и выше, в основном в зависимости от диаметра провода, но также увеличивается с приближением или увеличением параллельных токов в соседних проводах. . Сопротивление протеканию симметричных токов составляет примерно 300–500 Ом и ниже, в основном в зависимости от расстояния между проводами, и снижается при более близком расположении проводов. Следовательно, поток симметричного тока будет иметь тенденцию быть больше по величине, чем его несбалансированный аналог, и разница становится тем больше, чем ближе расположены проводники.

Электрическая конструкция однополюсной антенны заключается в выборе размеров и количества юбочных проводов, их длины и (если возможно) размера центральной мачты с целью регулировки относительных импедансов (или адмитансов) симметричных и несимметричных антенн. ток, чтобы максимизировать излучение и обеспечить сбалансированное сопротивление точки питания без реактивного сопротивления для линии питания. (Другие конструктивные соображения, такие как стоимость материалов и простота монтажа, могут привести к выбору, неоптимальному с точки зрения электрических характеристик.)

Из-за большого количества свободных параметров конструкции по сравнению с антеннами других типов можно создать чрезвычайно разнообразное разнообразие различных однополюсных антенн, и все их характеристики будут разными. В отличие от широко используемой антенны, такой как простая дублетная антенна , здесь не существует «типичного однополюсного» показателя производительности. При этом, однако, полевые испытания, обсуждаемые ниже, показывают, что, если рассматривать только эффективность антенны , мощность, излучаемая на единицу мощности, подаваемой на униполь, почти такая же, как и у обычной несимметричной антенны той же высоты: за исключением преимущества возможности Если адаптировать импеданс точки питания, то, по-видимому, у униполей нет превосходных характеристик по сравнению с базовым монополем. Единственное преимущество однополюсной конструкции сводится к наличию тщательно настраиваемой встроенной системы согласования импеданса в точке питания .

Сравнение производительности

Когда хорошо сделанный складной униполь заменяет ветхую антенну или антенну плохой оригинальной конструкции, производительность, конечно, улучшится; внезапное улучшение может стать причиной ошибочного вывода о превосходстве конструкции.

Эксперименты показывают, что характеристики сложенного униполя такие же, как и у других конструкций монополей: прямое сравнение сложенных униполей и более традиционных вертикальных антенн той же высоты, хорошо изготовленных и с почти одинаковой шириной излучателя, не показывает практически никакой разницы в диаграмме направленности. фактические измерения Рэкли, Кокса, Мозера и Кинга (1996) и Кокс и Мозер (2002).

Ожидаемая более широкая полоса пропускания также не была обнаружена во время испытаний дальности антенны нескольких сложенных униполей.

Заменена шунтовая антенна.

Чаще всего конструкции со сложенным униполем использовались для замены антенны с шунтовым питанием - другой конструкции широковещательной антенны, которая также имеет заземленное основание. Антенна с «шунтовым» питанием (или «наклонным проводом») представляет собой заземленную башню с вершиной наклонной однопроводной линии питания, прикрепленной к точке на мачте, что приводит к приблизительному согласованию с желаемым импедансом на другой конец наклонного питающего провода.

Если бы хорошо сделанная складная однополюсная антенна заменила устаревшую антенну с наклонным питанием, инженеры станции могли бы заметить заметное улучшение характеристик. Подобные усовершенствования могли вызвать предположения о том, что складные однополюсные антенны обладают усилением мощности или другими замечательными характеристиками, но эти предположения не подтверждаются радиотехническими расчетами.

Обслуживание наземной системы

провода антенны, Места установки наземных монопольных антенн требуют ухода за ландшафтом: необходимо следить за тем, чтобы сорняки и трава, покрывающие заземляющие были как можно короче, поскольку зеленые растения между антенной башней и системой заземления антенны будут рассеивать мощность проходящих через них радиоволн. снижение эффективности антенны. Утверждалось, что места расположения сложенных однополюсных антенн меньше подвержены воздействию сорняков и высокой травы поверх заземляющих проводов , которые вызывают затухание в других конструкциях монопольных антенн , но измерения не показывают такого преимущества.

Патенты на саморезонансный униполь

Возможным усовершенствованием базовой антенны со сложенным униполем является «саморезонансная» однополюсная антенна, описанная в патенте США 6133890 .

Другое возможное усовершенствование сложенного униполя описано в патенте США № 4658266 , который касается более тщательно разработанной формы заземляющей пластины для использования со всеми типами монополей (в том числе и со сложенными униполями).

См. также

• Приводной элемент