Свернутая антенна унипола

Современная сложенная антенна унипола с шестью проводами юбки, окружающих круглую сплошную металлическую мачту. Проводки юбки удерживаются от мачты за счет противостояния с изолированными концами.

Сложная антенна унипола представляет собой тип монопольной из радиатора, антенны используемой в качестве передающей антенны в основном в полосе средних волн для радиовещательных станций AM . Он состоит из вертикального металлического стержня или мачты , установленной и соединенной у основания к системе заземления, состоящей из похороненных проводов. Мачта окружена «юбкой» вертикальных проводов, электрически прикрепленными к верхней части мачты или рядом с ним. Проводки юбки соединены металлическим кольцом возле основания мачты, а мощность подачи подачи от передатчика соединяется между кольцом и землей.

В нем много использовались для восстановления в башни для вещательных станций AM AM Соединенных Штатах и ​​других странах. AM Когда радиостанция делит башню с другими антеннами, такими как антенны FM вещания , сложенное униполь часто является хорошим выбором. Поскольку основание башни подключается к заземляющей системе, в отличие от обычной башни мачт -радиатора , в которой основание находится на высоком напряжении , линии передачи на любые антенны, установленные на башне, а также линии электропередачи самолета , можно пройти. В сторону башни, не требуя изоляторов.

Изобретение

Сложная антенна Unipole была впервые разработана для использования в трансляции Джона Х. Муллани , американского радиопередачи и инженера -консалтинга. Он был разработан для решения некоторых сложных задач с существующими модуляции средней волны (MW), частотной модуляции (FM) и амплитудной модуляцией установками антенны для (AM).

Типичная установка

Складывая Unipole с тремя проводами для юбки, установленных от углов стандартной треугольной каркасной мачты. (Близкий провод с левой стороны изображения-это случайный провод Guy на переднем плане.)

Поскольку сложенные Unipoles чаще всего используются для восстановления старых вещательных антенн, в первом подразделе ниже описывается типичная монопольная антенна, используемая в качестве отправной точки. Подраздел, который следующим образом описывает, как добавляются окружающие провода юбки, чтобы преобразовать обычную вещательную башню в сложенную униполь.

На рисунке справа показана небольшая сложенная антенна унипола, построенная из существующей треугольной монопольной башни; У него есть только три вертикальные провода, включающие ее «юбку».

Обычные монопольные антенны

Типичная антенна, передающая монополь для радиостанции AM , представляет собой серию, питаемый мачтой ; вертикальная стальная решетчатая мачта , которая под напряжением и излучает радиоволны. Одна сторона линии подачи , которая питает мощность от передатчика к антенне, подключена к мачте, а другая сторона к наземной (электроэнергетической) системе, состоящей из похороненных проводов, излучающихся из терминала рядом с основанием мачты. Мачта поддерживается на толстом керамическом изоляторе , который изолирует его электрически от земли. Правила США FCC требуют, чтобы наземная система имела 120 похороненных медных или фосфорных радиальных проводов длиной не менее четверти длиной; Обычно в непосредственной близости от башни есть наземный экран. Чтобы свести к минимуму коррозию, все компоненты наземной системы связаны вместе, обычно с помощью монеты или серебра пайки .

К к нему прикреплены кабели диагональных парней , прикрепленные к бетонным якорям в земле, чтобы поддержать его. У линий парня есть деформационные изоляторы , чтобы изолировать их электрически от мачты, чтобы предотвратить достижение высокого напряжения. Чтобы предотвратить проводящие линии парня нарушать радиационную картину антенны, в линии иногда вставляются дополнительные деформационные изоляторы, чтобы разделить их на серию коротких, электрически отдельных сегментов, чтобы гарантировать, что все сегменты слишком короткие, чтобы резонировать на рабочей частоте Полем

В США Федеральная комиссия по связи (FCC) требует, чтобы измерения мощности передатчика для единой серии, которая была рассчитана в этой точке подачи, поскольку ток квадрат, умноженный на резистивную часть импеданса точки подачи.

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

Электрически короткие монопольные антенны имеют низкое сопротивление и высокое емкостное (отрицательное) реактивное сопротивление. В зависимости от желаемых получателей и окружающей местности, и, в частности, в зависимости от мест просторных простор открытой воды, более длинная антенна может стремиться отправлять сигналы в направлениях, которые становятся все более выгодными, вплоть до того, что электрическая высота антенны превышает примерно ⁠ 5/8 волн Длина ⁠   высокой .

Реактивное сопротивление равна нулю только для башен немного короче, чем ⁠ 1/4 , . ⁠   Длина волны но реактивное сопротивление в любом случае поднимется или падает в зависимости от влажности, пыли, соленого спецификации или сбора льда на башне или ее линии подачи Независимо от его высоты, система подачи антенны имеет систему сопоставления импеданса, размещенную в небольшом сарае у основания башни (называемой « хижина настройки » или «хижина с связью» или «Helix Hut»). Соответствующая сеть антенны корректируется, чтобы присоединиться к импедансу к характерному импедансу кормления, соединяющей ее с передатчиком. Если башня слишком короткая (или слишком высокая) для частоты, емкостное (или индуктивное) реактивное сопротивление антенны отменено с противоположным реактивным сопротивлением подходящей сеть будет линии кормления характерный импеданс . Комбинированные ограничения соответствующей сети , заземления и башни могут привести к тому, что система имеет узкую полосу пропускания ; В крайних случаях эффекты узкой полосы пропускания могут быть достаточно серьезными, чтобы отвлечься от верности аудио радиовещания.

Электрически короткие антенны имеют низкое сопротивление радиации , что делает нормальную потерю в других частях системы относительно более дорогостоящей с точки зрения утраченной вещательной мощности. Потери в наземной системе, соответствующих сети, проводах подачи и структуры башни последовательны с током подачи антенны, и каждый из них тратит впустую долю вещательной мощности, нагревая почву или металл в башне.

Складываемые антенны Unipole

Эристично, внешние провода юбки Unipole можно рассматривать как прикрепленные сегменты нескольких высоких, узких катушек с одним поворотом , все подключенные параллельно, а центральная мачта завершает конечную сторону каждого хода. Эквивалентно, каждый провод юбки делает параллельную проволочную заглушку , причем мачта является другой параллельной «проволокой» ; Закрытый конец в верхней части заглушки, где юбка подключается к мачте, делает линии передачи заглушки индуктор . Любой способ взглянуть на это, эффект проводов юбки состоит в том, чтобы добавить индуктивное реактивное сопротивление антенной мачте, которая помогает нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление короткой мачты.

Для нормального случая короткого монополя индуктивное реактивное сопротивление , введенное проводами юбки, уменьшается с уменьшением частоты, а емкостное реактивное сопротивление голой мачты увеличивается. При увеличении частоты, до частоты, где юбка составляет четверть волны, индуктивное реактивное сопротивление повышается и емкостные падения реактивного сопротивления. Таким образом, для короткой антенны индуктивность юбки и емкость мачты могут отменить только на одной частоте, поскольку величины реактивного вещества увеличиваются и уменьшаются противоположными способами с частотой.

С более длинной антенной мачтой, по крайней мере, на четвертьволн высотой, реактивные реакции могут быть более сложно настроены: можно сделать противоположные реакции , чтобы отменить друг друга на более чем одной частоте, по крайней мере частично, и подняться и падать приблизительно Та же сумма. Приблизительный баланс между противоположными реакциями увеличивается, чтобы уменьшить общее реактивное сопротивление всей антенны на уменьшенных (и увеличенных) частотах, увеличивая тем самым низкоступенную ширину антенны. Тем не менее, нет ничего особенно замечательного в более длинной антенне, имеющей более широкую низкую пропускную способность.

Если большая часть несбалансированного радиочастого тока может быть протекает в проводах юбки, а не в мачте, внешнее кольцо проводов юбки также будет эффективно добавить электрическую ширину к мачте, что также улучшит пропускную способность, вызывая несбалансированную токи в униполе функционируют как « антенна клетки ».

Современная сложенная точка подачи унипола, где будет измерен ток радиочастотного возбуждения. Кольцо подключения, которое прикрепляется к проводам юбки, представляет собой простую петлю довольно тонкой проводной резки по верхнему краю изображения. Стаут вертикальные стержни затягивают юбку: рядом с верхней частью картинки соединения стержней с проводами юбки изолированы; Другие их концы прикрепляются к опорной ферме, закрепленной на земле, рядом с нижней частью изображения.

Обычно складываемые униологии строятся путем изменения существующей монопольной антенны, и не все возможные улучшения унипола могут быть достигнуты на каждом монополе.

• Сначала подключает основу башни непосредственно к заземляющей системе, закрывая базовый изолятор (если есть).
• Затем серия вертикальных проводов - обычно от четырех до восьми - установлена ​​из насадки на или около верхней части башни; Эти провода окружают башню и называются «юбкой».
• Проводы юбки находятся на постоянном расстоянии от башни с помощью изолированных конструкционных элементов «противоречия» и соединены с электрически изолированным кольцом проводника, которое окружает основание башни, также установленное на изолированных противостояниях.
• Новая подача антенны соединяется между общей точкой заземляющей системы и кольцом в нижней части проводов юбки.

Полученная юбка, охватившая мачту, соединяется только на вершине башни или в некоторую среднюю точку вблизи верхней части, и к изолированному проводящему кольцу, которое окружает основание башни; Проводы юбки остаются изолированными от мачты в любой другой точке по всей своей длине.

Электрическая работа и конструкция Unipole

Сбалансированные и несбалансированные токи важны для понимания антенн, потому что несбалансированный ток с близким интервалом ток всегда излучается, а сбалансированный никогда не излучает. Следующий набросок того, как работает антенна унипола отдельно, рассматривает сбалансированные и несбалансированные токи, протекающие через антенну. Сумма двух является фактическим током, видимым в любом одном дирижере.

Общий ток разбит на сбалансированные и несбалансированные детали

По принципу электрического суперпозиции общие токи, протекающие в антенне, могут рассматриваться как разделенные на сумму независимых сбалансированных и несбалансированных токов. Сбалансированные и несбалансированные части потоков антенны добавляют, чтобы сделать «истинный» текущий профиль; эквивалентно, если мы называем «истинный» ток, измеренный, протекающий через мачту $\ I_{\mathsf {mast}}\ ,$ и $\ I_{\mathsf {skirt}}\$ Сумма всех «истинных» токов, измеренных в проводах юбки (по симметрии, предполагаемой все равно), тогда сбалансированные и несбалансированные части «истинных» токов - это токи

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

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

Идя в другую сторону, «истинные» течения в мачте и юбке, из концептуальных сбалансированных и несбалансированных токов

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

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

Таким образом, в качестве примера, с упрощенной точки зрения, различие между антенной и ее линией подачи состоит в том, что сбалансированный ток течет антипараллельно в линии подачи, который не излучается и переоценен в несбалансированные, векторные параллельные пути внутри антенна, которая излучает.

Сбалансированный ток подачи

Электрическое поведение юбки и мачты можно рассматривать как похожее на коаксиальную линию подачи , с юбкой, соответствующей внешнему щиту коаксии, и мачта, служащая в качестве основного провода или центрального проводника. Соединение юбки и мачты в верхней части действует как короткое время в конце виртуального коаксиаса, и потому что «коаксиал» по дизайну, меньше чем четверть волны в длину в точке прикрепления, это фактически индуктивная короткая заглушка Полем Независимо от настроенной юбки и размеров мачты и расстояния, которые определяют импеданс, наблюдаемый с помощью сбалансированного тока , ток подачи, циркулирующий через юбку, и мачта производит разницу напряжения между верхней и точкой подачи юбки, а также между верхней и заземляющей плоскостью. что является половиной разницы напряжений между точкой от кормления и землей (возможно, с чрезвычайно незначительными изменениями).

Единственный ток, который считается, сбалансирован так: тот же ток общего числа подачи поднимается вверх по проводам юбки, которые текут через мачту к точке пищи на уровне земли (или наоборот) и обратно через (сбалансированную) линию подачи, создавая электрическую закрытый цепь. Магнитные поля текущего вверх равны и противоположны току, текущему вниз, поэтому магнитные поля (почти) все отменяют, и, следовательно, сбалансированные токи (в основном) не излучаются. Таким образом, ситуация на антенне после рассмотрения только сбалансированного тока подачи заключается в том, что она создает разницу напряжения между верхней частью антенны и плоскостью наземной плоскости , и ничего с точки зрения радиоволн. Эта разница напряжений служит электрическим возбудителем несбалансированного тока.

Несбалансированный излучающий ток

Если кто -то учитывает отдельно антенну с «точки зрения» любого потенциального несбалансированного тока, она видит несбалансированное напряжение между точкой соединения вблизи верхней части мачты и плоскостью земли у основания антенны. (Для анализа радиочастотного анализа обратный путь через точку пищи к радио рассматривается как виртуальный путь к земле, игнорируя сбалансированный ток подачи.) Самостоятельные сбалансированные токи не будут электрически влиять на несбалансированные токи (кроме как создать создание Разница в напряжениях общей для всех), хотя они добавляют, чтобы сделать «истинный» ток -профиль в антенне.

Существует два возможных пути, которые может пройти несбалансированный ток в ответ на разницу напряжений между верхней и нижней частью: либо вниз (или вверх) через мачту, либо вниз (или вверх) через провода юбки. Поскольку токи вдоль каждого пути управляются тем же напряжением, они будут течь в одном и том же направлении. Ток делится пропорционально допущению (взаимному импедансу ) каждого пути к земле. Количество тока вдоль каждого пути определяется размерами и количеством проволоки вдоль каждого пути, а в некоторой степени взаимное сопротивление соседних проводников (мачта и провода юбки) и токи, текущие в этих проводах (параллельные Токи в прилегающих проводах вытесняют магнитные поля друг друга, что затрудняет ток). Все несбалансированные тока излучается; Излучение от нескольких путей вектора-параллельного тока добавляется.

Выбор и результаты дизайна

По сравнению со сбалансированными токами через те же два проводника, электрический импеданс, противостоящий потоку несбалансированных токов, очень высок - примерно 500 ~ 600 Ом и выше, в зависимости от диаметра провода, но также поднимается с более близкими или большими параллельными токами в соседних проводах Полем Импеданс против потока сбалансированных токов составляет примерно 300 ~ 500 Ом и ниже, в зависимости от в основном от расстояния между проводами, падающими, когда провода находятся более близко. Следовательно, поток сбалансированного тока будет иметь тенденцию быть больше по величине, чем его несбалансированный аналог, и разница становится выше, чем ближе проводники находятся на расстоянии.

Электрическая конструкция антенны унипола заключается в выборе размеров и количества проводов юбки, их длины и (если возможно) размера центральной мачты, чтобы скорректировать относительные импедансы (или поступления) сбалансированной и несбалансированной ток, чтобы максимизировать излучение и представить сбалансированную сбалансированную точку пищи без реактивного вещества для линии подачи. (Другие конструктивные соображения, такие как стоимость материалов и простота эрекции, могут привести к выбору, неоптимально для электрических характеристик.)

Из -за большого количества параметров свободного проектирования, по сравнению с другими типами антенн, можно сделать чрезвычайно разнообразные различные антенны униполя, и все их производительность будет отличаться. В отличие от широко используемой антенны, такой как простая дублета , не существует «типичной фигуры производительности Unipole». , как говорится, однако, полевые тестирование Это обсуждаемые , ниже Адаптировать импеданс с фирменной точкой, по -видимому, не существует неотложной превосходной производительности для Unipoles »по сравнению с основным монополем. Единственное преимущество в дизайне Unipole сводится к тому, что он создает тщательно настраиваемую встроенную систему сопоставления импеданса .

Сравнение производительности

Когда хорошо сделанный сложенный Unipole заменяет дряхнущую антенну или одну с плохим оригинальным дизайном, конечно, будет улучшение производительности; Внезапное улучшение может быть причиной ошибочного вывода в дизайне.

Эксперименты показывают, что производительность свернутого Unipole такая же, как и другие монопольные конструкции: прямое сравнение между сложенными Unipoles и более традиционными вертикальными антеннами той же высоты, все хорошо сделанные и почти эквивалентные ширины радиатора, не показывают, что нет разницы в радиационной картине в рисунке в в рамках радиационной картины Фактические измерения Rackley, Cox, Moser & King (1996) и от Cox & Moser (2002).

Ожидаемая более широкая пропускная способность также не была обнаружена во время тестов диапазона антенн нескольких сложенных Unipoles.

Заменила шунтированная антенна

Чаще всего складываемые конструкции использовались для замены антенны, питаемой шунтированием-другой дизайн антенны вещания, который также имеет заземленное основание. «Шунт-кормление» (или «наклонная проволока») антенна содержит заземленную башню с верхней частью наклонной однопроводной линии подачи, прикрепленной в точке мачты, которая приводит к приблизительному совпадению с желаемым импедансом, желаемым в Другой конец наклонной подачи.

Если хорошо сделанная антенна складывающейся юнипольной антенны заменила выдержанную антенну, кормленную наклонкой, инженеры станции могут заметить заметное улучшение производительности. Такие улучшения, возможно, вызвали предположения о том, что антенны с сложенными Unipole имели прирост мощности или другие замечательные характеристики, но эти предположения не подтверждаются расчетами радиоинженерии.

Оборудование наземной системы

Места монопольных антенн установленных на , земле снижение эффективности антенны. Предполагалось, что сложенные антенны-антенны были менее поражены сорняками и длинной травой на вершине земных проводов , которые вызывают ослабление в других монопольных антенных конструкциях, но измерения не показывают такого преимущества.

Саморезонансные патенты Unipole

Возможным улучшением по сравнению с основной свернутой антенной антенны является «самореконирующая» антенна, описанная в патенте США 6 133 890 .

Другое возможное улучшение к сложенному Unipole описано в патенте США 4 658 266 , что касается более тщательно разработанной формы грунтовой плоскости для использования со всеми типами монополей (только случайно, включая свернутые Unipoles).

Смотрите также

• Управляемый элемент