Антенна для напитков

Тип радиоантенны

Приемная антенна Бевереджа (слева) и радиоприемник (справа) компании AT&T в Хоултоне, штат Мэн , использовавшиеся для трансатлантических телефонных звонков, из журнала 1920-х годов

Антенна Бевереджа или «волновая антенна» — это длиннопроводная приёмная антенна, в основном используемая в низкочастотных и среднечастотных радиодиапазонах, изобретенная Гарольдом Х. Бевереджем в 1921 году. ^[1] Она используется радиолюбителями , слушателями коротких волн , радиолюбителями DX- диапазона на длинных волнах и в военных целях.

Антенна Бевереджа состоит из горизонтального провода длиной от половины до нескольких длин волн (десятки-сотни метров; ярды на КВ до нескольких километров; мили для длинных волн), подвешенного над землей, с фидерной линией к приемнику, прикрепленной к одному концу, а другой конец провода подключен через резистор к земле . ^{[2] [3]} Антенна имеет однонаправленную диаграмму излучения с главным лепестком диаграммы под небольшим углом в небо от конца с резистором, что делает ее идеальной для приема дальних передач на ионосферной волне (skip) от станций за горизонтом, которые отражаются от ионосферы . Однако антенна должна быть сконструирована так, чтобы провод был направлен в направлении передатчика(ов), который(е) должен(ы) быть принят.

Преимущества Beverage — отличная направленность , более широкая полоса пропускания , чем у резонансных антенн, и сильная способность принимать дальние и зарубежные передатчики. Его недостатки — его физический размер, требующий значительной площади земли, и невозможность вращения для изменения направления приема. В установках часто используются несколько антенн Beverage для обеспечения широкого азимутального покрытия.

История

Гарольд Бевередж экспериментировал с приемными антеннами, похожими на антенну Бевереджа, в 1919 году на радиостанции Otter Cliffs . ^{[4] [5]} В 1920 году он обнаружил, что в противном случае почти двунаправленная длиннопроводная антенна становится однонаправленной, если поместить ее близко к затухающей земле и закончить один конец провода резистором. В 1921 году Бевередж получил патент на свою антенну. В том году длинноволновые приемные антенны Бевереджа длиной до 14 км (9 миль) были установлены на приемных станциях RCA в Риверхеде, Нью-Йорк, ^[6] Белфасте, Мэн, ^[7] Белмаре, Нью-Джерси, ^[8] и Чатеме, Массачусетс ^[9] для трансатлантического радиотелеграфного трафика. Возможно, самая большая антенна Бевереджа — решетка из четырех фазированных Бевереджа ^[10] длиной 5 км (3 мили) и шириной 3 км (2 мили) — была построена компанией AT&T в Хоултоне, штат Мэн , для первой трансатлантической телефонной системы ^[11], открытой в 1927 году.

Описание

Анимация, показывающая, как работает антенна. Из-за сопротивления земли электрическое поле радиоволны ( E, большие красные стрелки ) находится под углом θ к вертикали, создавая горизонтальную составляющую, параллельную проводу антенны ( маленькие красные стрелки ) . Горизонтальное электрическое поле создает бегущую волну осциллирующего тока ( I, синяя линия ) и напряжения вдоль провода, амплитуда которого увеличивается с расстоянием от конца. Когда он достигает ведомого конца (слева) , ток проходит по линии передачи к приемнику. Радиоволны в другом направлении, к нагруженному концу, создают бегущие волны, которые поглощаются нагрузочным резистором R , поэтому антенна имеет однонаправленную диаграмму направленности.

Антенна Бевереджа, которую можно импровизировать для полевой связи, из полевого руководства армии США 1995 года. Вместо заземления резистор присоединен ко второму нижнему проводу, который служит противовесом , искусственным заземлением для передатчика. Главный лепесток антенны , ее направление наибольшей чувствительности, находится справа, от конца провода, который заканчивается резистором.

Антенна Бевереджа состоит из горизонтального провода длиной от половины до нескольких длин волн, подвешенного близко к земле, обычно на высоте от 3 до 6 м (от 10 до 20 футов), направленного в сторону источника сигнала. ^{[3] [2]} На конце, направленном к источнику сигнала, он заканчивается резистором на землю, приблизительно равным по значению характеристическому сопротивлению антенны, рассматриваемой как линия передачи, обычно от 400 до 800 Ом . На другом конце он подключается к приемнику с линией передачи через симметрирующее устройство для согласования линии с характеристическим сопротивлением антенны.

Операция

В отличие от других проволочных антенн, таких как дипольные или монопольные антенны , которые действуют как резонаторы , в которых радиотоки движутся в обоих направлениях вдоль элемента, отскакивая вперед и назад между концами в виде стоячих волн , антенна Бевереджа является антенной бегущей волны ; радиочастотный ток движется в одном направлении вдоль провода, в том же направлении, что и радиоволны. ^{[3] [2] [12]} Отсутствие резонанса дает ей более широкую полосу пропускания, чем резонансные антенны. Она принимает вертикально поляризованные радиоволны, но в отличие от других вертикально поляризованных антенн она подвешена близко к земле и требует некоторого сопротивления в земле для работы.

Антенна Бевереджа использует «наклон волны» для своей работы. ^[13] На низких и средних частотах вертикально поляризованная радиочастотная электромагнитная волна, распространяющаяся близко к поверхности земли с конечной проводимостью грунта , терпит потери, которые заставляют волновой фронт «наклоняться» под углом. ^{[3] [2] [12]} Электрическое поле не перпендикулярно земле, а расположено под углом, создавая компонент электрического поля, параллельный поверхности Земли. Если горизонтальный провод подвешен близко к Земле и приблизительно параллельно направлению волны, электрическое поле генерирует колеблющуюся волну тока RF, движущуюся вдоль провода, распространяющуюся в том же направлении, что и фронт волны. Токи RF, движущиеся вдоль провода, складываются по фазе и амплитуде по всей длине провода, создавая максимальную силу сигнала на дальнем конце антенны, где подключен приемник.

Провод антенны и земля под ним вместе можно рассматривать как «протекающую» линию передачи , которая поглощает энергию радиоволн. ^[12] Скорость волн тока в антенне меньше скорости света из-за земли. Скорость фронта волны вдоль провода также меньше скорости света из-за его угла. При определенном угле θ _max обе скорости равны. При этом угле усиление антенны максимально, поэтому диаграмма направленности имеет главный лепесток под этим углом. Угол главного лепестка равен ^[14]

${\displaystyle \theta _{\text{max}}=\arccos {\biggl (}1-{\frac {\lambda }{2L}}{\biggr )},}$

где

${\displaystyle L}$длина антенного провода,

${\displaystyle \lambda }$это длина волны.

Антенна имеет однонаправленную диаграмму приема, поскольку радиочастотные сигналы, поступающие с другого направления, с приемного конца провода, индуцируют токи, распространяющиеся к согласованному концу, где они поглощаются согласованным резистором.

Прирост

Хотя антенны Бевереджа обладают превосходной направленностью, поскольку они близки к потерям Земли, они не дают абсолютного усиления; их усиление обычно составляет от −20 до −10 дБи. Это редко является проблемой, поскольку антенна используется на частотах, где есть высокие уровни атмосферного радиошума. На этих частотах атмосферный шум, а не шум приемника, определяет отношение сигнал/шум, поэтому можно использовать неэффективную антенну. Слабый сигнал от антенны может быть усилен в приемнике без внесения значительного шума. Антенна не используется в качестве передающей антенны, поскольку это означало бы, что большая часть мощности привода будет тратиться впустую в согласующем резисторе ^[15]

Направленность увеличивается с длиной антенны. В то время как направленность начинает развиваться на длине всего лишь 0,25 длины волны, направленность становится более значительной на одной длине волны и неуклонно улучшается, пока антенна не достигнет длины около двух длин волн. В Beverages длиннее двух длин волн направленность не увеличивается, поскольку токи в антенне не могут оставаться в фазе с радиоволнами.

Выполнение

Однопроводная антенна Бевереджа обычно представляет собой один прямой медный провод длиной от половины до двух длин волн, проложенный параллельно поверхности Земли в направлении желаемого сигнала. Провод подвешен на изолированных опорах над землей. ^[16] Неиндуктивный резистор, приблизительно равный характеристическому сопротивлению провода, около 400–600 Ом , подключен от дальнего конца провода к заземляющему стержню. Другой конец провода подключен к фидерной линии приемника. ^[17]

Двухпроводной вариант иногда используется для нулевого рулевого управления назад или для двунаправленного переключения. Антенна также может быть реализована как массив из 2 до 128 или более элементов в широкополосной, продольной и шахматной конфигурациях, предлагая значительно улучшенную направленность, которую в противном случае было бы очень трудно достичь на этих частотах. Четырехэлементная широкополосная/шахматная решетка Beverage использовалась AT&T на их длинноволновом телефонном приемнике в Хоултоне, штат Мэн . Очень большие фазированные решетки Beverage из 64 элементов или более были реализованы для приемных антенн для загоризонтных радиолокационных систем. ^{[ необходима цитата ]}

Входное сопротивление антенны равно характеристическому сопротивлению провода относительно земли, где-то между 400 и 800 Ом, в зависимости от высоты провода. Обычно для подключения приемника к конечной точке антенны используется коаксиальный кабель длиной 50 Ом или 75 Ом . Между любой такой линией передачи с низким сопротивлением и более высоким сопротивлением антенны в 470 Ом должен быть вставлен согласующий трансформатор. ^[18]

Смотрите также

• Антенна (радио)
• Гарольд Бевередж

Патенты

• Патент США 1,381,089 7 июня 1921 г. Радиоприемная система - антенна Бевереджа
• Патент США 1,434,984, 7 ноября 1922 г. Радиоприемная система — двунаправленная антенна Бевереджа
• Патент США 1,434,985 от 7 ноября 1922 г. Радиоприемная система — с использованием антенны Бевереджа с несколькими приемниками.
• Патент США 1,434,986 от 7 ноября 1922 г. Радиоприемная система — антенна Бевереджа с селективными цепями для устранения помех от соседних длин волн.
• Патент США 1,487,308 от 18 марта 1924 г. Радиоприемная система — улучшение направленности антенны Бевереджа
• Патент США 1,556,122 от 6 октября 1925 г. Радиоприемная система — улучшение направленности антенны Бевереджа
• Патент США 1,658,740, 7 февраля 1928 г. Радиоприемная система — поперечное фазирование двух или более антенн Бевереджа для улучшения направленности
• Патент США 1,768,239 Уменьшение помех, принимаемых через боковой лепесток антенны Бевереджа
• Патент США 1,816,614 Волновая антенна - улучшение направленности антенны Бевереджа
• Патент США 1,821,402 «Шарифмированные антенны Бевереджа и фазированные шахматные антенны Бевереджа».

Ссылки

1. Бевередж, Гарольд Х.; Райс, Честер У.; Келлог, Эдвард У. (январь 1923 г.). «Волновая антенна — новый тип высоконаправленной антенны». Trans. AIEE . 42 . AIEE: 215–266. doi :10.1109/T-AIEE.1923.5060870. ISSN  0096-3860. S2CID  51649877.
2. Лапорт, Эдмунд А. (1952). Радиоантенная техника. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co., стр. 55–59.
3. Carr, Joseph J. (январь 1998 г.). «The Beverage Antenna». Popular Electronics . 15 (1). Фармингтон, Иллинойс: Gernsback Publications: 40–46 . Получено 1 июля 2016 г., также архивировано здесь
4. "Конец эпохи: Зимняя гавань NSGA закроется". navy.mil . Получено 8 декабря 2016 г. .
5. "Radio NBD, Otter Cliffs, Maine (около 1917-1919) - от Леса Смоллвуда, CTRCS, USN Retired". navycthistory.com . Получено 8 декабря 2016 г. .
6. Чарльз Уильям Тауссиг (1922). "The Book of Radio--Radio Central" . Получено 5 марта 2018 г.
7. "Radio Free Belfast (Maine)". maine.gov . Получено 8 декабря 2016 г. .
8. Карл, Коринн. "Info Age - 1914 Station Description". campevans.org . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 8 декабря 2016 г.
9. "Морской центр Chatham Marconi -- Музей и образовательный центр Marconi-RCA Wireless". chathammarconi.org . Получено 8 декабря 2016 г. .
10. Четырехфазные напитки
11. первая трансатлантическая телефонная система
12. Poisel, Richard (2012). Антенные системы и применение в радиоэлектронной борьбе. Artech House. С. 300–310. ISBN 978-1-60807-484-6.
13. Константин А. Баланис (3 декабря 2012 г.). Теория антенн: анализ и проектирование. John Wiley & Sons. стр. 648–. ISBN 978-1-118-58573-3.
14. Poisel (2012) Антенные системы и применение в радиоэлектронной борьбе, стр. 310, уравнение 8.18.
15. H. Ward Silver (2008). Руководство по лицензированию ARRL Extra Class для любительского радио. Американская лига радиорелейной связи. стр. 9–. ISBN 978-0-87259-135-6.
16. Рудольф Ф. Граф (11 августа 1999 г.). Современный словарь электроники. Elsevier Science. С. 843–. ISBN 978-0-08-051198-6.
17. Питер С. Сандретто (1958). Электронная авиационная техника. Международная телефонная и телеграфная корпорация.
18. Джерри Севик (2001). Трансформаторы линий передачи. Noble Publishing Corporation. ISBN 978-1-884932-18-2.

Источники

• Теория и конструкция антенн Уоррена Л. Штутцмана, Гэри А. Тиле, John Wiley & Sons, 22 мая 2012 г.