Турникетная антенна , или скрещенная дипольная антенна, [1] представляет собой радиоантенну, состоящую из набора из двух идентичных дипольных антенн, установленных под прямым углом друг к другу и питаемых в фазовой квадратуре ; два тока, подаваемые на диполи, сдвинуты по фазе на 90°. [2] [3] Название отражает идею о том, что антенна выглядит как турникет, когда установлена горизонтально. Антенна может использоваться в двух возможных режимах. В нормальном режиме антенна излучает горизонтально поляризованные радиоволны перпендикулярно своей оси. В аксиальном режиме антенна излучает циркулярно поляризованное излучение вдоль своей оси.
Специализированные турникетные антенны нормального режима, называемые супертурникетными или антеннами типа «крыло летучей мыши», используются в качестве антенн телевизионного вещания . Турникеты осевого режима широко используются для антенн наземных станций спутниковой связи в диапазонах VHF и UHF , поскольку круговая поляризация часто используется для спутниковой связи, поскольку она не чувствительна к ориентации спутниковой антенны в пространстве.
Турникетная антенна была изобретена Джорджем Брауном в 1935 году [2] и описана в научных работах в 1936 году. [4] История патентов показывает популярность турникетной антенны на протяжении многих лет. [5]
Антенну можно использовать в двух различных режимах: нормальном и аксиальном . [ необходима ссылка ]
В направлениях, перпендикулярных ее оси, антенна излучает линейно поляризованные радиоволны ( горизонтально поляризованные, когда ось антенны вертикальна). Это называется нормальным режимом . Диаграмма направленности , суперпозиция двух дипольных диаграмм, близка к всенаправленной , но на самом деле имеет форму «клеверного листа» с четырьмя небольшими максимумами на концах элементов. Диаграмма отклоняется от всенаправленной всего на ±5 процентов. [3] Излучение в этих горизонтальных направлениях часто увеличивается путем вертикального штабелирования нескольких турникетных антенн (называемых «отсеками»), питаемых синфазно. Это увеличивает усиление за счет усиления излучения в желаемых горизонтальных направлениях, но вызывает частичное подавление излучения в вертикальных направлениях, уменьшая мощность, излучаемую в небо или вниз к земле. Эти штабелированные турникетные антенны нормального режима используются на частотах VHF и UHF для FM и телевизионного вещания.
Поскольку первые турникеты, изобретенные Брауном, работали в этом режиме, турникет обычного режима иногда называют антенной турникета Джорджа Брауна . [3]
_Exercise_Triad_'84_DF-ST-86-05052.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
На концах оси антенны, перпендикулярных плоскости элементов, антенна излучает радиоволны с круговой поляризацией (CP). Это называется аксиальным режимом . Излучение с одного конца имеет правую круговую поляризацию, а с другого конца — левую круговую поляризацию. Какой конец создает какую поляризацию, определяется фазой фидерных соединений. Поскольку в направленной антенне требуется только один луч, в простой антенне с аксиальным режимом добавляется плоская проводящая поверхность, такая как металлический экранный отражатель, на четверть длины волны позади скрещенных элементов. [1] Волны в этом направлении отражаются обратно на 180°, и отражение меняет направление поляризации на противоположное, поэтому отраженные волны усиливают прямое излучение. [1] Например, если радиоволны, излучаемые вперед, имеют правую круговую поляризацию, то волны, излучаемые назад, будут иметь левую круговую поляризацию. Плоский отражатель меняет направление поляризации, поэтому отраженные волны имеют правую круговую поляризацию. При размещении рефлектора λ/4 за элементами прямая и отраженная волны находятся в фазе и складываются. Добавление рефлектора увеличивает осевое излучение в 2 раза (3 дБ).
Другим распространенным способом увеличения излучения аксиальной моды является замена каждого диполя решеткой Yagi .
В антенне с круговой поляризацией важно, чтобы направление поляризации передающей и приемной антенн было одинаковым, поскольку антенна с правой круговой поляризацией будет испытывать существенную потерю усиления при приеме радиоволн с левой круговой поляризацией, и наоборот.
Турникетные антенны с осевой поляризацией часто используются в спутниковых и ракетных антеннах, [6] поскольку круговая поляризация используется в спутниковой связи . [ необходима ссылка ] Это связано с тем, что при круговой поляризации волн относительная ориентация элементов антенны не влияет на усиление.
Для функционирования антенны два диполя должны питаться токами одинаковой величины в фазовой квадратуре , то есть фазы синусоидальных волн должны быть сдвинуты на 90°. [3] Это делается с помощью методов фидерной линии или путем добавления реактивного сопротивления последовательно с диполями. [3]
Популярный метод питания двух диполей в турникетной антенне заключается в разделении радиочастотного сигнала из линии передачи на два равных сигнала с помощью двухстороннего разветвителя, затем задержка одного на 90 градусов дополнительной электрической длины. Каждая фаза применяется к одному из диполей. [3]
Изменяя длину и форму диполей, объединенный терминальный импеданс, подаваемый на одну точку питания, может достичь чистого сопротивления и вырабатывать квадратурные токи в каждом диполе. [3] [6] Этот метод изменения физических размеров элемента антенны для получения квадратурных токов известен как турникетное питание . [1]
В оригинальном патенте Брауна описывалось укладывание нескольких турникетных антенн вертикально для создания высокоусиленной горизонтально поляризованной всенаправленной антенны для радиовещания. [3] [2] Они использовались для некоторых из первых антенн FM-вещания в 1930-х годах. Однако большинство современных антенн FM-вещания используют круговую поляризацию, поэтому сила сигнала не будет меняться в зависимости от ориентации антенны приемника.
Более позднее нововведение включало изменение формы дипольных элементов с простых стержней на более широкие формы, чтобы увеличить полосу пропускания антенны. [7] Ранние телевизионные вещательные антенны использовали элементы в форме «сигары», показанные на изображении антенны RCA Empire State Building 1939 года выше. Сегодня распространенной формой является антенна типа « крыло летучей мыши » или супертурникет , используемая для телевизионного вещания в диапазонах VHF или UHF [8] Форма « крыло летучей мыши» каждого элемента создает антенну с широкой полосой пропускания импеданса. [1] До восьми антенн типа «крыло летучей мыши» обычно укладываются вертикально и питаются в фазе, чтобы создать всенаправленную антенну с высоким коэффициентом усиления для телевизионного вещания. [3] [1] Широкая полоса пропускания была необходима в нижнем диапазоне аналогового телевизионного вещания VHF, поскольку полоса пропускания телевизионного канала 6 МГц составляла около 10% частоты. [1]
Круговая поляризация использовалась для связи космических аппаратов (спутников и ракет), поскольку круговая поляризация не чувствительна к относительной ориентации антенн, а антенна космического аппарата могла иметь любую ориентацию относительно наземной антенны. Для наземной станции часто использовались турникетные антенны Yagi с высоким коэффициентом усиления.
В американской программе создания ракет Nike использовался аксиальный режим для телеметрии и применялась модифицированная дипольная техника для создания квадратурных токов. [6]
Планы строительства ATA (асимметричная турникетная антенна)
Турникет — самая ранняя и популярная резонансная антенна для вещания в диапазоне УКВ.