Т-образная антенна

Т-образная антенна , Т -образная антенна или антенна с плоским верхом — это монопольная радиоантенна, состоящая из одного или нескольких горизонтальных проводов, подвешенных между двумя поддерживающими радиомачтами или зданиями и изолированных от них на концах. ^[1]^[2] Вертикальный провод подсоединяется к центру горизонтальных проводов и свисает близко к земле, подсоединяясь к передатчику или приемнику . Форма антенны напоминает букву «Т», отсюда и название. Питание передатчика подается, или приемник подключается между нижней частью вертикального провода и заземлением . ^[1]

Близкородственная антенна — перевернутая Г-образная антенна . Она похожа на Т-образную антенну, за исключением того, что вертикальный фидерный провод, вместо того чтобы быть прикрепленным к центру горизонтальных верхних проводов нагрузки, прикреплен на одном конце. Название происходит от его сходства с перевернутой буквой «Г» (Γ). Т-образная антенна — это всенаправленная антенна, излучающая одинаковую мощность радиосигнала во всех азимутальных направлениях, в то время как перевернутая Г-образная антенна — это слабонаправленная антенна , с максимальной мощностью радиосигнала, излучаемой в направлении верхнего провода нагрузки, с конца с прикрепленным фидером.

Антенны 'T'- и перевернутые-L обычно используются в диапазонах ОНЧ , НЧ , СЧ и коротких волн , ^[3]^[4]^{: 578–579}^[2] и широко используются в качестве передающих антенн для любительских радиостанций , ^[5] а также длинноволновых и средневолновых AM- вещательных станций. Их также можно использовать в качестве приемных антенн для прослушивания коротких волн . Они функционируют как монопольные антенны с емкостной верхней загрузкой; другие антенны в этой категории включают зонтичные и триатические антенны. Они были изобретены в первые десятилетия радио, в эпоху беспроводной телеграфии , до 1920 года.

Как это работает

Антенну Т-типа проще всего представить в виде состоящей из трех функциональных частей:

Верхняя загрузка: Верхняя часть горизонтального провода (иногда называемая емкостной шляпой ) действует как пластина конденсатора.
Радиатор: Вертикальный провод, по которому ток передается от точки питания у основания к вершине; неуравновешенный ток в вертикальном сегменте генерирует излучаемые радиоволны.
Наземная система: Либо провода, зарытые в землю под антенной, либо иногда провода, подвешенные на высоте нескольких футов над землей ( противовес ), действуют как другая пластина конденсатора.

Провода верхней нагрузки часто располагаются симметрично; токи, текущие в противоположно направленных симметричных проводах цилиндра, нейтрализуют поля друг друга и, таким образом, не производят чистого излучения, при этом то же самое нейтрализация происходит тем же образом в системе заземления. В принципе, емкостная шляпа ( цилиндр ) и ее ответная система заземления ( противовес ) могут быть построены так, чтобы быть зеркальными отражениями друг друга. Однако простота простой прокладки проводов на земле или поднятия их на несколько футов над землей, в отличие от практической проблемы поддержки горизонтальных проводов цилиндра наверху, на вершине вертикальной секции, обычно означает, что цилиндр обычно не строится таким же большим, как противовес . Кроме того, любые электрические поля, которые достигают земли до того, как они будут перехвачены противовесом, будут тратить энергию, нагревая почву, тогда как рассеянные электрические поля высоко в воздухе просто немного больше распространятся в без потерь открытом воздухе, прежде чем они в конечном итоге достигнут проводов цилиндра.

Верхняя и заземляющая секции эффективно функционируют как противоположно заряженные резервуары для увеличенного хранения избыточных или дефицитных электронов , больше, чем то, что может храниться вдоль верхнего конца вертикального провода с неизолированной головкой той же высоты . Больший накопленный заряд вызывает больший ток, протекающий через вертикальный сегмент между верхом и основанием, и этот ток в вертикальном сегменте производит излучение, испускаемое Т-образной антенной.

Емкостная «шляпа»

Левая и правая секции горизонтального провода в верхней части буквы «Т» несут равные, но противоположно направленные токи. Поэтому вдали от антенны радиоволны, излучаемые каждым проводом, сдвинуты по фазе на 180° относительно волн от другого провода и имеют тенденцию к погашению. Аналогичное погашение происходит и для радиоволн, отраженных от земли. Таким образом, горизонтальные провода (почти) не излучают радиомощности. ^[4]^{: 554}

Вместо излучения горизонтальные провода увеличивают емкость в верхней части антенны. Для зарядки и разрядки этой дополнительной емкости во время цикла колебаний РЧ в вертикальном проводе требуется больше тока. ^[6]^[4]^{: 554} Увеличенные токи в вертикальном проводе ( см. рисунок справа ) эффективно увеличивают сопротивление излучения антенны и, таким образом, излучаемую мощность РЧ. ^[6]

Емкость верхней нагрузки увеличивается по мере добавления большего количества проводов, поэтому часто используются несколько параллельных горизонтальных проводов, соединенных вместе в центре, где крепится вертикальный провод. ^[5] Поскольку электрическое поле каждого провода сталкивается с полем соседних проводов, дополнительная емкость от каждого добавленного провода уменьшается . ^[5]

Эффективность емкостной верхней нагрузки

Горизонтальный верхний провод нагрузки может увеличить излучаемую мощность в 2–4 раза (от 3 до 6 дБ ) для заданного базового тока. ^[6] Следовательно, Т-образная антенна может излучать больше мощности, чем простой вертикальный монополь той же высоты. Аналогично, приемная Т-образная антенна может перехватывать больше мощности от той же силы входящего радиоволнового сигнала, чем вертикальная антенна той же высоты.

В антеннах, рассчитанных на частоты около 600 кГц или ниже ^[b] , длина сегментов провода антенны обычно короче четверти длины волны ^[c][ ⁠ 1 /4⁠   $λ$ ≈ 125 м (410 футов) ^[c] при 600 кГц ^[b]] , самая короткая длина ненагруженного прямого провода, который достигает резонанса .^{[5] В этом случае «Т»-антенна представляет собой емкостный,}электрически короткий , вертикальный монополь с верхней нагрузкой.^[4]^{: 578–579}

Несмотря на свои улучшения по сравнению с короткой вертикальной антенной, типичная Т-образная антенна все еще не так эффективна, как полноразмерная ⁠ 1 /4⁠   $λ$ ^[c] вертикальный монополь , ^[5] и имеет более высокую $добротность$ и, следовательно, более узкую полосу пропускания . Т-образные антенны обычно используются на низких частотах, где построение полноразмерной четвертьволновой высокой вертикальной антенны нецелесообразно, ^[2]^[7] а вертикальный излучающий провод часто очень электрически короткий : всего лишь небольшая часть длины волны, ⁠1/10⁠ $λ$ или меньше. Электрически короткая антенна имеет реактивное сопротивление базы , которое является емкостным , и хотя емкостная нагрузка наверху действительно уменьшает емкостное реактивное сопротивление в базе, обычно остается некоторое остаточное емкостное реактивное сопротивление. Для передающих антенн, которые должны быть отстроены путем добавления индуктивного реактивного сопротивления от нагрузочной катушки , чтобы антенна могла эффективно питаться энергией.

Красные детали — изоляторы , коричневые — опорные мачты. Линия питания передатчика или приемника подключается к F. Многопроводные верхние нагрузки, используемые в B , C , E и G , увеличивают емкость на землю и, таким образом, сопротивление излучения и выходную мощность, их часто используют в качестве передающих антенн. Конструкция клетки C и G выравнивает ток в проводах, уменьшая сопротивление

Диаграмма направленности излучения

Поскольку вертикальный провод является фактическим излучающим элементом, антенна излучает вертикально поляризованные радиоволны в ненаправленной диаграмме направленности с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях. ^[8] Ось горизонтального провода не имеет большого значения. Мощность максимальна в горизонтальном направлении или при малом угле возвышения, уменьшаясь до нуля в зените. Это делает ее хорошей антенной на частотах НЧ или СЧ , которые распространяются как земные волны с вертикальной поляризацией, но она также излучает достаточно мощности при более высоких углах возвышения, чтобы быть полезной для связи с помощью небесной волны («пропускаемой»). Эффект плохой проводимости земли, как правило, заключается в наклоне диаграммы направленности вверх, с максимальной силой сигнала при более высоком угле возвышения.

Передающие антенны

В диапазонах длинных волн, где обычно используются Т-образные антенны, электрические характеристики антенн, как правило, не критичны для современных радиоприемников; прием ограничивается естественным шумом, а не мощностью сигнала, собираемого приемной антенной. ^[5]

Передающие антенны различаются, и сопротивление точки питания ^[d] имеет решающее значение: сочетание реактивного сопротивления и сопротивления в точке питания антенны должно быть согласовано с сопротивлением линии питания, а за ней и выходного каскада передатчика. При несоответствии ток, передаваемый от передатчика к антенне, будет отражаться обратно по линии питания от антенны, создавая состояние, называемое стоячими волнами на линии. Это снижает мощность, излучаемую антенной, и в худшем случае может повредить передатчик.

Реактивное сопротивление

Любая монопольная антенна короче ⁠ 1 /4⁠  волна имеет емкостное сопротивление ; чем она короче, тем выше это сопротивление и тем больше доля тока питания, которая будет отражена обратно к передатчику. Для эффективной подачи тока в короткую передающую антенну ее необходимо сделать резонансной (без реактивного сопротивления), если верхняя часть еще не сделана так. Емкость обычно компенсируется добавленной катушкой нагрузки или ее эквивалентом; катушка нагрузки обычно размещается у основания антенны для удобства доступа, подключается между антенной и ее линией питания.

Горизонтальная верхняя секция Т-образной антенны также может уменьшить емкостное сопротивление в точке питания, заменив вертикальную секцию, высота которой составит около ⁠ 2 /3⁠ его длина; ^[9] если она достаточно длинная, то она полностью устраняет реактивное сопротивление и устраняет необходимость в нагрузочной катушке в точке питания.

На средних и низких частотах высокая емкость антенны и высокая индуктивность нагрузочной катушки по сравнению с низким сопротивлением излучения короткой антенны заставляют нагруженную антенну вести себя как высокодобротный $настроенный$ контур с узкой полосой пропускания, в которой она будет оставаться хорошо согласованной с линией передачи по сравнению с ⁠ 1 /4⁠   $λ$ монополь. ^[c]

Для работы в широком диапазоне частот нагрузочная катушка часто должна быть регулируемой и настраиваться при изменении частоты, чтобы ограничить мощность, отраженную обратно к передатчику . Высокая $добротность$ также вызывает высокое напряжение на антенне, которое максимально в узлах тока на концах горизонтального провода, примерно в $Q$ раз больше напряжения в точке возбуждения. Изоляторы на концах должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать эти напряжения. В передатчиках высокой мощности выходная мощность часто ограничивается началом коронного разряда от проводов. ^[10]

Сопротивление

Сопротивление излучения — это эквивалентное сопротивление антенны из-за ее излучения радиоволн; для полноразмерного четвертьволнового монополя сопротивление излучения составляет около 25 Ом . ^{[ требуется ссылка ]} Любая антенна, которая коротка по сравнению с рабочей длиной волны, имеет более низкое сопротивление излучения , чем более длинная антенна; иногда катастрофически, намного превосходящее максимальное улучшение производительности, обеспечиваемое Т-образной антенной. Таким образом, на низких частотах даже 'Т'-образная антенна может иметь очень низкое сопротивление излучения, часто менее 1 Ом , ^[5]^[11], поэтому эффективность ограничивается другими сопротивлениями в антенне и системе заземления. Входная мощность делится между сопротивлением излучения и 'омическими' сопротивлениями цепи антенна+земля, в основном катушки и земли. Сопротивление в катушке и особенно в системе заземления должно быть очень низким, чтобы минимизировать рассеиваемую в них мощность.

Видно, что на низких частотах конструкция нагрузочной катушки может быть сложной: ^[5] она должна иметь высокую индуктивность, но очень низкие потери на частоте передачи (высокая $добротность$ ), должна проводить большие токи, выдерживать высокие напряжения на своем незаземленном конце и быть регулируемой. ^[7] Она часто изготавливается из литцендратной проволоки . ^[7]

На низких частотах антенне требуется хорошее заземление с низким сопротивлением для эффективности. Заземление RF обычно строится в виде звезды из множества радиальных медных кабелей, зарытых в землю на глубину около 30 см (1 фут), выходящих из основания вертикального провода и соединенных вместе в центре. Радиалы в идеале должны быть достаточно длинными, чтобы выходить за пределы области тока смещения вблизи антенны. На частотах VLF сопротивление почвы становится проблемой, и радиальная система заземления обычно поднимается и монтируется на несколько футов над землей, изолированная от нее, чтобы сформировать противовес .

Эквивалентная схема

Мощность, излучаемая (или принимаемая) любой электрически короткой вертикальной антенной, такой как «Т»-антенна, пропорциональна квадрату эффективной высоты антенны, ^[5] поэтому антенну следует делать как можно выше. Без горизонтального провода распределение тока ВЧ в вертикальном проводе уменьшалось бы почти линейно до нуля наверху ( см. рисунок «а» выше ), давая эффективную высоту в половину физической высоты антенны. С идеальным «бесконечным емкостным» верхним нагрузочным проводом ток в вертикальном проводе был бы постоянным по всей его длине, давая эффективную высоту, равную физической высоте, следовательно, увеличивая излучаемую мощность в четыре раза для того же напряжения питания. Таким образом, мощность, излучаемая (или принимаемая) «Т»-антенной, лежит между вертикальным монополем той же высоты и до четырех раз большей.

Сопротивление излучения идеальной Т-образной антенны с очень большой верхней емкостью нагрузки равно ^[6]

R_{\mathsf {R}}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,

поэтому излучаемая мощность равна

P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}

где

h

— высота антенны,

λ

— длина волны, а

I

₀ — среднеквадратичное значение входного тока в амперах.

Эта формула показывает, что излучаемая мощность зависит от произведения базового тока на эффективную высоту, и используется для определения того, сколько метров-ампер требуется для достижения заданного количества излучаемой мощности.

Эквивалентная схема антенны (включая катушку нагрузки) представляет собой последовательное соединение емкостного сопротивления антенны, индуктивного сопротивления катушки нагрузки, сопротивления излучения и других сопротивлений цепи антенна-земля. Таким образом, входное сопротивление равно

Z=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell.c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}+j\omega L_{\mathsf {\ell.c.}}-{\frac {1}{\,j\omega C_{\mathsf {ant.}}\,}}~,

где

R

_C — омическое сопротивление проводников антенны (потери в меди)

R

_D — эквивалентные последовательные диэлектрические потери

R

_ℓ.c. — последовательное сопротивление катушки нагрузки

RG

_— сопротивление системы заземления

R

_R — радиационная стойкость

C

_ant. - кажущаяся емкость антенны на входных клеммах

L

_ℓ.c. — индуктивность нагрузочной катушки.

При резонансе емкостное сопротивление антенны компенсируется нагрузочной катушкой, поэтому входное сопротивление при резонансе $Z$ ₀ представляет собой просто сумму сопротивлений в цепи антенны ^[12]

Z_{0}=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,

Эффективность антенны при резонансе, $η$ , представляет собой отношение излучаемой мощности к входной мощности от фидерной линии. Поскольку мощность, рассеиваемая в виде излучения или тепла, пропорциональна сопротивлению, эффективность определяется как

\eta ={\frac {R_{\mathsf {R}}}{\,R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}}

1,9-километровая (1,2-мильная) многонастраиваемая плоская антенна исторического 17 кГц VLF-передатчика Grimeton , Швеция

Можно видеть, что, поскольку сопротивление излучения обычно очень низкое, основная проблема проектирования заключается в том, чтобы поддерживать другие сопротивления в системе антенна-земля на низком уровне для получения максимальной эффективности. ^[12]

Многонастроенная антенна

Многонастроенная антенна с плоской вершиной — это вариант антенны «Т», используемой в мощных низкочастотных передатчиках для снижения потерь мощности на земле. ^[7] Она состоит из длинной емкостной верхней нагрузки, состоящей из нескольких параллельных проводов, поддерживаемых линией передающих вышек, иногда длиной в несколько миль. Несколько вертикальных проводов излучателя свисают с верхней нагрузки, каждый из которых прикреплен к своей земле через нагрузочную катушку. Антенна приводится в действие либо одним из проводов излучателя, либо, что чаще, одним концом верхней нагрузки, путем подведения проводов верхней нагрузки по диагонали вниз к передатчику. ^[7]

Хотя вертикальные провода разделены, расстояние между ними мало по сравнению с длиной волн LF , поэтому токи в них находятся в фазе, и их можно рассматривать как один излучатель. Поскольку ток антенны течет в землю через $N$ параллельных катушек нагрузки и заземления, а не через одно, эквивалентное сопротивление катушки нагрузки и заземления, а следовательно, и мощность, рассеиваемая в катушке нагрузки и заземлении, уменьшается до ⁠1/  $Н$  ⁠ простая «Т-антенна». ^[7] Антенна использовалась в мощных радиостанциях эпохи беспроводного телеграфа , но вышла из употребления из-за дороговизны многочисленных нагрузочных катушек.

Смотрите также

Сноски

^ При резонансе ток является хвостовой частью синусоидальной стоячей волны . В монополе "a" в верхней части антенны есть узел , где ток должен быть равен нулю. В верхней части "b" ток течет в горизонтальный провод в обоих направлениях от середины, увеличивая ток в верхней части вертикального провода. Сопротивление излучения и, следовательно, излучаемая мощность в каждом, пропорциональны квадрату площади вертикальной части распределения тока.
^ ab 600 кГц находится близко к нижнему пределу диапазона вещания AM на средних частотах .
^ abcd Греческая буква лямбда , $λ$ , является общепринятым обозначением длины волны .
^ Импеданс — это сложная сумма реактивного сопротивления и активного сопротивления ; все они, как по отдельности, так и в сочетании, ограничивают передачу тока через препятствующую электрическую часть и вызывают изменения напряжения в точке ее соединения.

Ссылки

^ ab Graf, Rudolf F. (1999). Современный словарь электроники (7-е изд.). США: Newnes. стр. 761. ISBN 0-7506-9866-7.
^ abc Edwards, RJ (G4FGQ) (1 августа 2005 г.). "The Simple Tee Antenna". smeter.net . Библиотека проектирования антенн. Архивировано из оригинала 27 сентября 2008 г. Получено 23 февраля 2012 г.
^ Чаттерджи, Раджешвари (2006). Теория и практика антенн (2-е изд.). Нью-Дели, Индиана: New Age International. стр. 243–244. ISBN 81-224-0881-8.
^ abcd Радж, Алан В. (1983). Справочник по проектированию антенн . Том 2. IET. С. 554, 578–579. ISBN 0-906048-87-7.
^ abcdefghi Straw, R. Dean, ред. (2000). The ARRL Antenna Book (19-е изд.). Newington, CT: American Radio Relay League. стр. 6‑36. ISBN 0-87259-817-9.
^ abcde Хуан, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. John Wiley & Sons. С. 299–301. ISBN 978-0-470-51028-5.
^ abcdef Гриффит, Б. Уитфилд (2000). Основы радиоэлектронной передачи (2-е изд.). США: SciTech Publishing. стр. 389–391. ISBN 1-884932-13-4.
^ Barclay, Leslie W. (2000). Распространение радиоволн. Великобритания: Институт инженеров-электриков. С. 379–380. ISBN 0-85296-102-2.
^ Moxon, Les (1994). "Глава 12 КВ антенны". В Biddulph, Dick (ред.). Radio Communication Handbook (6-е изд.). Великобритания: Радиообщество Великобритании.
^ la Porte, Edmund A. (2010). "Реактивное сопротивление антенны". Виртуальный институт прикладных наук (vias.org) . Инженерия радиоантенн . Получено 24 февраля 2012 г.
^ Баланис, Константин А. (2011). Справочник по современным антеннам. John Wiley & Sons. стр. 2.8–2.9 (§ 2.2.2). ISBN 978-1-118-20975-2.
^ ab la Porte, Edmund A. (2010). "Эффективность излучения". Виртуальный институт прикладных наук (vias.org) . Радиоантенная инженерия . Получено 24 февраля 2012 г.