Зонтичная антенна представляет собой проволочную несимметричную антенну с емкостной нагрузкой сверху , состоящую в большинстве случаев из мачты , питаемой на заземляющем конце, к которой вверху подключено несколько радиальных проводов, наклоненных вниз. [1] Одна сторона питающей линии , подающей питание от передатчика , подключена к мачте, а другая сторона — к системе заземления из радиальных проводов, закопанных в землю под антенной. Они используются в качестве передающих антенн на частотах ниже 1 МГц, в диапазонах СЧ , НЧ и особенно в диапазонах ОНЧ , на частотах настолько низких, что создание полноразмерной четвертьволновой монопольной антенны становится непрактичным или невозможным. Внешний конец каждого радиального провода, сходящий вниз от вершины антенны, соединяется изолятором с поддерживающим канатом или тросом, закрепленным на земле; радиальные тросы также могут поддерживать мачту в качестве растяжек . Радиальные провода делают антенну похожей на проволочный каркас гигантского зонта (без ткани), отсюда и название.
Антенна поддерживается центральной стальной трубчатой или решетчатой мачтой . Верх мачты прикреплен к кольцу из равноотстоящих друг от друга радиальных проводов, идущих по диагонали к земле, причем каждый из них прикрепляется с помощью натяжного изолятора к отрезку неизлучающего провода или троса, прикрепленного к земле. Зонтичные тросы также могут служить в качестве растяжек для поддержки мачты. Существует несколько различных способов подачи энергии от передатчика к антенне:
При базовом питании мачта опирается на толстый керамический изолятор , который изолирует ее от земли, а линия питания передатчика прикрепляется к основанию мачты. Мачта служит монопольным излучателем. Альтернативно, в антеннах большой мощности мачта заземляется, зонтичные провода изолируются в месте их соединения с центральной мачтой и присоединяются к вертикальным проводам излучателя, свисающим параллельно мачте, которые питаются снизу. Эта конструкция используется в антеннах большой мощности, в которых очень высокое напряжение на антенне затрудняет изоляцию мачты от земли. [2] [3] [4]
Под антенной находится большая система заземления, подключенная к противоположной стороне питающей линии, состоящая из проводов, закопанных в землю, идущих радиально от основания мачты к краю зонтичных проводов.
Альтернативно, при радиальной подаче питание на антенну можно подавать, подавая ток передатчика на концы одного или нескольких радиальных проводов вместо мачты. В этом случае центральная мачта заземляется. Как и в случае с механизмами подачи проволоки, это позволяет избежать необходимости в изоляторе опоры мачты, а также не требует изолятора в силовых кабелях для сигнальных огней самолета на мачте . Эта конструкция использовалась в трех больших зонтичных антеннах устаревшей навигационной системы «Омега» , работавшей на частоте 10–14 кГц , чтобы устранить очень сложную проблему изоляции основания мачты от потенциала антенны 200 кВ.
Поскольку антенна короче резонансной длины в четверть длины волны, ее емкость составляет . Чтобы нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление и сделать его резонансным, чтобы можно было эффективно подавать мощность, индуктор согласования импеданса , называемый нагрузочной катушкой , подключается последовательно с питающей линией в основании антенны.
Вертикальная мачта, изолированная от земли, или вертикальные провода излучателя действуют как резонансная несимметричная антенна . [2] [3] [4] На используемых низких частотах высота мачты намного меньше ее резонансной длины, четверти длины волны ( ), поэтому получается очень электрически короткая антенна; он имеет очень низкую радиационную стойкость , и без проводов верхней нагрузки он был бы очень неэффективным излучателем. Колебательный ток от передатчика проходит вверх по мачте и примерно поровну распределяется между проводами верхней нагрузки. Он отражается от концов тросов и распространяется обратно вниз по мачте. Исходящий и отраженный ток суммируются, образуя стоячую волну , состоящую из хвостовой части синусоидальной волны .
Из-за отражений от земли и симметричного расположения проводов верхней нагрузки, измеренных вдали от антенны, радиоволны, излучаемые зонтикообразными спицевыми проводами, в значительной степени нейтрализуют друг друга, поэтому сами спицевые провода почти не излучают радиомощность. Вместо этого зонтичные тросы действуют как емкостная верхняя нагрузка, заменяющая часть или всю емкость , которая обеспечивалась бы вершиной четвертьволновой мачты во всю длину. Заземляющие провода, закопанные или проложенные в земле под антенной, выполняют функцию соответствующей нижней пластины гигантского «конденсатора». Добавленная емкость увеличивает ток в вертикальной мачте из-за дополнительного заряда, необходимого для зарядки и разрядки верхней нагрузки каждую половину ВЧ-цикла. В лучшем случае это может удвоить общий ток и в четыре раза увеличить излучаемую мощность, увеличив сигнал до 6 дБ по сравнению с уровнем, который был бы без верхней нагрузки.
Чтобы настроить большое емкостное реактивное сопротивление антенны и сделать ее резонансной на рабочей частоте, чтобы можно было эффективно подавать мощность, в фидерную линию последовательно с антенной в ее основании помещается большой индуктор ( нагрузочная катушка ). Другая сторона линии питания от передатчика подключена к системе заземления. Антенна и катушка образуют настроенную цепь . Их большое реактивное сопротивление и низкое сопротивление обычно придают антенне высокую добротность , поэтому она имеет узкую полосу пропускания , в которой она может работать. В больших зонтичных антеннах, используемых в диапазоне очень низких частот , полоса пропускания антенны может составлять менее 100 Гц .
Ниже приведены несколько вариантов зонтичных антенн с заземленной мачтой, разработанных военными США в 1970-х годах для использования в низкочастотном диапазоне.
Зонтичные антенны излучают вертикально поляризованные радиоволны во всенаправленной диаграмме направленности , с одинаковой мощностью, излучаемой во всех горизонтальных направлениях, с максимальной силой сигнала, излучаемой в горизонтальных направлениях, монотонно падающей с углом места до нуля в зените. Из-за большой верхней нагрузки они обычно более эффективны, чем другие распространенные антенны с верхней нагрузкой, «плоская» или Т-антенна , на низких частотах и широко используются в диапазоне ОНЧ .
Земные волны — это волны с вертикальной поляризацией, которые распространяются от антенны горизонтально прямо над землей. Зонтичные антенны являются хорошими антеннами для земных волн и используются в качестве антенн радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ .
Коэффициент усиления зонтичной антенны, как и других электрически коротких монопольных антенн, составляет примерно 3,52 дБи, если она значительно короче, чем
Поскольку диагональные провода имеют наклон вниз, ток в них имеет вертикальную составляющую. [3] Этот ток имеет направление, противоположное току в мачте, поэтому вдали от мачты излучаемые им радиоволны сдвинуты по фазе на 180° с радиоволнами от мачты и частично гасят их. Таким образом, зонтичные тросы частично экранируют мачту, уменьшая излучаемую мощность. При наличии достаточного количества зонтичных проводов все радиоволны, излучаемые частью мачты над нижней частью зонта, блокируются, и единственное излучение исходит от части мачты под зонтиком.
Из-за большой емкостной верхней нагрузки зонтичные антенны являются одними из наиболее эффективных конструкций антенн на низких частотах и используются в передатчиках в диапазонах LF и VLF для навигационных средств и военной связи. Они широко используются на коммерческих средневолновых и длинноволновых радиовещательных станциях AM . В эксплуатации находятся зонтичные антенны высотой 15–460 метров. [ нужна цитата ] Самые большие зонтичные антенны — это антенны Trideco (ниже), построенные для военно-морских передающих станций ОНЧ, которые связываются с подводными лодками под водой. Восемь зонтичных антенн высотой 350 метров используются в решетке немецкой ОНЧ-станции связи, работающей на частоте около 20 кГц с высокой эффективностью излучения, хотя она и ниже1/ 40 длина волны высокая. [ нужна цитата ]
С развитием во всем мире двух новых любительских радиодиапазонов на 630 метров и 2200 метров любители с достаточным пространством возобновили использование этой конструкции.
Антенна Trideco представляет собой огромную специализированную зонтическую антенну, используемую в нескольких мощных военных передатчиках на очень низкой частоте (ОНЧ). [5] [6] В обычной зонтичной антенне использование наклонных растяжек в качестве емкостной верхней нагрузки имеет некоторые недостатки: во-первых, поскольку зонтичные провода должны быть закреплены на земле, их длина ограничена. На низких частотах необходимая длина тросов верхней нагрузки намного больше, чем длина растяжек, без дополнительных опорных мачт тросы провисли бы до земли. Во-вторых, поскольку провода наклонные, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот вертикальный ток направлен в противоположном направлении току в мачте, поэтому излучаемые им радиоволны сдвинуты по фазе на 180° с излучением мачты и частично его нейтрализуют.
В конструкции Trideco тросы верхней нагрузки проходят горизонтально от вершины центральной мачты и поддерживаются кольцом из 12 мачт, окружающих центральную мачту, образуя радиальную проводную «пластину конденсатора», параллельную Земле, с приводом в движение в центре. [7] [8] Тросы верхней нагрузки имеют форму шести панелей ромбовидной (ромбовидной) формы, отходящих симметрично от центральной мачты под углом 60°, что придает антенне форму шестиконечной звезды, если смотреть сверху. Вместо того, чтобы использовать центральную мачту в качестве радиатора, каждая панель подключается к вертикальному проводу радиатора рядом с центральной мачтой, а шесть проводов радиатора запитываются синфазно у основания. Это устраняет сложную проблему изоляции мачты от земли при используемых чрезвычайно высоких напряжениях. Это также позволяет отключить питание одной из панелей и опустить ее на землю для технического обслуживания, пока остальная часть антенны работает. В земле под антенной находится огромная радиальная система заземления, которая образует нижнюю «пластину» конденсатора с верхней верхней нагрузкой. Антенна должна быть очень большой на используемых частотах ОНЧ; высота опорных мачт составляет 250–300 метров (820–980 футов), а диаметр верхней нагрузки составляет около 1900 метров (6200 футов).
Антенна Trideco была разработана для мощных военно-морских передатчиков, которые передают на частотах от 15 до 30 кГц при мощности до 2 мегаватт для связи с подводными лодками по всему миру. На сегодняшний день это самая эффективная конструкция антенны для этого диапазона частот, достигающая эффективности 70–80%, тогда как эффективность других конструкций ОНЧ-антенн составляет 15–30% из-за низкой радиационной стойкости очень электрически короткого монополя. [8] Антенна была изобретена Бойнтоном Хагаманом из компании Development Engineering Co. (DECO) и впервые установлена в Катлере, штат Мэн, в 1961 году. [9] Вдохновением для создания конструкции послужила зонтичная антенна передатчика «Голиаф» мощностью 1 мегаватт , построенного нацистской Германией. военно-морской флот в 1943 году в Кальбе, Саксония-Анхальт , Германия. Сегодня антенны Trideco расположены на нескольких военных базах по всему миру, таких как военно-морская радиостанция Катлер в штате Мэн, США; Станция военно-морской связи Гарольда Э. Холта , Эксмут, Австралия; и радиостанция Anthorn , Анторн, Великобритания. Модифицированная трехпанельная антенна находилась на базе NSS Аннаполис , Аннаполис, Мэриленд, но была выведена из эксплуатации в 1990 году.
Зонтичные антенны были изобретены в эпоху беспроводной телеграфии , примерно с 1900 по 1920 год, и использовались с передатчиками с искровым разрядником в длинноволновых диапазонах для передачи информации с помощью азбуки Морзе . Низкие частоты использовались для трансконтинентальной связи на большие расстояния, а антенны были электрически короткими , поэтому использовались антенны с емкостной верхней нагрузкой. Зонтичные антенны были разработаны на основе больших многопроводных емкостных антенн, которые Гульельмо Маркони использовал во время своих усилий по обеспечению надежной трансатлантической связи.
Одной из первых антенн, в которых использовалась эта конструкция, была трубчатая мачта высотой 420 футов (130 м), возведенная в 1905 году Реджинальдом Фессенденом для его экспериментального передатчика с искровым разрядником в Брант-Роке, штат Массачусетс , с помощью которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, связавшись с идентичная антенна в Махриханише , Шотландия. [10] Провода, прикрепленные к вершине (4 или 8, в зависимости от источника), были электрически соединены с мачтой и протянуты по диагонали вниз к поверхности, где они были изолированы от земли. Еще одним ранним примером является зонтичная антенна, построенная в 1906 году Адольфом Слаби на передающей станции Науэн , первая в Германии радиостанция дальнего действия, состоящая из 100-метрового (330 футов) стального решетчатого башенного излучателя со 162 зонтичными кабелями, прикрепленными к вершине и закрепленными на пеньке. веревки на землю в 200 м от вышки. Небольшие зонтичные антенны широко использовались вместе с портативными передатчиками военными службами связи во время Первой мировой войны , поскольку не было возможности установить полноразмерные четвертьволновые антенны.
Зонтичные антенны использовались в большинстве передатчиков навигационной системы OMEGA , работающих на частоте около 10 кГц, на станциях Decca Navigator и на станциях LORAN-C , работающих на частоте 100 кГц с центральными мачтами высотой около 200 метров, прежде чем эти системы были отключены.
