Зонтичная антенна — это емкостная проволочная монопольная антенна , состоящая в большинстве случаев из мачты , питаемой на заземляющем конце, к которой сверху подключено несколько радиальных проводов, наклонно спускающихся вниз. [1] Одна сторона фидерной линии, подающей питание от передатчика, подключена к мачте, а другая сторона — к заземляющей системе радиальных проводов, зарытых в землю под антенной. Они используются в качестве передающих антенн ниже 1 МГц, в диапазонах MF , LF и особенно VLF , на частотах достаточно низких, чтобы было непрактично или невозможно построить полноразмерную четвертьволновую монопольную антенну. Внешний конец каждого радиального провода, наклонно спускающийся с вершины антенны, соединен изолятором с поддерживающим тросом или кабелем, закрепленным на земле; радиальные провода также могут поддерживать мачту как растяжки . Радиальные провода делают антенну похожей на проволочный каркас гигантского зонтика (без ткани), отсюда и название.
Антенна поддерживается центральной стальной трубчатой или решетчатой мачтой . Верх мачты прикреплен к кольцу из равномерно расположенных радиальных проводов, простирающихся по диагонали почти до земли, где каждый прикреплен с помощью изолятора натяжения к длине неизлучающего провода или веревки, которая закреплена на земле. Зонтичные провода также могут служить конструктивно в качестве растяжек для поддержки мачты. Существует несколько различных методов подачи питания от передатчика к антенне:
В базовой подаче мачта поддерживается толстым керамическим изолятором , который изолирует ее от земли, а линия подачи от передатчика крепится к основанию мачты. Проводящая стальная мачта служит в качестве монопольного излучателя. С другой стороны, в антеннах высокой мощности мачта заземляется, зонтичные провода изолируются там, где они соединяются с центральной мачтой, и крепятся к вертикальным проводам излучателя, которые свисают параллельно мачте, которые питаются снизу. Такая конструкция используется в антеннах высокой мощности, в которых очень высокое напряжение на антенне затруднит изоляцию мачты от земли. [2] [3] [4]
Под антенной расположена большая система заземления, подключенная к противоположной стороне фидерной линии, состоящая из проводов, зарытых в землю и простирающихся радиально от основания мачты до края зонтичных проводов.
В качестве альтернативы, при радиальной подаче, антенна может получать питание, прикладывая ток передатчика к концам одного или нескольких радиальных проводов вместо мачты. В этом случае центральная мачта заземляется. Как и в случае с подающими устройствами, это позволяет избежать необходимости в опорном изоляторе мачты, а также не требует изолятора в силовых кабелях для сигнальных огней самолета мачты . Такая конструкция использовалась в трех больших зонтичных антеннах для устаревшей навигационной системы Omega , которая работала на частоте 10–14 кГц , чтобы устранить очень сложную проблему изоляции основания мачты от потенциала антенны 200 кВ.
Поскольку антенна короче резонансной длины четверти длины волны, она имеет емкость . Чтобы устранить емкостное сопротивление и сделать ее резонансной, чтобы можно было эффективно подавать энергию, согласующий импеданс индуктор , называемый нагрузочной катушкой , подключается последовательно с фидерной линией у основания антенны.
Вертикальная мачта, изолированная от земли, или вертикальные провода излучателя, функционируют как резонансная монопольная антенна . [2] [3] [4] На низких используемых частотах высота мачты намного меньше ее резонансной длины, одной четверти длины волны ( ), поэтому она делает антенну очень короткой с электрической точки зрения ; она имеет очень низкое сопротивление излучения и без проводов верхней нагрузки была бы очень неэффективным излучателем. Колебательный ток от передатчика проходит вверх по мачте и делится примерно поровну между проводами верхней нагрузки. Он отражается от концов проводов и проходит обратно вниз по мачте. Исходящий и отраженный ток накладываются, образуя стоячую волну, состоящую из хвостовой части синусоиды .
Из-за отражений от земли и симметричного расположения проводов верхней нагрузки, измеренных вдали от антенны, радиоволны, излучаемые зонтоподобными спицами, в значительной степени нейтрализуют друг друга, поэтому сами спицы почти не излучают радиомощности. Вместо этого зонтичные провода выполняют функцию емкостной верхней нагрузки, заменяя часть или всю емкость , которая была бы обеспечена верхней частью полноразмерной четвертьволновой мачты. Провода заземления, зарытые или проложенные на земле под антенной, выполняют функцию соответствующей нижней пластины гигантского «конденсатора». Дополнительная емкость увеличивает ток в вертикальной мачте из-за дополнительного заряда, необходимого для зарядки и разрядки верхней нагрузки каждую половину цикла радиочастот. В лучшем случае это может удвоить общий ток и учетверить излучаемую мощность, увеличивая сигнал до 6 дБ от уровня, который был бы без верхней нагрузки.
Чтобы отстроить большое емкостное сопротивление антенны и сделать ее резонансной на рабочей частоте, чтобы она могла эффективно питаться энергией, в фидерную линию последовательно с антенной, у ее основания, помещается большая катушка индуктивности ( нагрузочная катушка ). Другая сторона фидерной линии от передатчика подключена к системе заземления. Антенна и катушка образуют настроенный контур . Их большое реактивное сопротивление и низкое сопротивление обычно придают антенне высокий коэффициент добротности , поэтому она имеет узкую полосу пропускания , в которой она может работать. В больших зонтичных антеннах, используемых в очень низкочастотном диапазоне, полоса пропускания антенны может быть менее 100 герц .
Ниже представлено несколько вариантов зонтичных антенн с заземленной мачтой, разработанных военными США в 1970-х годах для использования в диапазоне низких частот .
Зонтичная антенна излучает вертикально поляризованные радиоволны в ненаправленной диаграмме направленности с одинаковой мощностью, излучаемой во всех горизонтальных направлениях, с максимальной силой сигнала, излучаемого в горизонтальных направлениях, монотонно падающего с углом возвышения до нуля в зените. Благодаря большой верхней нагрузке они обычно более эффективны, чем другие распространенные антенны с верхней нагрузкой, «плоская вершина» или «Т»-антенна , на низких частотах и широко используются в диапазоне ОНЧ .
Земные волны — это вертикально поляризованные волны, которые распространяются от антенны горизонтально прямо над землей. Зонтичные антенны — это хорошие антенны земных волн, и они используются в качестве радиовещательных антенн в диапазонах MF и LF .
Коэффициент усиления зонтичной антенны над идеально проводящей землей, как и других электрически коротких монопольных антенн, составляет приблизительно 3,52 дБи, если она значительно короче, чем
Так как диагональные провода наклонены вниз, ток в них имеет вертикальную составляющую. [3] Этот ток имеет направление, противоположное току в мачте, поэтому на большом расстоянии от мачты излучаемые им радиоволны на 180° не совпадают по фазе с радиоволнами от мачты и частично гасят их. Таким образом, провода зонта частично экранируют мачту, уменьшая излучаемую мощность. При достаточном количестве проводов зонта все радиоволны, излучаемые частью мачты выше дна зонта, блокируются, и единственное излучение исходит от части мачты ниже зонта.
Благодаря большой емкостной нагрузке зонтичные антенны являются одними из самых эффективных конструкций антенн на низких частотах и используются для передатчиков в диапазонах LF и VLF для навигационных средств и военной связи. Они широко используются для коммерческих средневолновых и длинноволновых AM-радиовещательных станций. Зонтичные антенны высотой 15–460 метров находятся в эксплуатации. [ необходима цитата ] Самые большие зонтичные антенны — это антенны Trideco (ниже), построенные для военно-морских передающих станций VLF, которые связываются с подводными лодками, находящимися под водой. Восемь зонтичных антенн высотой 350 метров используются в массиве на немецком объекте связи VLF, работая на частоте около 20 кГц с высокой эффективностью излучения, хотя они и меньше 1/ 40 длина волны высокая. [ необходима ссылка ]
С развитием мирового радиовещания на двух новых диапазонах 630 и 2200 метров радиолюбители, располагающие достаточными возможностями, возобновили использование этой конструкции.
Антенна Trideco — это огромная специализированная зонтичная антенна, используемая 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 длина требуемых проводов верхней нагрузки намного больше, чем может быть использовано для растяжек, без дополнительных поддерживающих мачт провода провисали бы до земли. Во-вторых, поскольку провода наклонные, ток в них имеет вертикальную составляющую. Этот вертикальный ток имеет противоположное направление по отношению к току в мачте, поэтому излучаемые им радиоволны на 180° не совпадают по фазе с излучением мачты и частично его нейтрализуют.
В конструкции trideco верхние провода нагрузки простираются горизонтально от вершины центральной мачты, поддерживаемые кольцом из 12 мачт, окружающих центральную мачту, чтобы создать радиальную проводную «конденсаторную пластину», параллельную Земле, приводимую в движение в центре. [7] [8] Верхние провода нагрузки имеют форму шести ромбовидных (ромбовидных) панелей, простирающихся симметрично от центральной мачты под углами 60°, что придает антенне форму шестиконечной звезды, если смотреть сверху. Вместо того, чтобы использовать саму центральную мачту в качестве излучателя, каждая панель подключена к вертикальному проводу излучателя рядом с центральной мачтой, и шесть проводов излучателя питаются синхронно у основания. Это устраняет сложную проблему изоляции мачты от земли при чрезвычайно высоких используемых напряжениях. Это также позволяет отключать питание одной из панелей и опускать ее на землю для обслуживания, пока работает остальная часть антенны. Под антенной в земле зарыта огромная радиальная система заземления, которая образует нижнюю «пластину» конденсатора с верхней верхней нагрузкой. Антенна должна быть очень большой на используемых частотах ОНЧ; опорные мачты имеют высоту 250–300 метров (820–980 футов), а верхняя нагрузка составляет около 1900 метров (6200 футов) в диаметре.
Антенна trideco была разработана для высокомощных военно-морских передатчиков, которые передают на частотах от 15 до 30 кГц при мощности до 2 мегаватт, для связи с подводными лодками, находящимися под водой, по всему миру. Это самая эффективная конструкция антенны, найденная на сегодняшний день для этого диапазона частот, достигающая эффективности 70-80%, тогда как другие конструкции антенн VLF имеют эффективность 15-30% из-за низкого сопротивления излучения очень короткого электрически монополя. [8] Антенна была изобретена Бойнтоном Хагаманом из Development Engineering Co. (DECO) и впервые установлена в Катлере, штат Мэн, в 1961 году. [9] Вдохновением для конструкции послужила зонтичная антенна 1-мегаваттного передатчика Goliath, построенного военно-морским флотом нацистской Германии 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; Harold E. Holt Naval Communication Station , Эксмут, Австралия; и Anthorn Radio Station , Anthorn, Великобритания. Модифицированная 3-панельная антенна находилась на NSS Annapolis , Аннаполис, Мэриленд, но была выведена из эксплуатации в 1990 году.
Зонтичные антенны были изобретены в эпоху беспроводной телеграфии , около 1900-1920 годов, и использовались с искровыми передатчиками на длинноволновых диапазонах для передачи информации с помощью кода Морзе . Низкие частоты использовались для дальней трансконтинентальной связи, а антенны были электрически короткими , поэтому использовались емкостные антенны с верхней загрузкой. Зонтичные антенны были разработаны на основе больших многопроводных емкостных антенн, которые использовал Гульельмо Маркони во время его усилий по достижению надежной трансатлантической связи.
Одной из первых антенн, использовавших эту конструкцию, была трубчатая мачта высотой 420 футов (130 м), возведенная в 1905 году Реджинальдом Фессенденом для его экспериментального передатчика с искровым зазором в Брант-Рок, штат Массачусетс, с помощью которой он осуществил первую двустороннюю трансатлантическую передачу, связавшись с идентичной антенной 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. Другим ранним примером является зонтичная антенна, построенная в 1906 году Адольфом Слаби на передающей станции Науэн , первой в Германии радиостанции дальнего действия, состоящая из 100-метрового (330 футов) стального решетчатого башенного радиатора со 162 зонтичными кабелями, прикрепленными к вершине, закрепленными пеньковыми канатами к земле в 200 м от башни. Небольшие зонтичные антенны широко использовались в составе переносных передатчиков военными войсками связи во время Первой мировой войны , поскольку не было возможности установить полноразмерные четвертьволновые антенны.
Зонтичные антенны использовались на 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.
