Гало-антенна

Гало-антенна , или гало , представляет собой антенну с центральным питанием . 1 /2⁠ антенна с длиной волны диполя, которая была согнута в круг, с разрывом прямо напротив точки подачи. Концы диполя близки, но не соприкасаются, и их поперечные сечения могут быть расширены, образуя воздушный конденсатор, расстояние между которыми используется для настройки резонансной частоты антенны. Чаще всего монтируется горизонтально, излучение этой антенны тогда приблизительно всенаправленное и горизонтально поляризованное.

Гало-антенны против рамочных антенн

В этом разделе сравниваются гало-антенны с рамочными антеннами, которые электрически различны, но их можно спутать, поскольку все они имеют одинаковую круглую форму и могут иметь неразличимые размеры, если они рассчитаны на частоты, вдвое или вдвое более высокие, чем расчетная частота гало. ^[a]

Гало против больших петель

Хотя гало-антенна также является резонансной антенной, она отличается от полноволновой рамочной антенны , которая почти в два раза больше ее по размеру для той же рабочей частоты. В случае гало-антенны каждая половина имеет длину около четверти длины волны и заканчивается токовым узлом ( нулевой ток и пиковое напряжение) на разрыве. Саморезонансные петли с периметром в одну полную длину волны имеют диаграмму направленности , которая достигает пика перпендикулярно плоскости петли (вдоль оси z, на схеме ниже), но падает до нуля в плоскости петли, что совершенно противоположно диаграмме направленности гало-антенны. Таким образом, несмотря на поверхностное сходство, эти два типа антенн ведут себя принципиально по-разному.

Полноволновая рамочная антенна имеет длину окружности чуть больше двух полуволн, что немного больше, чем в два раза больше размера гало-антенны, предназначенной для работы на той же частоте. Напротив, два полукруга резонансной петли имеют длину в половину длины волны каждый . Зазор отсутствует, и каждый полукруг заканчивается в точке соединения полукругов, расположенной в точке на окружности, противоположной точке питания, где начинаются оба полукруга; ток и напряжение непрерывны в точке соединения, которая является узлом напряжения (пиковый ток и нулевое напряжение).

На диаграмме излучения (слева) квадратная светло-серая двухполупериодная петля имеет максимальный сигнал ( пурпурный ) по отношению к своим проводам, с нулями по левую и правую стороны диаграммы; маленькая петля представляет собой светло-серый восьмиугольник с максимальным сигналом в плоскости восьмиугольника антенных проводов, с нулями ( черная центральная точка) по отношению к ним.

Гало против маленьких петель

Гало-антенна отличается от малой рамочной антенны размером, ^[a] сопротивлением излучения и эффективностью , но их диаграммы направленности почти одинаковы. Гало-антенна является саморезонансной антенной: ее импеданс в точке питания не имеет реактивного сопротивления / является чисто резистивным на расчетной частоте. Малая рамочная антенна, с другой стороны, имеет меньшее сопротивление излучения ^[b] и не является саморезонансной; она требует некоторой формы согласования импеданса для противодействия реактивному сопротивлению петли — на практике это обычно состоит из переменного конденсатора, шунтирующего точку, соответствующую зазору гало.

Распределение тока вдоль двух плеч гало-антенны похоже на токи вдоль двух плеч (также длиной в четверть длины волны) полуволнового диполя (см. анимацию там ), будучи наибольшим в точке питания и падая до нуля на концах (зазор в случае гало). С другой стороны, небольшая петля имеет ток, который приблизительно равномерен и синфазен вдоль проводника. Гало — снова как полуволновой диполь — также имеет пики напряжения в зазоре, тогда как именно больший ток вблизи точки питания в наибольшей степени отвечает за производимое излучение, при этом антенна излучает немного больше в сторону разрыва в петле. ^{[ требуется ссылка ]} Небольшая петля излучает почти одинаково во всех направлениях в плоскости проводника.

Диаграммы направленности излучения как гало, так и малых петель противоположны диаграммам направленности полноволновой петли, будучи максимальными в плоскости петли, а не перпендикулярно ей; гало-антенны излучают лишь небольшое количество перпендикулярно плоскости петли, а петли меньше ⁠1/ 10 ⁠ волнавообщенеимеет

Ореолы чаще всего ориентированы так, чтобы плоскость петли была выровнена горизонтально, параллельно земле, чтобы добиться приблизительно всенаправленной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и минимизировать ненужное вертикальное излучение. Маленькие петли, с другой стороны, часто ориентированы вертикально, чтобы воспользоваться преимуществом «нулевого» приема маленькой петли, направив свое «глухое» направление (перпендикулярно плоскости петли) в сторону источника помех.

Ошибочное понимание разрыва гало

Хотя некоторые авторы считают, что зазор в петле гало-антенны отличает ее от небольшой петлевой антенны , поскольку между двумя концами нет постоянного тока , это различие теряется на RF : близко изогнутые высоковольтные концы соединены емкостно, а электрическое соединение RF осуществляется через ток смещения . Несмотря на резкое изменение полярности напряжения в зазоре, ток RF , перекрывающий зазор, является непрерывным (хотя, возможно, на мгновение равен нулю).

Зазор в гало электрически эквивалентен настроечному конденсатору на небольшой петле , хотя его паразитная емкость не так велика, как требуется для настроенной петли : Емкость не нужна, поскольку антенна гало уже резонансная, но поскольку некоторая небольшая емкостная связь присутствует в любом случае, плечи диполя обрезаются с 97% четверти волны каждый, чтобы восстановить резонанс. Более того, концы гало часто прижимаются еще ближе друг к другу, чтобы увеличить их взаимную емкость , а затем концы обрезаются еще короче для компенсации, чтобы сделать диаграмму излучения еще более близкой к всенаправленной и производить еще менее расточительное вертикальное излучение ^[c] (для горизонтально установленного гало).

Современные и оригинальные дизайны нимбов

Ранние гало-антенны ^[2] использовали две или более параллельных петли, смоделированные по патенту 1943 года ^[1], который представлял собой сложенный диполь, согнутый в круг, как показано на иллюстрации справа. ^[3]

Конструкция с двумя петлями может быть расширена до нескольких, сложенных электрически параллельных петель. Каждая дополнительная петля увеличивает сопротивление излучения пропорционально квадрату числа петель, что расширяет полосу пропускания КСВ, увеличивает эффективность излучения и, до определенной степени, помогает с согласованием импеданса.

В более современных гало-антеннах, как правило, используется одновитковая петля, питаемая от одноплечего гамма-согласующего устройства . ^[d] Более новый подход использует меньше материала и снижает ветровую нагрузку, но имеет более узкую полосу пропускания , может быть механически менее прочным и обычно требует токового симметрирующего устройства для подавления излучения фидерной линии.

Преимущества и недостатки гало-антенн

Как и все конструкции антенн, гало-антенна является компромиссом, который жертвует одним желаемым качеством ради другого, еще более желательного качества – например, гало малы и умеренно эффективны, но только для одной частоты и узкой полосы вокруг нее. В следующих разделах обсуждаются преимущества и недостатки гало-антенн как с точки зрения практических, так и теоретических вопросов.

Преимущества

Гало представляет собой более крупную антенну, и, следовательно, более эффективную, чем небольшая петля, и примерно такую же эффективность, как у дипольной антенны, работающей на той же частоте.

На диапазонах VHF и выше физический диаметр гало достаточно мал, чтобы его можно было эффективно использовать в качестве мобильной антенны.

В направлении горизонта диаграмма направленности всенаправленная с точностью до 3 дБ или меньше, и это можно выровнять, сделав петлю немного меньше и добавив больше емкости между кончиками элементов. Это не только выровняет усиление в горизонтальной плоскости, но и уменьшит в значительной степени растрачиваемое впустую излучение вверх. ^[c]

При питании от гамма-сопряжения или при монтаже с электрически нейтральной точкой контуров, прикрепленной к проводящей мачте, излучающий элемент гало находится на заземлении постоянного тока , что снижает накопление шумового статического электричества.

Ореолы улавливают меньше шума зажигания от двигателей, если установлены на крыше транспортного средства, чем штыревые антенны . ^[4]

Ореолы могут быть сложены для дополнительного усиления и повышения эффективности. Это уменьшает излучение под большим углом, но мало или совсем не влияет на форму диаграммы направленности в плоскости антенны. ^[c]

Хорошо сконструированный ореол хорошо сочетается с коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом . ^[5]

Недостатки

Излучение от горизонтальных гало почти не имеет вертикальной поляризационной составляющей. Следует ожидать большой потери сигнала при связи со станцией, которая использует вертикально поляризованную антенну. ^[4]

Гало-антенна имеет жесткую конструкцию; если ее прикрепить к транспортному средству, она может быть повреждена ветвями деревьев или другими препятствиями, в отличие от штыревой антенны, которая сгибается и пружинит.

Гало-антенна — это резонансная антенна, обеспечивающая наилучшую производительность только вокруг одной частоты , для которой она предназначена. С другой стороны, небольшая передающая петля может быть настроена в диапазоне частот 3:1 с помощью переменного конденсатора . ^[e]

При мобильном использовании гало довольно заметно по сравнению с гораздо более распространенной вертикальной штыревой антенной и может привлекать нежелательное внимание.

Одноконтурная гало-антенна не так эффективна для дальней связи по небесной волне , как горизонтальная малая петля (игнорируя преимущества более высокой устойчивости к излучению ), поскольку большая часть ее сигнала отправляется вверх, а не наружу, тратя мощность сигнала на «согревание облаков».

Примечания

^ ab Обратите внимание, что для всех типов антенн при измерении диаграммы направленности и производительности размер антенны измеряется как доля (или кратное) длины волн, принимаемых или передаваемых через нее; следовательно, эффективный «размер» любой антенны изменяется всякий раз, когда подключенное к ней радио настраивается на другую частоту.
^ Поскольку сопротивление излучения малой антенны мало, максимум, возможно, несколько Ом , мощность, преобразованная в радиоволны, может быть затмеваема мощностью, потерянной на тепло из-за сопротивления в проводнике, которое составляет по крайней мере несколько Ом. Для лучшей производительности передачи всегда предпочтительны большие антенны, но на больших длинах волн (нижние СЧ и НЧ ) размер любой резонансной антенны (включая гало-антенны) неосуществимо велик, и поскольку они более компактны, чем диполь или монополь , небольшие петли , тем не менее, используются как наименее худший вариант.
^ abc Высокоугловое излучение бесполезно для радиосвязи, за исключением почти вертикального падения небесной волны (NVIS) или для сигнализации быстро вращающимся космическим аппаратам с фиксированной антенной. Для особого случая спутниковой связи удобна диаграмма направленности, которая равномерно покрывает все небо, однако в противном случае нерекомендуемое вертикальное излучение горизонтального гало слишком слабое, чтобы равномерно покрыть небо.
Для локальной связи с помощью NVIS необходимо вертикальное излучение, но на низких частотах, для которых восходящий сигнал может отражаться обратно вниз, длинные длины волн делают размеры полуволновых петель громоздкими. Кроме того, частоты, используемые для NVIS, меняются изо дня в день, и после создания ни одна конструкция гало пока не может изменять размер, чтобы адаптироваться по мере необходимости к почти ежедневному изменению длины волны.
^ «Однорукий» стандартный гамма-соответствие , обеспечивающий несбалансированную подачу, в отличие от сбалансированной «двухрукой» «Т»-соответствия (гамма-соответствие для каждой стороны точки подачи). Использование несбалансированного гамма-соответствия является лишь типичной чертой современных гало; это не является существенным для их конструкции. Существуют другие, менее распространенные методы питания гало, которые работают так же хорошо, или даже лучше, и любой тип питания может поддерживать заземленный гало, если соединение гало с опорной мачтой размещено (как показано на иллюстрациях) в электрически нейтральном центре петли(ей) и имеет соединение с землей через мачту.
^ Возможные частоты передачи малого контура — это те, которые составляют его периметр примерно между ⁠ 1/ 8 ⁠ $λ$ ~ ⁠  1 /3⁠ $λ$ ,
гдедлина волны $λ$ определяется как λ $=$ ⁠ 299,79 м / f [в МГц ]⁠ $=$ ⁠ 983,563 фута. / f [в МГц ]⁠ .
Самая высокая рабочая частота определяется минимальной емкостью настроечного конденсатора малой петли. Самая низкая частота определяется максимальной емкостью и приемлемыми потерями: На более низких частотах электрический размер петли того же физического размера меньше, что резко снижает сопротивление излучения (и без того довольно низкое для малых петель) и делает и без того предельную эффективность антенны очень плохой.
Более часто встречающийся, но чрезмерно консервативный диапазон — ⁠1/ 10 ⁠ ~ ⁠ 1 /4⁠ волна,которая применяется кприемнымпетлям. Меньший размер мотивирован желанием сохранить высокую направленность приема петли нуля, а не большие размеры, предпочтительные для повышения эффективности передачи. Для приемакороткихисредних волн, гораздо меньший диапазон размеров петлевой антенны вполне практичен, с окружностями до, возможно , ⁠1/ 16 ⁠ длина волны или меньше. С гало-антенной такой широты нет: она может быть только (очень близко) ⁠ 1 /2⁠ волна.

Ссылки

^ ab патент США 2324462, Leeds, LM & Scheldorf, MW, "Высокочастотная антенная система", выдан 1943-07-13, передан General Electric Company
^ Стайтс, Фрэнсис Х. (октябрь 1947 г.). «Гало на шесть метров». QST . стр. 24.
^ "Сложенный диполь". Теория антенн .
^ ab Tildon, Edward P. (декабрь 1956 г.). «Эффекты поляризации в мобильной связи VHF». QST . стр. 11–13.
^ Данцер, Пол (сентябрь 2004 г.). «6-метровый нимб». Журнал QST . стр. 37–39.

Внешние ссылки

«Создать гало-антенну на два метра». kr1st.com .

«Еще одна конструкция двухметровой УКВ-петли». fedler.com .