Т-антенна

« Т »-антенна , «Т»-антенна или антенна с плоской вершиной — это несимметричная радиоантенна, состоящая из одного или нескольких горизонтальных проводов, подвешенных между двумя опорными радиомачтами или зданиями и изолированных от них на концах. ^[1]^[2] Вертикальный провод подсоединяется к центру горизонтальных проводов и свисает близко к земле, подключенный 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 — это перевернутая L-антенна . Это похоже на Т-образную антенну, за исключением того, что вертикальный питающий провод вместо того, чтобы прикрепляться к центру горизонтальных проводов верхней нагрузки, прикрепляется на одном конце. Название происходит от сходства с перевернутой буквой «L» (Γ). Т-образная антенна представляет собой всенаправленную антенну, излучающую одинаковую мощность радиосигнала во всех азимутальных направлениях, тогда как перевернутая L-антенна представляет собой слабонаправленную антенну с максимальной мощностью радиосигнала, излучаемой в направлении верхнего нагрузочного провода, с конца с прикрепленным фидером. .

Антенны типа «Т» и перевернутая L обычно используются в диапазонах ОНЧ , НЧ , СЧ и коротковолновых диапазонах ^[3]^[4]^{: 578–579}^[2] и широко используются в качестве передающих антенн для любительских радиостанций ^{. 5]} и длинноволновые и средневолновые радиовещательные станции AM . Их также можно использовать в качестве приемных антенн для прослушивания коротких волн . Они функционируют как монопольные антенны с емкостной верхней загрузкой; другие антенны этой категории включают зонтичные и триатические антенны. Они были изобретены в первые десятилетия радио, в эпоху беспроводного телеграфа , до 1920 года.

Как это работает

Антенну Т-типа легче всего понять как имеющую три функциональные части:

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

Провода верхней нагрузки часто располагаются симметрично; токи, текущие в противоположно направленных симметричных проводах цилиндра, гасят поля друг друга и, таким образом, не производят суммарного излучения, причем такое же подавление происходит таким же образом в системе заземления. В принципе, емкостная шляпа ( цилиндр ) и соответствующая ей система заземления ( противовес ) могут быть построены как зеркальные отражения друг друга. Однако простота прокладки проводов на земле или на высоте нескольких футов над землей, в отличие от практической задачи поддержки горизонтальных проводов цилиндра высоко, на вершине вертикальной секции, обычно означает, что цилиндр обычно не такой большой, как противовес . Кроме того, любые электрические поля, достигающие земли до того, как их перехватит противовес, будут тратить энергию на нагревание почвы, тогда как рассеянные электрические поля высоко в воздухе просто распространятся немного дальше на открытый воздух без потерь, прежде чем они в конечном итоге достигнут земли. провода цилиндра.

Верхняя и нижняя секции эффективно функционируют как противоположно заряженные резервуары для дополнительного хранения избыточных или дефицитных электронов , больше, чем можно было бы хранить на верхнем конце вертикального провода с непокрытой головкой той же высоты. Больший накопленный заряд вызывает протекание большего тока через вертикальный сегмент между верхом и основанием, и этот ток в вертикальном сегменте создает излучение, излучаемое Т-образной антенной.

Емкостная «шляпа»

Левая и правая секции горизонтального провода через верхнюю часть буквы «Т» несут равные, но противоположно направленные токи. Следовательно, вдали от антенны радиоволны, излучаемые каждым проводом, сдвинуты по фазе на 180° с волнами другого провода и имеют тенденцию гаситься. Происходит аналогичное гашение радиоволн, отраженных от земли. Таким образом, горизонтальные провода (почти) не излучают радиомощность. ^[4]^{: 554}

Вместо излучения горизонтальные провода увеличивают емкость в верхней части антенны. В вертикальном проводе требуется больший ток для зарядки и разрядки этой добавленной емкости во время цикла радиочастотных колебаний. ^[6]^[4]^{: 554} Увеличение токов в вертикальном проводе ( см. рисунок справа ) эффективно увеличивает сопротивление излучения антенны и, следовательно, излучаемую радиочастотную мощность. ^[6]

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

Эффективность емкостной верхней загрузки

Горизонтальный провод верхней нагрузки может увеличить излучаемую мощность в 2–4 раза (от 3 до 6 дБ ) для заданного базового тока. ^[6] Следовательно, Т-антенна может излучать большую мощность, чем простой вертикальный несимметричный вибратор той же высоты. Аналогичным образом, приемная Т-образная антенна может перехватывать большую мощность от входящего радиосигнала той же мощности, чем вертикальная антенна той же высоты.

В антеннах, рассчитанных на частоты около или ниже 600 кГц ^[b] длина отрезков провода антенны обычно короче четверти длины волны ^[c][ ⁠ 1 /4⁠   $λ$ ≈ 125 м (410 футов) ^[c] при 600 кГц ^[b]] , наименьшая длина ненагруженного прямого провода, при которой достигается резонанс .^[5] В этом случае Т-образная антенна представляет собой электрически короткий вертикальный несимметричный вибратор с емкостной 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»-антенны обычно используются на низких частотах, где создание полноразмерной четвертьволновой высокой вертикальной антенны нецелесообразно, ^[2]^[7] , а вертикальный излучающий провод часто электрически короток : всего лишь небольшая часть длина волны длинная, ⁠1/10⁠ $λ$ или меньше. Электрически короткая антенна имеет емкостное базовое реактивное сопротивление , и хотя емкостная нагрузка наверху действительно уменьшает емкостное реактивное сопротивление у основания, обычно некоторое остаточное емкостное реактивное сопротивление остается . Для передающих антенн, которые необходимо настроить за счет добавления индуктивного реактивного сопротивления нагрузочной катушки , чтобы на антенну можно было эффективно подавать мощность.

Красные детали — изоляторы , коричневые — опорные мачты. Линия питания передатчика или приемника подключается к точке F. Многопроводные верхние нагрузки, используемые в B , C , E и G , увеличивают емкость относительно земли и, следовательно, сопротивление излучению и выходную мощность. Их часто используют в качестве передающих антенн. Конструкция клетки C и G выравнивает ток в проводах, уменьшая сопротивление.

Диаграмма направленности

Поскольку фактическим излучающим элементом является вертикальный провод, антенна излучает вертикально поляризованные радиоволны во всенаправленной диаграмме направленности с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях. ^[8] Ось горизонтального провода не имеет большого значения. Мощность максимальна в горизонтальном направлении или при пологом угле места, 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 достаточную мощность при более высоких углах места, чтобы быть полезной для связи по небесным волнам («пропуск»). Результатом плохой проводимости грунта обычно является наклон диаграммы направленности вверх, при этом максимальная мощность сигнала достигается при большем угле места.

Передающие антенны

В более длинноволновых диапазонах, где обычно используются Т-образные антенны, электрические характеристики антенн обычно не имеют решающего значения для современных радиоприемников; прием ограничен естественным шумом, а не мощностью сигнала, собираемым приемной антенной. ^[5]

Передающие антенны разные, и импеданс точки питания ^[d] имеет решающее значение: комбинация реактивного сопротивления и сопротивления в точке питания антенны должна быть согласована с импедансом линии питания, а за ней - выходного каскада передатчика. В случае несоответствия ток, посылаемый от передатчика к антенне, будет отражаться обратно по питающей линии от антенны, создавая на линии состояние, называемое стоячими волнами . Это снижает мощность, излучаемую антенной, и в худшем случае может привести к повреждению передатчика.

Реактивное сопротивление

Любая несимметричная антенна короче ⁠ 1 /4⁠  волна имеет емкостное реактивное сопротивление ; чем он короче, тем выше реактивное сопротивление и тем большая доля тока питания будет отражаться обратно в сторону передатчика. Чтобы эффективно подавать ток в короткую передающую антенну, ее необходимо сделать резонансной (безреактивной), если верхняя часть еще не сделала этого. Емкость обычно компенсируется добавлением нагрузочной катушки или ее эквивалента; нагрузочная катушка традиционно размещается в основании антенны для доступности и подключается между антенной и ее фидером.

Горизонтальная верхняя часть Т-образной антенны также может уменьшить емкостное реактивное сопротивление в точке питания, заменяя вертикальную часть, высота которой будет около ⁠. 2 /3⁠ его длина; ^[9] если он достаточно длинный, он 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 настроенную схему с высокой $добротностью$ , с узкой полосой пропускания, в которой она будет хорошо работать. соответствует линии передачи, по сравнению с ⁠ 1 /4⁠   $λ$ монополь. ^[с]

Для работы в широком диапазоне частот нагрузочную катушку часто необходимо регулировать и регулировать при изменении частоты, чтобы ограничить мощность, отраженную обратно в сторону передатчика . Высокая $добротность$ также вызывает высокое напряжение на антенне, которое максимально в узлах тока на концах горизонтального провода, примерно $в Q$ раз превышающее напряжение в точке возбуждения. Изоляторы на концах должны быть рассчитаны на такое напряжение. В передатчиках большой мощности выходная мощность часто ограничивается возникновением коронного разряда в проводах. ^[10]

Сопротивление

Сопротивление излучения — это эквивалентное сопротивление антенны, обусловленное излучением радиоволн; для четвертьволнового монополя полной длины сопротивление излучения составляет около 25 Ом . ^{[ нужна цитация ]} Любая антенна, короткая по сравнению с рабочей длиной волны, имеет более низкое сопротивление излучению , чем более длинная антенна; иногда катастрофически, намного превосходя 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, главным образом катушки и земли. Сопротивление катушки и особенно системы заземления должно поддерживаться на очень низком уровне, 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 пропускать большие токи, выдерживать высокие напряжения на незаземленной стороне. конец и быть регулируемым. ^[7] Часто изготавливается из многожильной проволоки . ^[7]

На низких частотах для эффективной работы антенны требуется хорошее заземление с низким сопротивлением. Радиочастотное заземление обычно строится в виде звезды из множества радиальных медных кабелей, закопанных на глубине около 30 см (1 фут) в землю, идущих от основания вертикального провода и соединенных вместе в центре. В идеале радиальные лучи должны быть достаточно длинными, чтобы выходить за пределы области тока смещения вблизи антенны. На частотах ОНЧ сопротивление почвы становится проблемой, и радиальную систему заземления обычно поднимают и монтируют на высоте нескольких футов над землей, изолируя от нее, чтобы сформировать противовес .

Эквивалентная схема

Мощность, излучаемая (или принимаемая) любой электрически короткой вертикальной антенной, такой как Т-образная антенна, пропорциональна квадрату эффективной высоты антенны, ^[5] поэтому антенну следует делать как можно выше. Без горизонтального провода распределение радиочастотного тока в вертикальном проводе уменьшалось бы почти линейно до нуля вверху ( см. рисунок «а» выше ), что дает эффективную высоту, равную половине физической высоты антенны. При идеальном проводе верхней нагрузки с «бесконечной емкостью» ток в вертикальном направлении будет постоянным по всей его длине, обеспечивая эффективную высоту, равную физической высоте, что увеличивает излучаемую мощность в четыре раза при том же напряжении питания. Таким образом, мощность, излучаемая (или принимаемая) Т-образной антенной, находится между вертикальным монополем той же высоты и в четыре раза большей.

Радиационная стойкость идеальной Т-образной антенны с очень большой верхней нагрузочной емкостью равна ^[6]

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

поэтому излучаемая мощность

P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2} \approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\ лямбда }}\вправо)^{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 нагрузочную катушку) представляет собой последовательную комбинацию емкостного реактивного сопротивления антенны, индуктивного реактивного сопротивления нагрузочной катушки, а также 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 (медные потери)

R

_D – эквивалентные последовательные диэлектрические потери

Р

_ℓ.c. последовательное сопротивление нагрузочной катушки

R

_G – сопротивление системы заземления

R

_R – радиационная стойкость

Не

_мочь. - кажущаяся емкость антенны на входных клеммах

Л

_ℓ.c. – индуктивность нагрузочной катушки.

При резонансе емкостное реактивное 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 фидерной линии. Поскольку мощность, рассеиваемая в виде излучения или тепла, пропорциональна сопротивлению, эффективность определяется выражением

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

Многонастраиваемая плоская антенна длиной 1,9 км (1,2 мили) исторического ОНЧ-передатчика Grimeton 17 кГц , Швеция

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

Многонастраиваемая антенна

Многонастроенная плоская антенна представляет собой вариант Т-образной антенны, используемой в мощных низкочастотных передатчиках для уменьшения потерь мощности на земле. ^[7] Он состоит из длинной емкостной верхней нагрузки, состоящей из нескольких параллельных проводов, поддерживаемых линией опор электропередачи, иногда длиной в несколько миль. Несколько вертикальных проводов радиатора свисают с верхней нагрузки, каждый из которых прикреплен к своему заземлению через нагрузочную катушку. Антенна приводится либо в один из проводов излучателя, либо, чаще, в один конец верхней нагрузки, подводя провода верхней нагрузки по диагонали вниз к передатчику. ^[7]

Хотя вертикальные провода и разделены, расстояние между ними невелико по сравнению с длиной НЧ-волн , поэтому токи в них синфазны и их можно рассматривать как один излучатель. Поскольку ток антенны течет в землю через $N$ параллельных нагрузочных катушек и заземлений, а не через одну, эквивалентное сопротивление нагрузочной катушки и заземления, а, следовательно, и мощность, рассеиваемая в нагрузочной катушке и земле, уменьшается до ⁠1/  $Н$  ⁠ простая Т-антенна. ^[7] Антенна использовалась на мощных радиостанциях эпохи беспроводной телеграфии , но вышла из моды из-за дороговизны нескольких нагрузочных катушек.

Смотрите также

Сноски

^ При резонансе ток представляет собой хвостовую часть синусоидальной стоячей волны . В монополе «а» наверху антенны имеется узел , в котором 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 из них пропорциональны квадрату площади вертикальной части распределения тока.
^ ab 600 кГц — это близко к нижней границе диапазона AM-вещания на средних частотах .
^ abcd Греческая буква лямбда , $λ$ , является общепринятым символом длины волны .
^ Импеданс — это комплексная сумма реактивного сопротивления и сопротивления ; все это, по отдельности или в сочетании, ограничивает передачу тока через мешающую электрическую часть и вызывает изменения напряжения в точке ее подключения.