Т-антенна - T-antenna - Wikipedia

Фотография WOR / 710 1935 г.ЯВЛЯЮСЬв Картерет, штат Нью-Джерси. В этом случае есть три излучателя: две башни и центральная Т-образная антенна, подвешенная посередине. Вместе они создали узор в виде восьмерки с лепестками в сторону Нью-Йорка и Филадельфии.

Многопроволочная радиовещательная антенна T ранней AM-станции WBZ, Спрингфилд, Массачусетс, 1925 г.

А Т-антенна, Т-образная антенна, плоская антенна, цилиндрическая антенна, или (емкостно) антенна с верхней загрузкой это монополь радиоантенна с прикрепленными к его верхней части поперечными проводами емкостной нагрузки.^[1] Т-образные антенны обычно используются в VLF, LF, MF, и коротковолновый группы,^{[2][3](стр. 578–579)[4]} и широко используются в качестве передающих антенн для любительское радио станции,^[5] и длинная волна и средняя волна ЯВЛЯЮСЬ радиостанции. Их также можно использовать в качестве приемных антенн для коротковолновое прослушивание.

Антенна состоит из одного или нескольких горизонтальных проводов, подвешенных между двумя опорами. радиомачты или постройки и утеплены от них по торцам.^[1][4] Вертикальный провод подключается к центру горизонтальных проводов и свисает близко к земле, подключенный к передатчик или же приемник. Вместе эти две секции образуют "Т'Форма, отсюда и название. Подача питания на передатчик или подключение приемника осуществляется между нижней частью вертикального провода и земля связь.

Т-образная антенна работает как монопольная антенна с емкостной верхней загрузкой; другие антенны в этой категории включают перевернутый-L, зонтик, и триатические антенны. Он был изобретен в первые десятилетия существования радио, в беспроводной телеграф эпохи до 1920 г.

Как это устроено

На частотах ниже 1 МГц длина отрезков провода антенны обычно меньше четверти длина волны^[а] [ 1/4λ ≈ 125 метров (410 футов)], наименьшая длина прямого провода, обеспечивающая резонанс.^[5] В этом случае Т-образная антенна работает как вертикальная, электрически короткие монопольная антенна с емкостной верхней загрузкой.^{[3](стр. 578–579)}

Распределения тока РФ (красный) в вертикальной монопольной антенне «a» и Т-образной антенне «b», демонстрируя, как горизонтальный провод служит для повышения эффективности вертикального излучающего провода.^[6] Ширина красной области, перпендикулярной проводу в любой точке, пропорциональна току.^[b]

По левому и правому участкам горизонтального провода, пересекающему верхнюю часть «Т», проходят равные, но противоположно направленные токи. Следовательно, вдали от антенны радиоволны, излучаемые каждым проводом, не совпадают по фазе на 180 ° с другим проводом и имеют тенденцию подавляться с волнами от другого провода вместе с аналогичным подавлением радиоволн, отраженных от земли. Таким образом, горизонтальные провода практически не излучают радиосигнал.^[3](p554)

Вместо этого цель горизонтальных проводов - увеличить емкость в верхней части антенны. В вертикальном проводе требуется больший ток для зарядки и разрядки этой емкости во время цикла высокочастотного тока.^[6][3](p554) Повышенные токи в вертикальном проводе (см. рисунок справа) эффективно увеличить антенну радиационная стойкость и таким образом излучалась мощность радио.^[6] Горизонтальный провод с верхней нагрузкой может увеличить излучаемую мощность в 2–4 раза (от 3 до 6дБ ) для данного базового тока.^[6] Следовательно, Т-антенна может излучать больше мощности, чем простой вертикальный монополь той же высоты. Точно так же приемная Т-антенна может перехватывать большую мощность от входящего радиосигнала той же мощности, чем вертикальная антенна.

Однако Т-образная антенна обычно не так эффективна, как полноразмерная. 1/4λ вертикальный монополь,^[5] и имеет более высокий Q и, следовательно, более узкий пропускная способность. Т-образные антенны обычно используются на низких частотах, где создание полноразмерной четвертьволновой высокой вертикальной антенны нецелесообразно,^[4][7] и вертикальный излучающий провод часто очень электрически короткие: Только небольшая часть длины волны, 1/10λ или менее. Электрически короткая антенна имеет основание реактивное сопротивление то есть емкостной, а в передающих антеннах это должно быть настроено дополнительным загрузочная катушка чтобы сделать антенну резонансной, чтобы на нее можно было эффективно подавать питание.

Типы T-антенн: (A) простая, (B) многопроволочная, (C) решетчатая Т-образная антенна более равномерно распределяет ток между проводами, снижая сопротивление. красный части изоляторы, коричневый опорные мачты.

Емкость верхней нагрузки увеличивается по мере добавления дополнительных проводов, поэтому часто используются несколько параллельных горизонтальных проводов, соединенных вместе в центре, где прикрепляется вертикальный провод.^[5] Хотя емкость увеличивается из-за того, что электрическое поле каждого провода воздействует на поля соседних проводов, она не увеличивается пропорционально количеству проводов: каждый добавленный провод обеспечивает уменьшение дополнительной емкости.^[5]

Диаграмма излучения

Поскольку вертикальный провод является фактическим излучающим элементом, антенна излучает вертикально поляризованный радиоволны в всенаправленный диаграмма направленности, с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях.^[8] Ось горизонтальной проволоки не имеет большого значения. Мощность максимальна в горизонтальном направлении или при небольшом угле возвышения, уменьшаясь до нуля в зените. Это делает его хорошей антенной на LF или же MF частоты, которые распространяются как земные волны с вертикальной поляризацией, но он также излучает достаточно мощности при более высоких углах возвышения, чтобы быть полезным для небесная волна («пропустить») общение. Эффект плохой проводимости грунта обычно заключается в наклоне диаграммы направленности вверх с максимальной силой сигнала при большем угле возвышения.

Передающие антенны

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

Передающие антенны разные, а точки питания сопротивление^[c] имеет решающее значение: комбинация реактивного сопротивления и сопротивления в точке питания антенны должна быть хорошо согласован с импедансом фидерной линии, а за ней - выходного каскада передатчика. В случае несовпадения ток, передаваемый от передатчика к антенне, будет отражаться назад от точки подключения как «ток люфта», что в худшем случае может повредить передатчик и, по крайней мере, снизит мощность сигнала, излучаемого антенной.

Реактивность

Любая монопольная антенна короче 1/4λ имеет емкостное сопротивление; чем он короче, тем выше это реактивное сопротивление и тем больше доля питающего тока, который будет отражаться обратно к передатчику. Чтобы эффективно направлять ток в короткую передающую антенну, необходимо сделать это резонансный (без реактивного сопротивления), если это еще не сделано в верхней части. Емкость обычно снижается добавлением загрузочная катушка или его эквивалент; Загрузочная катушка обычно размещается в основании антенны для доступа, подключена между антенной и ее фидером.

Одно из первых применений Т-образных антенн в начале 20 века было на кораблях, поскольку их можно было подвешивать между мачтами. Это антенна RMS Титаник, который передал сигнал спасения во время ее затопления в 1912 году. Это был многопроволочный Т с вертикальным тросом длиной 50 м и четырьмя горизонтальными тросами длиной 120 м.

Горизонтальная верхняя секция Т-образной антенны может также уменьшить емкостное реактивное сопротивление в точке питания, заменяя вертикальную секцию, высота которой будет примерно 2/3 его длина;^[9] если он достаточно длинный, он полностью исключает реактивное сопротивление и устраняет необходимость в катушке в точке питания.

В средний и низкий частоты, высокая емкость антенны и высокая индуктивность нагрузочной катушки по сравнению с низким сопротивлением излучения короткой антенны заставляют загруженную антенну вести себя как Q настроенная схема, с узкой полосой пропускания, в которой он останется хорошо подобран к линии передачи, по сравнению с 1/4λ монополь.

Чтобы работать в широком диапазоне частот, нагрузочная катушка часто должна регулироваться, и при изменении частоты необходимо регулировать ее, чтобы ограничить мощность, отраженная обратно в передатчик. Высота Q также вызывает высокое напряжение на антенне, которое является максимальным в текущих узлах на концах горизонтального провода, примерно Q умноженное на напряжение управляющей точки. Изоляторы на концах должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать эти напряжения. В передатчиках большой мощности выходная мощность часто ограничивается началом коронный разряд от проводов.^[10]

Сопротивление

Радиационная стойкость эквивалентное сопротивление антенны из-за ее излучения радиоволн; для полноразмерного четвертьволнового монополя радиационная стойкость составляет около 25Ом. Любая антенна, короткая по сравнению с рабочей длиной волны, имеет меньшую радиационная стойкость чем более длинная антенна; иногда катастрофически, далеко за пределами максимального улучшения характеристик, обеспечиваемого T-антенной. Таким образом, на низких частотах даже Т-образная антенна может иметь очень низкую радиационную стойкость, часто менее 1ом,^[5][11] поэтому эффективность ограничена другими сопротивлениями в антенне и системе заземления. Входная мощность делится на сопротивление излучения и «Омические» сопротивления цепи антенны + заземление, в основном катушка и земля. Сопротивление в катушке и особенно в системе заземления должно быть очень низким, чтобы свести к минимуму рассеиваемую в них мощность.

Видно, что на низких частотах конструкция загрузочной катушки может быть сложной:^[5] он должен иметь высокую индуктивность, но очень низкие потери на частоте передачи (высокая Q ), должен выдерживать высокие токи, выдерживать высокое напряжение на незаземленном конце и быть регулируемым.^[7] Его часто делают из литц проволока.^[7]

На низких частотах антенна требует хорошего низкого сопротивления. земля чтобы быть эффективным. Заземление RF обычно строится как звезда из множества радиальных медных кабелей, заглубленных в землю на глубину около 1 фута, выходящих из основания вертикального провода и соединенных вместе в центре. В идеале радиалы должны быть достаточно длинными, чтобы выходить за пределы ток смещения область возле антенны. В VLF частот сопротивление почвы становится проблемой, и радиальная система заземления обычно поднимается и устанавливается на несколько футов над землей, изолированной от нее, чтобы сформировать противовес.

Эквивалентная схема

Историческая клеточная Т-антенна любительской станции 1922 г .; 60 футов в высоту и 90 футов в длину. Проводник представляет собой клетку из 6 проводов, разделенных деревянными распорками; эта конструкция увеличила емкость и уменьшила омическое сопротивление. Он достиг трансатлантических контактов на частоте 1,5 МГц при мощности 440 Вт.

Мощность, излучаемая (или принимаемая) электрически короткой вертикальной антенной, такой как T-антенна, пропорциональна квадрату эффективная высота антенны,^[5] поэтому антенну нужно сделать как можно более высокой. Без горизонтального провода распределение радиочастотного тока в вертикальном проводе линейно уменьшалось бы до нуля вверху (см. рисунок «А» над), что дает эффективную высоту, равную половине физической высоты антенны. При идеальном проводе с верхней нагрузкой «бесконечной емкости» ток по вертикали будет постоянным по всей его длине, давая эффективную высоту, равную физической высоте, таким образом увеличивая излучаемую мощность в четыре раза. Таким образом, мощность, излучаемая (или принимаемая) Т-антенной, в четыре раза больше, чем у вертикального монополя той же высоты.

В радиационная стойкость идеальной Т-образной антенны с очень большой емкостью верхней нагрузки составляет^[6]

${\displaystyle R_{\text{R}}\approx 80\pi ^{2}\left({\frac {\,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,}$

поэтому излучаемая мощность

${\displaystyle P=R_{\text{R}}I_{0}^{2}\approx 80\pi ^{2}\left({\frac {\,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}}$

куда

час высота антенны,

λ - длина волны, а

я₀ это RMS входной ток 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 загрузочной катушки, а также сопротивления излучения и других сопротивлений цепи антенна-земля. Таким образом, входной импеданс равен

${\displaystyle Z=R_{\text{C}}+R_{\text{D}}+R_{\text{L}}+R_{\text{G}}+R_{\text{R}}+j\omega L-{\frac {1}{\,j\omega C\,}}}$

В резонансе емкостное реактивное сопротивление антенны компенсируется нагрузочной катушкой, поэтому входное сопротивление в резонансе Z₀ это просто сумма сопротивлений в цепи антенны^[12]

${\displaystyle Z_{0}=R_{\text{C}}+R_{\text{D}}+R_{\text{L}}+R_{\text{G}}+R_{\text{R}}\,}$

Так что эффективность η антенны отношение излучаемой мощности к входной мощности от фидерной линии равно

${\displaystyle \eta ={\frac {R_{\text{R}}}{\,R_{\text{C}}+R_{\text{D}}+R_{\text{L}}+R_{\text{G}}+R_{\text{R}}\,}}}$

куда

р_C - омическое сопротивление антенных проводников (потери в меди)

р_D - эквивалентные последовательные диэлектрические потери

р_L эквивалентное последовательное сопротивление катушки нагрузки

р_грамм сопротивление системы заземления

р_р радиационная стойкость

C - емкость антенны на входных клеммах

L индуктивность катушки нагрузки

1,9 км (1,2 мили) многоступенчатая плоская антенна 17 кГц Передатчик Grimeton VLF, Швеция.

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

Многонастроенная антенна

В многоканальная плоская антенна представляет собой вариант Т-образной антенны, используемой в мощных низкочастотных передатчиках для уменьшения потерь мощности на землю.^[7] Он состоит из длинной емкостной верхней нагрузки, состоящей из нескольких параллельных проводов, поддерживаемых линией опор передачи, иногда длиной в несколько миль. Несколько вертикальных радиаторных проводов свисают с верхней нагрузки, каждый прикреплен к своему заземлению через загрузочную катушку. Антенна приводится в действие либо одним из проводов излучателя, либо, чаще, одним концом верхней нагрузки, проводя провода верхней нагрузки по диагонали вниз к передатчику.^[7]

Хотя вертикальные провода разделены, расстояние между ними мало 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 параллельная нагрузка катушки и заземления, а не одна, эквивалентное сопротивление катушки нагрузки и заземления, и, следовательно, мощность, рассеиваемая в катушке нагрузки и заземлении, уменьшается до¹⁄_N что из простой Т-образной антенны.^[7] Антенна использовалась в мощных радиостанциях беспроводной телеграф эпохи, но потерял популярность из-за стоимости нескольких загрузочных катушек.

Смотрите также

• Дипольная антенна
• Мачтовый радиатор

Сноски

1. Греческая буква лямбда λ, является условным обозначением длина волны.
2. В резонансе ток - это хвостовая часть синусоидального стоячая волна. В монополе «а» имеется узел в верхней части антенны, где ток должен быть нулевым. В T «b» ток течет в горизонтальный провод в обоих направлениях от середины, увеличивая ток в верхней части вертикального провода. В радиационная стойкость и, таким образом, излучаемая мощность в каждом из них пропорциональна квадрату площади вертикальной части распределения тока.
3. Импеданс это комплексная сумма из реактивное сопротивление и сопротивление; все они, по отдельности или в комбинации, ограничивают передачу тока через препятствующую электрическую часть и вызывают изменения напряжения в точке ее подключения.

Рекомендации

1. Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники, 7-е изд.. США: Ньюнес. п. 761. ISBN  0-7506-9866-7.
2. Чаттерджи, Раджешвари (2006). Теория и практика антенн, 2-е изд.. Нью-Дели: New Age International. С. 243–244. ISBN  81-224-0881-8.
3. Радж, Алан В. (1983). Справочник по конструкции антенн. 2. ИЭПП. С. 554, 578–579. ISBN  0-906048-87-7.
4. Эдвардс, Р.Дж. G4FGQ (1 августа 2005 г.). "Простая тройничная антенна". smeter.net. Библиотека проектирования антенн. Получено 23 февраля 2012.
5. Стро, Р. Дин, изд. (2000). Антенна ARRL (19-е изд.). США: Американская радиорелейная лига. п. 6-36. ISBN  0-87259-817-9.
6. Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. Джон Вили и сыновья. С. 299–301. ISBN  978-0-470-51028-5.
7. Гриффит, Б. Уитфилд (2000). Основы радиоэлектронной передачи, 2-е изд.. США: SciTech Publishing. С. 389–391. ISBN  1-884932-13-4.
8. Барклай, Лесли В. (2000). Распространение радиоволн. Институт инженеров-электриков. С. 379–380. ISBN  0-85296-102-2.
9. Моксон, Лес (1994). «Глава 12 КВ антенны». В Biddulph, Дик (ред.). Справочник по радиосвязи (6-е изд.). Радио общество Великобритании.
10. ЛаПорт, Эдмунд А. (2010). «Реактивное сопротивление антенны». vias.org (Виртуальный институт прикладных наук). Радиоантенна инженерия. Получено 24 февраля 2012.
11. Баланис, Константин А. (2011). Справочник по современным антеннам. Джон Вили и сыновья. С. 2.8–2.9 (п. 2.2.2). ISBN  978-1-118-20975-2.
12. ЛаПорт, Эдмунд А. (2010). «Радиационная эффективность». vias.org (Виртуальный институт прикладных наук). Радиоантенна инженерия. Получено 2012-02-24.