Antena T - T-antenna

Zdjęcie z 1935 roku obiektu WOR/710 AM w Carteret, New Jersey. W tym przypadku są trzy grzejniki: dwie wieże i środkowa antena T, zawieszona pośrodku. Razem stworzyli wzór ósemkowy, z płatami w kierunku Nowego Jorku i Filadelfii.

Antena nadawcza Multiwire T wczesnej stacji AM WBZ, Springfield, Massachusetts, 1925

T anten , T antenę , antenowy płaskich od góry , antena cylinder lub (pojemnościowo) anteny załadunkiem od góry jest unipolem Antena poprzeczne druty Ładowanie pojemnościowe dołączone do jej szczytu. Anteny typu T są zwykle używane w pasmach VLF , LF , MF i krótkofalowych i są szeroko stosowane jako anteny nadawcze dla amatorskich stacji radiowych oraz stacji nadawczych AM na falach długich i średnich . Mogą być również używane jako anteny odbiorcze do słuchania na falach krótkich .

Antena składa się z jednego lub więcej przewodów poziomych zawieszonych pomiędzy dwoma nośnymi masztami radiowymi lub budynkami i odizolowanych od nich na końcach. Przewód pionowy jest podłączony do środka przewodów poziomych i zwisa blisko ziemi, podłączony do nadajnika lub odbiornika . Połączone dwie sekcje tworzą kształt litery „ T ”, stąd nazwa. Zasilanie nadajnika lub odbiornik jest podłączony między dolną częścią przewodu pionowego a uziemieniem .

Antena T działa jako antena monopolowa z pojemnościowym ładowaniem od góry; inne anteny w tej kategorii obejmują anteny odwrócone L , parasolowe i triatyczne. Został wynaleziony w pierwszych dekadach radia, w erze bezprzewodowej telegrafii , przed 1920 rokiem.

Jak to działa

Przy częstotliwościach poniżej 1 MHz długość odcinków drutu anteny jest zwykle krótsza niż ćwierć długości fali [ 1/4 $λ$ ≈ 125 metrów (410 stóp) ] ,najkrótszy odcinek prostego drutu, który osiągarezonans. W tych warunkach antena typu T działa jako pionowa,elektrycznie krótka antena jednobiegunowaz pojemnościowym ładowaniem od góry.

Rozkład prądu RF (czerwony) w pionowej antenie jednobiegunowej „a” i antenie typu T „b”, pokazujący, w jaki sposób przewód poziomy służy do poprawy wydajności pionowego przewodu promieniującego. Szerokość czerwonego obszaru prostopadłego do przewodu w dowolnym punkcie jest proporcjonalna do prądu.

Lewe i prawe odcinki poziomego drutu w górnej części „T” przenoszą równe, ale przeciwnie skierowane prądy. Dlatego, daleko od anteny, fale radiowe emitowane przez każdy przewód są o 180° przesunięte w fazie względem drugiego i mają tendencję do znoszenia się z falami z drugiego przewodu, wraz z podobnym anulowaniem fal radiowych odbitych od ziemi. W ten sposób przewody poziome prawie nie emitują mocy radiowej.

Zamiast tego, celem przewodów poziomych jest zwiększenie pojemności w górnej części anteny. Więcej prądu jest wymagane w przewodzie pionowym do ładowania i rozładowywania tej pojemności podczas cyklu prądu RF. Zwiększone prądy w przewodzie pionowym ( patrz rysunek po prawej ) skutecznie zwiększają odporność na promieniowanie anteny, a tym samym wypromieniowaną moc radiową. Poziomy przewód obciążenia od góry może zwiększyć moc promieniowaną od 2 do 4 razy (3 do 6 dB ) dla danego prądu bazowego. W konsekwencji antena T może emitować więcej mocy niż prosty pionowy słup o tej samej wysokości. Podobnie antena odbiorcza T może przechwycić więcej mocy z tej samej siły sygnału przychodzącej fali radiowej niż antena pionowa.

Jednak antena T zazwyczaj nie jest tak wydajna jak antena pełnowymiarowa 1/4 $λ$ pionowy jednobiegunowej i ma większą $Q$ , a tym samym węższe pasma . Anteny typu T są zwykle używane przy niskich częstotliwościach, gdzie budowanie pełnowymiarowej pionowej anteny o wysokiej ćwierć fali nie jest praktyczne, a pionowy przewód promieniujący jest często bardzo krótki pod względem elektrycznym : tylko niewielki ułamek długości fali,1/10 $λ$ lub mniej. Elektrycznie krótka antena ma podstawową reaktancję, która jest pojemnościowa , a w antenach nadawczych musi być ona dostrojona przez dodaną cewkę obciążającą, aby antena była rezonansowa, dzięki czemu można ją efektywnie zasilać.

Typy anten typu T: (A) proste, (B) wieloprzewodowe, (C) antena klatkowa typu T bardziej równomiernie rozprowadza prąd pomiędzy przewodami, obniżając rezystancję. Czerwone części to izolatory , brązowe to maszty podporowe.

Pojemność przy obciążeniu od góry wzrasta wraz z dodawaniem większej liczby przewodów, dlatego często stosuje się kilka równoległych przewodów poziomych, połączonych ze sobą w środku, w którym łączy się przewód pionowy. Chociaż pojemność wzrasta, ponieważ pole elektryczne każdego przewodu uderza w pola sąsiednich przewodów, nie zwiększa się ona proporcjonalnie do liczby przewodów: Każdy dodany przewód zapewnia zmniejszającą się dodatkową pojemność .

Charakterystyka promieniowania

Ponieważ przewód pionowy jest rzeczywistym elementem promieniującym, antena emituje fale radiowe spolaryzowane pionowo w dookólnej charakterystyce promieniowania , z jednakową mocą we wszystkich kierunkach azymutalnych. Oś drutu poziomego nie ma większego znaczenia. Moc jest maksymalna w kierunku poziomym lub przy płytkim kącie elewacji, spadając do zera w zenicie. To sprawia, że jest to dobra antena na częstotliwości LF lub MF , które rozchodzą się jako fale przyziemne z polaryzacją pionową, ale także emituje wystarczającą moc przy wyższych kątach elewacji, aby być użyteczną do komunikacji z falami nieba ("przeskok"). Efektem słabej przewodności gruntu jest na ogół przechylenie wzoru w górę, przy maksymalnej sile sygnału przy większym kącie elewacji.

Anteny nadawcze

W dłuższych zakresach długości fal, gdzie zwykle stosuje się anteny typu T, właściwości elektryczne anten na ogół nie są krytyczne dla nowoczesnych odbiorników radiowych; odbiór jest ograniczony przez naturalny szum, a nie przez moc sygnału gromadzoną przez antenę odbiorczą.

Anteny nadawcze są różne, a impedancja punktu zasilania ma kluczowe znaczenie: kombinacja reaktancji i rezystancji w punkcie zasilania anteny musi być dobrze dopasowana do impedancji linii zasilania, a poza nią, stopnia wyjściowego nadajnika. W przypadku niedopasowania prąd przesyłany z nadajnika do anteny będzie odbijał się wstecz od punktu połączenia jako „prąd luzu”, co w najgorszym przypadku może uszkodzić nadajnik, a przynajmniej zmniejszy moc sygnału promieniowanego z anteny.

Reakcja

Dowolna antena monopolowa, która jest krótsza niż 1/4 $λ$ ma reaktancję pojemnościową ; im krótszy, tym wyższa reaktancja i większy udział prądu zasilającego, który będzie odbijany z powrotem w kierunku nadajnika. Aby skutecznie doprowadzać prąd do krótkiej anteny nadawczej, musi ona być rezonansowa (bez reaktancji), jeśli górna część jeszcze tego nie zrobiła. Pojemność jest zwykle niwelowana przez dodaną cewkę ładującą lub jej odpowiednik; Cewka ładująca jest konwencjonalnie umieszczona u podstawy anteny w celu zapewnienia dostępności, połączona między anteną a jej linią zasilającą.

Jednym z pierwszych zastosowań anten typu T na początku XX wieku było użycie ich na statkach, ponieważ można je było zawiesić między masztami. To antena RMS Titanic , który nadawał wezwanie ratunkowe podczas zatonięcia w 1912 roku. Była to antena wielożyłowa T z 50 m pionowym przewodem i czterema 120 m poziomymi przewodami.

Pozioma górna sekcja anteny T może również zmniejszyć reaktancję pojemnościową w punkcie zasilania, zastępując sekcję pionową, której wysokość wynosiłaby około 2/3 jego długość; jeśli jest wystarczająco długi, całkowicie eliminuje reaktancję i eliminuje potrzebę stosowania cewki w punkcie zasilania.

Przy średnich i niskich częstotliwościach, duża pojemność anteny i wysoka indukcyjność cewki obciążającej, w porównaniu z niską odpornością na promieniowanie krótkiej anteny, sprawia, że obciążona antena zachowuje się jak obwód strojony o wysokim współczynniku $Q$ , z wąskim pasmem, w którym będzie dobrze działać. dopasowane do linii transmisyjnej, w porównaniu z a1/4monopol $λ$ .

Aby pracować w szerokim zakresie częstotliwości, cewka ładująca często musi być regulowana i regulowana przy zmianie częstotliwości, aby ograniczyć moc odbijaną z powrotem w kierunku nadajnika . Wysokie $Q$ powoduje również wysokie napięcie na antenie, które jest maksymalne w węzłach prądu na końcach przewodu poziomego, w przybliżeniu $Q$ razy napięcie w punkcie sterowania. Izolatory na końcach muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać te napięcia. W nadajnikach dużej mocy moc wyjściowa jest często ograniczona przez początek wyładowania koronowego z przewodów.

Opór

Odporność na promieniowanie jest równoważną rezystancją anteny ze względu na promieniowanie fal radiowych; dla pełnej długości ćwierćfalowego monopolu opór promieniowania wynosi około 25 omów . Każda antena, która jest krótka w porównaniu z operacyjną długością fali, ma niższą odporność na promieniowanie niż dłuższa antena; czasami katastrofalnie, daleko poza maksymalną poprawę wydajności zapewnianą przez antenę T. Tak więc przy niskich częstotliwościach nawet antena typu T może mieć bardzo niską rezystancję promieniowania, często mniejszą niż 1 ohm , więc wydajność jest ograniczona przez inne rezystancje w antenie i systemie uziemienia. Moc wejściowa jest dzielona między rezystancję radiacyjną i rezystancję „omową” obwodu antena+masa, głównie cewka i masa. Rezystancja w cewce, a zwłaszcza w systemie uziemienia, musi być utrzymywana na bardzo niskim poziomie, aby zminimalizować rozpraszaną w nich moc.

Można zauważyć, że przy niskich częstotliwościach konstrukcja cewki ładującej może być wyzwaniem: musi mieć wysoką indukcyjność, ale bardzo niskie straty przy częstotliwości nadawania (wysokie $Q$ ), musi przenosić duże prądy, wytrzymywać wysokie napięcia na swoim nieuziemionym końcu oraz być regulowane. Często jest wykonany z drutu licowego .

Przy niskich częstotliwościach antena wymaga dobrego uziemienia o niskiej rezystancji, aby była wydajna. Uziemienie RF jest zwykle skonstruowane jako gwiazda wielu promieniowych kabli miedzianych zakopanych około 1 stopy w ziemi, wystających z podstawy pionowego przewodu i połączonych ze sobą w środku. Idealnie, promienie powinny być wystarczająco długie, aby wychodzić poza obszar prądu przesunięcia w pobliżu anteny. Przy częstotliwościach VLF opór gruntu staje się problemem, a promieniowy system uziemienia jest zwykle podnoszony i montowany kilka stóp nad ziemią, izolowany od niego, tworząc przeciwwagę .

Obwód równoważny

Zabytkowa klatka T-antena stacji amatorskiej z 1922 r.; 60 stóp wysokości i 90 stóp długości. Przewodnik składa się z klatki składającej się z 6 drutów rozpiętych drewnianymi rozpórkami; ta konstrukcja zwiększyła pojemność i zmniejszyła rezystancję omową . Osiągnął transatlantyckie kontakty na 1,5 MHz przy mocy 440 W.

Moc wypromieniowana (lub odebrana) przez elektrycznie krótką antenę pionową, taką jak antena T, jest proporcjonalna do kwadratu efektywnej wysokości anteny, dlatego antena powinna być jak najwyższa. Bez przewodu poziomego rozkład prądu RF w przewodzie pionowym zmniejszyłby się liniowo do zera u góry ( patrz rysunek „a” powyżej ), dając efektywną wysokość połowy fizycznej wysokości anteny. Przy idealnym przewodzie obciążonym od góry o nieskończonej pojemności, prąd w pionie byłby stały na całej jego długości, dając efektywną wysokość równą wysokości fizycznej, a zatem czterokrotnie zwiększając moc promieniowaną. Tak więc moc wypromieniowywana (lub odbierana) przez antenę T jest do czterech razy większa od pionowego monopolu o tej samej wysokości.

Odporność na promieniowanie idealnego T anten o bardzo dużej pojemności napełniania od góry jest

{\ Displaystyle R_ {\ tekst {R}} \ około 80 \ pi ^ {2} \ lewo ({\ Frac {\, h \,} {\ lambda}} \ prawej) ^ {2} \,}

więc moc promieniowana jest

{\ Displaystyle P = R_ {\ tekst {R}} I_ {0} ^ {2} \ około 80 \ pi ^ {2} \ lewo ({\ Frac {\, h \, ja_ {0}\,} \lambda }}\prawo)^{2}}

gdzie

h

to wysokość anteny,

λ

to długość fali, a

I

₀ to prąd wejściowy RMS w amperach.

Ten wzór pokazuje, że moc promieniowana zależy od iloczynu prądu bazowego i efektywnej wysokości i jest używana do określenia, ile „metroamperów” jest wymaganych do osiągnięcia danej ilości mocy promieniowanej.

Obwód zastępczy anteny (w tym cewka ładująca) jest szeregową kombinacją reaktancji pojemnościowej anteny, reaktancji indukcyjnej cewki ładującej oraz rezystancji promieniowania i innych rezystancji obwodu antena-ziemia. Więc impedancja wejściowa wynosi

{\ Displaystyle Z = R_ {\ tekst {C}} + R_ {\ tekst {D}} + R_ {\ tekst {L}} + R_ {\ tekst {G}} + R_ {\ tekst {R}} + j\omega L-{\frac {1}{\,j\omega C\,}}}

W rezonansie reaktancja pojemnościowa anteny jest redukowana przez cewkę obciążającą, więc impedancja wejściowa przy rezonansie $Z$ ₀ jest tylko sumą rezystancji w obwodzie anteny

{\ Displaystyle Z_ {0}= R_ {\ tekst {C}} + R_ {\ tekst {D}} + R_ {\ tekst {L}} + R_ {\ tekst {G}} + R_ {\ tekst {R }}\,}

Zatem sprawność $η$ anteny, stosunek mocy wypromieniowanej do mocy wejściowej z linii zasilającej, wynosi

{\ Displaystyle \eta = {\ Frac {R_ {\ tekst {R}}} {\, R_ {\ tekst {C}} + R_ {\ tekst {D}} + R_ {\ tekst {L}} + R_ {\text{G}}+R_{\text{R}}\,}}}

gdzie

R

_C to rezystancja omowa przewodów antenowych (straty miedzi)

R

_D to równoważne szeregowe straty dielektryczne

R

_L jest równoważną rezystancją szeregową cewki ładującej

R

_G to rezystancja systemu uziemienia

R

_R to odporność na promieniowanie

C

to pojemność anteny na zaciskach wejściowych

L

to indukcyjność cewki ładującej

1,9 km (1,2 mili) wielokrotnie dostrojona antena typu flattop nadajnika 17 kHz Grimeton VLF , Szwecja

Można zauważyć, że ponieważ rezystancja promieniowania jest zwykle bardzo niska, głównym problemem projektowym jest utrzymanie niskich rezystancji w systemie antena-ziemia w celu uzyskania najwyższej wydajności.

Wielokrotna strojona antena

Flattop anteny wielokrotnego dostrojony jest wariantem T-antena używana w niskich częstotliwości nadajników dużej mocy, aby zmniejszyć straty mocy naziemne. Składa się z długiego pojemnościowego obciążenia od góry, składającego się z wielu równoległych przewodów wspieranych przez linię wież transmisyjnych, czasami o długości kilku mil. Kilka pionowych przewodów chłodnicy zwisa z obciążenia od góry, każdy przymocowany do własnej ziemi za pomocą cewki ładującej. Antena jest napędzana albo na jednym z przewodów promiennikowych, albo częściej na jednym końcu obciążenia od góry, poprzez sprowadzenie przewodów obciążenia od góry po przekątnej do nadajnika.

Chociaż przewody pionowe są rozdzielone, odległość między nimi jest niewielka w porównaniu z długością fal LF, więc prądy w nich są w fazie i można je uznać za jeden promiennik. Ponieważ prąd anteny przepływa do ziemi poprzez $N$ równolegle ładowanie cewki i podstawy, a nie jednego, odpowiednik cewki załadunku i odporność na grunt, a więc moc tracona w cewkę ładowania i gruntu, zmniejsza się do 1 / $N$ że prosty T -antena. Antena była używana w potężnych stacjach radiowych ery telegrafii bezprzewodowej , ale wypadła z łask ze względu na koszt wielu cewek ładujących.

Languages

In other projects

Antena T - T-antenna

Zawartość