T-anténa - T-antenna - Wikipedia

Fotografie WOR / 710 z roku 1935DOPOLEDNEzařízení v Carteretu v New Jersey. V tomto případě existují tři radiátory: dvě věže a střední T-anténa, zavěšená uprostřed. Společně vytvořili vzor číslo 8 s laloky směrem k New Yorku a Filadelfii.
Multiwire T vysílací anténa rané AM stanice WBZ, Springfield, Massachusetts, 1925

A T-anténa, T-anténa, plochá anténa, cylindrová anténa, nebo (kapacitně) shora nabitá anténa je monopol rádiová anténa s příčnými kapacitními nabíjecími dráty připojenými k jeho horní části.[1] T-antény se obvykle používají v VLF, LF, MF, a krátkovlnný kapely,[2][3](pp578–579)[4] a jsou široce používány jako vysílací antény pro amatérské rádio stanice,[5] a dlouhá vlna a střední vlna DOPOLEDNE vysílací stanice. Mohou být také použity jako přijímací antény pro krátkovlnný poslech.

Anténa se skládá z jednoho nebo více vodorovných vodičů zavěšených mezi dvěma podpěrami rozhlasové stožáry nebo budovy a na koncích od nich izolované.[1][4] Svislý vodič je připojen ke středu vodorovných vodičů a visí dolů blízko země a je připojen k vysílač nebo přijímač. Kombinace těchto dvou částí tvoří ‚T„Tvar, odtud název. Napájení vysílače je připojeno nebo je připojen přijímač mezi spodní částí svislého vodiče a a přízemní spojení.

T-anténa funguje jako a monopolní anténa s kapacitním plněním shora; Mezi další antény v této kategorii patří obráceně-L, deštník a triatické antény. To bylo vynalezeno během prvních desetiletí rádia, v bezdrátová telegrafie éry, před rokem 1920.

Jak to funguje

Při frekvencích pod 1 MHz je délka drátových segmentů antény obvykle kratší než čtvrtina vlnová délka[A] [ 1/4λ ≈ 125 metrů (410 ft)], nejkratší délka přímého drátu, která je dosažena rezonance.[5] Za těchto okolností funguje T-anténa jako vertikální, elektricky krátký monopolní anténa s kapacitním plněním shora.[3](pp578–579)

RF distribuce proudu (Červené) ve svislé monopolní anténě „a“ a T-anténě „b“, které ukazují, jak vodorovný vodič slouží ke zlepšení účinnosti svislého vyzařujícího drátu.[6] Šířka červené oblasti kolmé na vodič v kterémkoli bodě je úměrná proudu.[b]

Levá a pravá část vodorovného vodiče v horní části „T“ nesou stejné, ale opačně směrované proudy. Proto daleko od antény jsou rádiové vlny vyzařované každým vodičem 180 ° mimo fázi s druhým a mají tendenci se rušit vlnami z druhého drátu spolu s podobným rušením rádiových vln odražených od země. Horizontální dráty tedy nevyzařují téměř žádnou rádiovou energii.[3](p554)

Místo toho je účelem vodorovných vodičů zvýšit kapacita v horní části antény. K nabíjení a vybíjení této kapacity během cyklu vysokofrekvenčního proudu je ve vertikálním vodiči zapotřebí více proudu.[6][3](p554) Zvýšené proudy ve svislém drátu (viz nákres vpravo) účinně zvětšuje anténu radiační odolnost a tím vyzařoval rádiový výkon.[6] Vodorovný vodič s horním zatížením může zvýšit vyzářený výkon 2 až 4krát (3 až 6dB ) pro daný základní proud.[6] V důsledku toho může T anténa vyzařovat více energie než jednoduchý vertikální monopol stejné výšky. Podobně může přijímací T anténa zachytit více energie ze stejné síly signálu příchozích rádiových vln než vertikální anténa.

T-anténa však stále není tak efektivní jako plná výška 1/4λ vertikální monopol,[5] a má vyšší Q a tím užší šířka pásma. T-antény se obvykle používají při nízkých frekvencích, kde není praktické stavět čtvrtvlnnou vysokou vertikální anténu plné velikosti,[4][7] a vertikální vyzařovací drát je často velmi elektricky krátký: Jen malý zlomek vlnové délky dlouhé, 1/10λ nebo méně. Elektricky krátká anténa má základnu reaktance to je kapacitní, a ve vysílacích anténách to musí být vyladěno přidanou nakládací cívka aby byla anténa rezonanční, aby mohla být napájena efektivně.

Typy antén T: (A) jednoduchá, (B) vícedrátová, (C) klecová T-anténa distribuuje proud rovnoměrněji mezi dráty a snižuje odpor. Červené části jsou izolátory, hnědý jsou podpěrné stožáry.

Jak se přidává více vodičů, zvyšuje se kapacita horního zatížení, takže se často používá několik paralelních vodorovných vodičů, které jsou navzájem spojeny ve středu, kde se připojuje svislý vodič.[5] Přestože se kapacita zvyšuje, protože elektrické pole každého drátu naráží na pole sousedních vodičů, nezvyšuje se proporcionálně k počtu vodičů: Každý přidaný vodič poskytuje snížení další kapacity.[5]

Radiační vzor

Protože svislý vodič je skutečným vyzařujícím prvkem, vyzařuje anténa vertikálně polarizovaný rádiové vlny v všesměrový radiační vzor, se stejnou silou ve všech azimutálních směrech.[8] Osa vodorovného drátu má malý rozdíl. Síla je maximální v horizontálním směru nebo v mělkém elevačním úhlu, klesá k nule v zenitu. To z něj dělá dobrou anténu LF nebo MF frekvence, které se šíří jako pozemní vlny s vertikální polarizací, ale také vyzařuje dostatek energie ve vyšších výškových úhlech, aby to bylo užitečné nebeská vlna („přeskočit“) komunikaci. Účinkem špatné vodivosti země je obecně naklonění vzoru nahoru, s maximální silou signálu při vyšším výškovém úhlu.

Vysílací antény

V delších vlnových délkách, kde se obvykle používají T-antény, nejsou elektrické charakteristiky antén pro moderní rádiové přijímače obecně kritické; příjem je omezen spíše přirozeným šumem než výkonem signálu přijímaným anténou.[5]

Vysílací antény se liší a napájecí bod impedance[C] je kritická: Kombinace reaktance a odporu v napájecím bodě antény musí být dobře přizpůsobeno impedanci napájecího vedení a za ním výstupní stupeň vysílače. Pokud se neshoduje, proud odeslaný z vysílače do antény se bude od místa připojení odrážet zpětně jako „zpětný proud“, který v nejhorším případě může vysílač poškodit a alespoň sníží výkon signálu vyzařovaného z antény.

Reaktance

Jakákoli monopolní anténa, která je kratší než 1/4λ má kapacitní reaktance; čím kratší je, tím vyšší je reaktance a tím větší je podíl napájecího proudu, který se odráží zpět k vysílači. Aby bylo možné efektivně řídit proud do krátké vysílací antény, musí být rezonanční (bez reaktance), pokud to horní část ještě neučinila. Kapacita je obvykle zrušena přidáním nakládací cívka nebo jeho ekvivalent; zatěžovací cívka je pro usnadnění přístupu obvykle umístěna na základně antény a je připojena mezi anténu a její napájecí vedení.

Jedno z prvních použití T-antén na počátku 20. století bylo na lodích, protože mohly být navlečeny mezi stožáry. Toto je anténa RMS Titanic, který vysílal záchranné volání během jejího potopení v roce 1912. Jednalo se o multiwire T s 50 m svislým drátem a čtyřmi 120 m vodorovnými dráty.

Horizontální horní část T-antény může také snížit kapacitní reaktanci v napájecím bodě a nahradit vertikální část, jejíž výška by byla asi 2/3 jeho délka;[9] pokud je dostatečně dlouhá, zcela eliminuje reaktanci a odstraňuje jakoukoli potřebu cívky v napájecím bodě.

Na střední a nízký frekvence, vysoká kapacita antény a vysoká indukčnost zátěžové cívky ve srovnání s nízkým radiačním odporem krátké antény způsobují, že se nabitá anténa chová jako vysoká Q vyladěný obvod s úzkou šířkou pásma, nad kterou zůstane dobře uzavřeno na přenosové vedení ve srovnání s a 1/4λ monopol.

Pro provoz ve velkém frekvenčním rozsahu musí být často nastavitelná zatěžovací cívka a nastavena při změně frekvence tak, aby byla omezena síla se odrážela zpět k vysílači. Výška Q také způsobuje vysoké napětí na anténě, které je zhruba v proudových uzlech na koncích vodorovného vodiče zhruba Q násobek napětí bodu řízení. Izolátory na koncích musí být navrženy tak, aby odolaly těmto napětím. U vysoce výkonných vysílačů je výstupní výkon často omezen nástupem koronový výboj z drátů.[10]

Odpor

Radiační odpor je ekvivalentní odpor antény v důsledku jejího vyzařování rádiových vln; u čtyřpásmového monopolu o plné délce je radiační odpor kolem 25ohm. Jakákoli anténa, která je krátká ve srovnání s provozní vlnovou délkou, má nižší radiační odolnost než delší anténa; někdy katastroficky, daleko za maximálním zlepšením výkonu poskytovaným T-anténou. Takže při nízkých frekvencích může mít i T-anténa velmi nízký radiační odpor, často menší než 1ohm,[5][11] takže účinnost je omezena dalšími odpory v anténě a zemním systému. Vstupní výkon se dělí mezi radiační odpor a „Ohmické“ odpory obvodu anténa + zem, hlavně cívka a zem. Odpor v cívce a zejména v uzemňovacím systému musí být udržován velmi nízký, aby se minimalizoval rozptýlený výkon.

Je vidět, že při nízkých frekvencích může být konstrukce nabíjecí cívky náročná:[5] musí mít vysokou indukčnost, ale velmi nízké ztráty na vysílací frekvenci (vysoká Q ), musí nést vysoké proudy, odolat vysokému napětí na neuzemněném konci a být nastavitelný.[7] Často je vyroben z litz drát.[7]

Při nízkých frekvencích vyžaduje anténa dobrý nízký odpor přízemní být efektivní. RF uzemnění je obvykle konstruováno jako a hvězda mnoha radiálních měděných kabelů zakopaných asi 1 stopu v zemi, vyčnívajících ze základny svislého drátu a spojených dohromady ve středu. Radiály by měly být v ideálním případě dostatečně dlouhé, aby přesahovaly posuvný proud oblast poblíž antény. Na VLF frekvencí se odpor půdy stává problémem a radiální zemní systém je obvykle zvednut a namontován několik stop nad zemí, izolován od něj, aby vytvořil protiváha.

Ekvivalentní obvod

Historická klecová T-anténa amatérské stanice v roce 1922; 60 stop vysoký a 90 stop dlouhý. Vodič je vyroben z klece se 6 dráty drženými od sebe dřevěnými rozmetadly; tato konstrukce zvýšila kapacitu a snížila se ohmický odpor. Dosáhlo transatlantických kontaktů na 1,5 MHz při výkonu 440 W.

Síla vyzařovaná (nebo přijímaná) elektricky krátkou vertikální anténou, jako je T-anténa, je úměrná druhé mocnině efektivní výška antény,[5] anténa by proto měla být co nejvyšší. Bez vodorovného vodiče by se distribuce vysokofrekvenčního proudu ve svislém vodiči nahoře lineárně snížila na nulu (viz výkres "A" výše), což poskytuje efektivní výšku poloviny fyzické výšky antény. S ideálním „nekonečným kapacitním“ vodičem s horním zatížením by byl proud ve svislém směru konstantní po celé jeho délce, což by poskytovalo efektivní výšku rovnající se fyzické výšce, čímž by se zvýšil výkon vyzařovaný čtyřnásobně. Takže výkon vyzařovaný (nebo přijímaný) T-anténou je až čtyřikrát větší než u vertikálního monopolu stejné výšky.

The radiační odolnost ideální T-antény s velmi velkou kapacitou při vysokém zatížení[6]

takže vyzařovaný výkon je

kde

h je výška antény,
λ je vlnová délka a
Já0 je RMS vstupní proud v ampérech.

Tento vzorec ukazuje, že vyzařovaný výkon závisí na součinu základního proudu a efektivní výšky, a používá se k určení, kolik „ampérmetrů“ je zapotřebí k dosažení daného množství vyzařovaného výkonu.

Ekvivalentní obvod antény (včetně zátěžové cívky) je sériová kombinace kapacitní reaktance antény, indukční reaktance zátěžové cívky a radiačního odporu a ostatních odporů obvodu anténa-země. Takže vstupní impedance je

Při rezonanci je kapacitní reaktance antény zrušena zatěžovací cívkou, takže vstupní impedance při rezonanci Z0 je jen součet odporů v anténním obvodu[12]

Takže účinnost η antény, poměr vyzářeného výkonu k příkonu z napájecího vedení, je

kde

RC je ohmický odpor vodičů antény (ztráty mědi)
RD je ekvivalentní sériové dielektrické ztráty
RL je ekvivalentní sériový odpor zatěžovací cívky
RG je odpor zemního systému
RR je radiační odolnost
C je kapacita antény na vstupních svorkách
L je indukčnost zatěžovací cívky
1,9 km (1,2 míle) více naladěná plochá anténa 17 kHz Vysílač Grimeton VLF, Švédsko.

Je vidět, že jelikož je radiační odpor obvykle velmi nízký, hlavním konstrukčním problémem je udržovat ostatní odpory v systému anténa-země nízké, aby se dosáhlo nejvyšší účinnosti.[12]

Několikanásobně vyladěná anténa

The více laděná plochá anténa je varianta T-antény používané ve vysokovýkonných nízkofrekvenčních vysílačích ke snížení ztrát zemního výkonu.[7] Skládá se z dlouhého kapacitního horního zatížení sestávajícího z několika paralelních vodičů podporovaných řadou přenosových věží, někdy dlouhých několik mil. Několik svislých drátů chladiče visí dolů z horního zatížení a každý je připevněn k vlastní zemi prostřednictvím nakládací cívky. Anténa je poháněna buď na jednom z vodičů radiátoru, nebo častěji na jednom konci horního zatížení, a to tím, že vodiče horního zatížení jsou vedeny diagonálně dolů k vysílači.[7]

I když jsou vertikální vodiče oddělené, vzdálenost mezi nimi je ve srovnání s délkou vln LF malá, takže proudy v nich jsou fázové a lze je považovat za jeden zářič. Protože proud antény proudí do země skrz N paralelní zátěžové cívky a uzemnění spíše než jedna, ekvivalentní zátěžová cívka a zemní odpor, a proto se výkon rozptýlený v zátěžové cívce a zemi sníží1⁄N jako jednoduchá T-anténa.[7] Anténa byla použita ve výkonných rádiových stanicích bezdrátová telegrafie éry, ale upadl v nemilost kvůli nákladům na více nabíjecích cívek.

Viz také

Poznámky pod čarou

  1. ^ Řecký dopis lambda, λ, je konvenční symbol pro vlnová délka.
  2. ^ Při rezonanci je proud ocasní částí sinusové části stojatá vlna. V monopolním „a“ je a uzel v horní části antény, kde musí být proud nulový. V T „b“ proud teče do vodorovného vodiče v obou směrech od středu, což zvyšuje proud v horní části svislého vodiče. The radiační odolnost a tedy vyzařovaný výkon v každém z nich je úměrný druhé mocnině plochy svislé části distribuce proudu.
  3. ^ Impedance je komplexní součet z reaktance a odpor; všechny z nich, samostatně nebo v kombinaci, omezují přenos proudu přes bránící elektrickou část a způsobují změny napětí v místě připojení.

Reference

  1. ^ A b Graf, Rudolf F. (1999). Moderní slovník elektroniky, 7. vydání. USA: Noví. str. 761. ISBN  0-7506-9866-7.
  2. ^ Chatterjee, Rajeswari (2006). Teorie a praxe antén, 2. vyd. New Delhi: New Age International. 243–244. ISBN  81-224-0881-8.
  3. ^ A b C d Rudge, Alan W. (1983). Příručka designu antény. 2. IET. str. 554, 578–579. ISBN  0-906048-87-7.
  4. ^ A b C Edwards, R.J. G4FGQ (1. srpna 2005). „Jednoduchá Tee anténa“. smeter.net. Knihovna návrhů antén. Citováno 23. února 2012.
  5. ^ A b C d E F G h i Straw, R. Dean, ed. (2000). Anténní kniha ARRL (19. vydání). USA: Americká rozhlasová liga. str. 6-36. ISBN  0-87259-817-9.
  6. ^ A b C d E Huang, Yi; Boyle, Kevin (2008). Antény: od teorie k praxi. John Wiley & Sons. 299–301. ISBN  978-0-470-51028-5.
  7. ^ A b C d E F Griffith, B. Whitfield (2000). Radio-Electronic Transmission Fundamentals, 2. vyd. USA: SciTech Publishing. 389–391. ISBN  1-884932-13-4.
  8. ^ Barclay, Leslie W. (2000). Šíření rádiových vln. Instituce elektrotechniků. 379–380. ISBN  0-85296-102-2.
  9. ^ Moxon, Les (1994). „Kapitola 12 VF antény“. V Biddulph, Dick (ed.). Příručka pro rádiovou komunikaci (6. vydání). Radio Society of Great Britain.
  10. ^ LaPorte, Edmund A. (2010). „Antenna Reactance“. vias.org (Virtual Institute of Applied Science). Rádiové anténní inženýrství. Citováno 24. února 2012.
  11. ^ Balanis, Constantine A. (2011). Příručka k moderní anténě. John Wiley & Sons. s. 2,8–2,9 (odst. 2.2.2). ISBN  978-1-118-20975-2.
  12. ^ A b LaPorte, Edmund A. (2010). „Radiační účinnost“. vias.org (Virtual Institute of Applied Science). Rádiové anténní inženýrství. Citováno 2012-02-24.