Antena parasolowa - Umbrella antenna
Parasol antena jest pojemnościowo załadunkiem od góry przewód Monopole anteny , składający się w większości przypadków na maszcie podawany w koniec od strony masy, której pewna liczba przewodów promieniowych są połączone u góry skośnie w dół. Są one używane jako anteny nadawcze poniżej 1 MHz, w pasmach MF , LF, a szczególnie VLF , na częstotliwościach wystarczająco niskich, że zbudowanie pełnowymiarowej ćwierćfalowej anteny jednobiegunowej jest niepraktyczne lub niewykonalne. Zewnętrzny koniec każdego promieniowego drutu, nachylony od góry anteny, jest połączony izolatorem z liną podtrzymującą lub (zwykle) izolowanym kablem zakotwiczonym do ziemi; druty promieniowe mogą również wspierać maszt jako druty odciągowe . Promieniste druty sprawiają, że antena wygląda jak rama gigantycznego parasola – bez tkaniny – stąd nazwa.
Projekt
Antena jest wsparta na centralnym stalowym maszcie rurowym lub kratowym . Wierzchołek masztu jest przymocowany do pierścienia z równomiernie rozmieszczonych drutów promieniowych rozciągających się ukośnie do ziemi, z których każdy jest przymocowany za pomocą izolatora naprężeń do odcinka niepromieniującego drutu lub liny, która jest zakotwiczona do ziemi. Linki parasola mogą również służyć strukturalnie jako linki odciągowe do podtrzymywania masztu. Istnieje kilka różnych metod dostarczania mocy z nadajnika do anteny:
W zasilaniu podstawowym maszt wsparty jest na grubym izolatorze ceramicznym, który izoluje go od gruntu, a przewód zasilający z nadajnika jest przymocowany do podstawy masztu. Maszt służy jako grzejnik monopolowy. Alternatywnie, w antenach dużej mocy, maszt jest uziemiony, przewody parasola są izolowane w miejscu połączenia z masztem centralnym i są przymocowane do pionowych przewodów promiennikowych zwisających równolegle do masztu, które są podawane od dołu. Taka konstrukcja stosowana jest tam, gdzie waga masztu jest tak duża, że izolator podparcia podstawy byłby kosztowny i groziłby awarią. Pod anteną znajduje się duży system uziemienia połączony z przeciwną stroną linii zasilającej, składający się z przewodów zakopanych w ziemi, rozciągających się promieniowo od podstawy masztu do krawędzi przewodów parasola.
Schemat anteny parasolowej z zasilaniem podstawowym. Te czerwone cylindry są izolatorami. Pod anteną schowany jest system uziemienia z drutu promieniowego (nie pokazano) .
Antena H systemu nawigacyjnego Omega , przestarzałego systemu radionawigacyjnego , Tsushima, Japonia, 389 metrów, rok budowy 1973. Transmitowana na 10-14 kHz.
Antena Radio Televisyen Malaysia (RTM), Tuaran, dystrykt Sabah, Malezja
Antena stacji E Omega o długości 428 metrów w Chabrier na wyspie Reunion.
Szczyt masztu 432 m anteny stacji G Omega, Victoria, Australia, pokazujący izolatory mocujące 16 przewodów parasola do masztu
Dolne podajniki są używane na głównej antenie VLF Trideco w stacji radiowej Anthorn, ponieważ centralny maszt kratowy nie jest izolowany od ziemi. Podajniki są również elementami promieniującymi.
Alternatywnie, w przypadku zasilania promieniowego, antena może być zasilana poprzez przyłożenie prądu nadajnika do końców jednego lub więcej przewodów promieniowych zamiast do masztu. W tym przypadku maszt centralny jest uziemiony. Podobnie jak w przypadku podajników drutu, pozwala to uniknąć konieczności stosowania izolatora wsporczego masztu, a także nie wymaga izolatora w przewodach zasilających dla lamp ostrzegawczych masztu . Konstrukcja ta została wykorzystana w trzech dużych antenach parasolowych dla przestarzałego systemu nawigacyjnego Omega, który pracował z częstotliwością 10-14 kHz, aby wyeliminować bardzo trudny problem izolacji podstawy masztu od potencjału anteny 200 kV.
Jak to działa
Pionowy maszt, odizolowany od ziemi, lub pionowe przewody promiennikowe, pełni funkcję rezonansowej anteny jednobiegunowej . Przy stosowanych niskich częstotliwościach wysokość masztu jest znacznie mniejsza niż długość rezonansowa, jedna czwarta długości fali ( ), co sprawia, że antena jest bardzo krótka pod względem elektrycznym ; ma bardzo niską odporność na promieniowanie i bez przewodów obciążonych od góry byłby bardzo nieefektywnym radiatorem. Prąd oscylacyjny z nadajnika wędruje w górę masztu i dzieli się w przybliżeniu równo między przewody obciążenia od góry. Odbija się od końców drutów i schodzi z powrotem w dół masztu. Prąd wychodzący i odbity nakładają się, tworząc falę stojącą składającą się z części ogonowej fali sinusoidalnej . Ze względu na symetryczne rozmieszczenie przewodów i odbicia od ziemi, fale radiowe emitowane przez przewody parasola w dużej mierze tłumią daleko od anteny, więc same przewody nie emitują dużej mocy radiowej. Zamiast tego przewody parasola działają jako pojemnościowe obciążenie górne, zwiększające pojemność w górnej części anteny. Pojemność zwiększa prąd w pionowym maszcie ze względu na dodatkowy prąd wymagany do ładowania i rozładowywania pojemności obciążenia od góry w każdym cyklu RF, zwiększając wypromieniowaną moc. Zakopane przewody uziemiające pod anteną pełnią funkcję dolnej płyty „kondensatora”.
Aby dostroić dużą reaktancję pojemnościową anteny i sprawić, by była ona rezonansowa na częstotliwości roboczej, aby mogła być efektywnie zasilana, duża cewka indukcyjna ( cewka ładująca ) jest umieszczona w linii zasilającej szeregowo z anteną, u jej podstawy. Druga strona linii zasilającej z nadajnika jest podłączona do systemu naziemnego. Antena i cewka tworzą obwód strojony . Ich duża reaktancja i niska rezystancja zwykle dają antenie wysoki współczynnik Q , a więc ma wąskie pasmo, w którym może pracować. W dużych antenach parasolowych używanych w paśmie bardzo niskich częstotliwości , szerokość pasma anteny może być mniejsza niż 100 Hz.
Poniżej przedstawiono kilka wariantów uziemionych anten parasolowych na maszcie, opracowanych przez wojsko USA w latach 70. XX wieku do użytku w paśmie niskich częstotliwości .
Antena polarna pan
Antena Nord
Charakterystyka promieniowania
Anteny parasolowe emitują fale radiowe spolaryzowane pionowo w dookólnej charakterystyce promieniowania , z jednakową mocą emitowaną we wszystkich kierunkach poziomych, z maksymalną mocą sygnału promieniowanego w kierunkach poziomych, opadającym monotonicznie z kątem elewacji do zera w zenicie. Ze względu na duże obciążenie od góry są one zwykle bardziej wydajne niż inne powszechnie stosowane anteny od góry, antena typu flattop lub T , przy niskich częstotliwościach i są szeroko stosowane w paśmie VLF .
Fale naziemne to fale o polaryzacji pionowej, które oddalają się od anteny poziomo tuż nad ziemią. Dlatego anteny parasolowe są dobrymi antenami na fale przyziemne i są używane jako anteny radiowe w pasmach MF i LF.
Zysk anteny parasola, tak jak inne elektrycznie krótkich anteny jednobiegunowej, wynosi około 3,52 dBi Jeżeli jest ona znacznie mniejsza niż .
Ponieważ przewody ukośne są pochylone w dół, prąd w nich ma składową pionową. Prąd ten jest w kierunku przeciwnym do prądu na maszcie, tak daleko od masztu promieniowane przez niego fale radiowe są o 180° przesunięte w fazie z falami radiowymi z masztu i częściowo je znoszą. W ten sposób przewody parasola częściowo osłaniają maszt, zmniejszając wypromieniowaną moc. Przy wystarczającej liczbie przewodów parasola wszystkie fale radiowe emitowane przez część masztu nad spodem parasola są zablokowane, a jedyne promieniowanie pochodzi z części masztu poniżej parasola.
Aplikacje
Ze względu na duże pojemnościowe obciążenie od góry, anteny parasolowe są jednymi z najbardziej wydajnych konstrukcji anten przy niskich częstotliwościach i są wykorzystywane w nadajnikach w pasmach LF i VLF do pomocy nawigacyjnych i komunikacji wojskowej. Są one powszechnie stosowane w komercyjnych stacjach nadawczych AM na falach średnich i długich . Działają anteny parasolowe o wysokości od 15 do 460 metrów. Największymi antenami parasolowymi są anteny trideco (poniżej) zbudowane dla morskich stacji nadawczych VLF, które komunikują się z zanurzonymi okrętami podwodnymi. Osiem anten parasolowych o wysokości 350 metrów jest używanych w szyku w niemieckim obiekcie komunikacyjnym VLF, działającym z częstotliwością około 20 kHz z wysoką wydajnością promieniowania, mimo że mają one mniej niż 1 ⁄ 40 długości fali.
Wraz z postępującym światowym przyjęciem dwóch nowych amatorskich pasm radiowych na 630 metrach i 2200 metrach , amatorzy posiadający odpowiednie nieruchomości wznowili korzystanie z tego projektu.
Antena Trideco
Trideco antena jest ogromny parasol wyspecjalizowane antena używana w kilku nadajników dużej mocy wojskowych przy bardzo niskiej częstotliwości (VLF). W konwencjonalnej antenie parasolowej użycie pochylonych przewodów odciągowych jako pojemnościowego obciążenia od góry ma pewne wady: Po pierwsze, ponieważ przewody parasolowe muszą być zakotwiczone do podłoża, ich długość jest ograniczona. Przy niskich częstotliwościach wymagana długość przewodów obciążenia od góry jest znacznie dłuższa niż w przypadku przewodów odciągowych, bez dodatkowych masztów podpierających przewody zwisałyby do ziemi. Po drugie, ponieważ przewody są pochyłe, prąd w nich ma składową pionową. Ten pionowy prąd jest przeciwny do prądu w maszcie, więc promieniowane przez niego fale radiowe są o 180° przesunięte w fazie z promieniowaniem masztu i częściowo je znoszą.
W projekcie trideco przewody obciążenia od góry biegną poziomo od szczytu centralnego masztu, wspierane przez pierścień 12 masztów otaczających centralny maszt, tworząc „płytę kondensatora” równoległą do Ziemi, napędzaną w środku. Przewody ładowane od góry mają postać sześciu romboidalnych (rombowych) paneli wystających symetrycznie z centralnego masztu pod kątem 60 °, nadając antenie postać sześcioramiennej gwiazdy, patrząc z góry. Zamiast używać samego masztu centralnego jako grzejnika, każdy panel jest podłączony do pionowego przewodu grzejnikowego znajdującego się obok centralnego masztu, a sześć przewodów grzejnikowych jest doprowadzanych fazowo u podstawy. Eliminuje to trudny problem izolacji masztu od ziemi przy stosowanych ekstremalnie wysokich napięciach. Pozwala również na wyłączenie zasilania jednego z paneli i opuszczenie go na ziemię w celu konserwacji podczas pracy reszty anteny. Zakopany w ziemi pod anteną jest ogromny, promieniowy system uziemienia, który tworzy dolną „płytę” kondensatora z górnym obciążeniem napowietrznym. Antena musi być bardzo duża na używanych częstotliwościach VLF; maszty nośne mają 250-300 metrów (820-980 stóp) wysokości, a górne obciążenie ma około 1900 metrów (6200 stóp) średnicy.
Antena trideco została opracowana dla nadajników morskich dużej mocy, które nadają na częstotliwościach od 15 do 30 kHz z mocą do 2 megawatów, aby komunikować się z zanurzonymi okrętami podwodnymi na całym świecie. Jest to najbardziej wydajna konstrukcja anteny znaleziona do tej pory dla tego zakresu częstotliwości, osiągająca sprawność 70-80%, podczas gdy inne konstrukcje anten VLF mają sprawność 15-30% ze względu na niską odporność na promieniowanie bardzo krótkiego elektrycznie monopolu. Inspiracją dla projektu była antena parasolowa 1 megawatowego nadajnika Goliath zbudowanego przez marynarkę wojenną nazistowskich Niemiec w 1943 roku w Kalbe w Niemczech. Antena została wynaleziona przez Boynton Hagaman z Development Engineering Co. (DECO) i po raz pierwszy zainstalowana w Cutler w stanie Maine w 1961 roku. Obecnie anteny trideco znajdują się w kilku bazach wojskowych na całym świecie, takich jak radiostacja morska Cutler w Maine w USA, Harold E. Holt Naval Communication Station w Exmouth w Australii oraz Anthorn Radio Station w Anthorn w Wielkiej Brytanii. Zmodyfikowana 3-panelowa antena znajdowała się w NSS Annapolis , Annapolis, Maryland, USA, ale została wycofana z eksploatacji w 1990 roku.
Historia
Anteny parasolowe zostały wynalezione w erze telegrafii bezprzewodowej , około 1900-1920 i używane z nadajnikami iskiernikowymi na pasmach długofalowych do przesyłania informacji za pomocą kodu Morse'a . Niskie częstotliwości były używane do komunikacji międzykontynentalnej na duże odległości, a anteny były elektrycznie krótkie , więc zastosowano anteny pojemnościowe ładowane od góry. Anteny parasolowe opracowane z dużych wieloprzewodowych anten pojemnościowych używanych przez Guglielmo Marconiego w jego wysiłkach zmierzających do osiągnięcia niezawodnej komunikacji transatlantyckiej.
Pierwszą anteną, która wykorzystała tę konstrukcję, był prawdopodobnie maszt rurowy o długości 130 metrów, wzniesiony w 1905 r. przez Reginalda Fessendena dla jego eksperymentalnego nadajnika z iskiernikami w Brant Rock w stanie Massachusetts, za pomocą którego dokonał pierwszej dwukierunkowej transmisji transatlantyckiej, komunikując się z identyczna antena w Machrihanish w Szkocji. Przewody przymocowane do góry (po 4 lub 8 w zależności od źródła) były elektrycznie połączone z masztem i rozciągnięte po przekątnej do powierzchni, gdzie były izolowane od ziemi. Innym wczesnym przykładem jest antena parasolowa zbudowana w 1906 roku przez Adolfa Slaby'ego w Nauen Transmitter Station , pierwszej niemieckiej stacji radiowej dalekiego zasięgu, składającej się z 100-metrowego stalowego grzejnika kratowego z 162 kablami parasolowymi przymocowanymi do góry, zakotwiczonymi w konopiach liny do ziemi 200 m od wieży. Małe anteny parasolowe były szeroko stosowane z przenośnymi nadajnikami przez wojskowy korpus sygnałowy podczas I wojny światowej , ponieważ nie było możliwości ustawienia pełnowymiarowych anten ćwierćfalowych.
Anteny parasolowe były używane w większości nadajników OMEGA Navigation System , pracujących około 10 kHz, na stacjach Decca Navigator oraz na stacjach LORAN-C , pracujących z częstotliwością 100 kHz z centralnymi masztami o wysokości około 200 metrów, zanim te systemy zostały wyłączone.
