Paraplyantenn
En paraplyantenn är en kapacitivt toppladdad trådmonopolantenn, som i de flesta fall består av en mast som matas vid markänden, till vilken ett antal radiella ledningar är anslutna upptill, lutande nedåt. De används som sändningsantenner under 1 MHz, i MF , LF och särskilt VLF- banden, vid frekvenser som är tillräckligt låga för att det är opraktiskt eller omöjligt att bygga en kvartsvågsmonopolantenn i full storlek. Den yttre änden av varje radiell tråd, som lutar ned från toppen av antennen, är ansluten med en isolator till ett bärande rep eller (vanligtvis) isolerad kabel som är förankrad i marken; de radiella vajrarna kan även stödja masten som insticksvajer . De radiella ledningarna gör att antennen ser ut som trådramen till ett gigantiskt paraply (utan duken) därav namnet.
Design
Antennen stöds av en central stålrörs- eller gallermast . Toppen av masten är fäst vid en ring av lika åtskilda radiella trådar som sträcker sig diagonalt till nära marken, där var och en är fäst med en töjningsisolator till en längd av icke-strålande vajer eller rep som är förankrad i marken. Paraplyvajrarna kan också fungera som konstruktionslinor för att stödja masten. Det finns flera olika metoder för att mata ström från sändaren till antennen:
Vid basmatning stöds masten på en tjock keramisk isolator som håller den isolerad från marken, och matningsledningen från sändaren är fäst vid mastens bas. Masten fungerar som monopols radiator. Alternativt, i högeffektantenner, är masten jordad, paraplytrådarna är isolerade där de ansluter till den centrala masten, och är fästa på vertikala radiatortrådar som hänger ner parallellt med masten som matas i botten. Denna konstruktion används i högeffektsantenner där den mycket höga spänningen på antennen skulle göra det svårt att isolera masten från marken.
Under antennen finns ett stort jordsystem (Earthing) kopplat till den motsatta sidan av matningsledningen, bestående av ledningar nedgrävda i jorden som sträcker sig radiellt från basen av masten ut till kanten av paraplytrådarna.
Omega navigationssystem antenn H, ett föråldrat radionavigeringssystem , Tsushima, Japan, 389 meter, byggd 1973. Sänds på 10–14 kHz.
Antenn för Radio Televisyen Malaysia (RTM), Tuaran , Sabah-distriktet, Malaysia
Omega Station E 428 meter antenn vid Chabrier, ön Réunion .
Toppen av 432 m mast på station G Omega antenn, Victoria, Australien, som visar isolatorer som fäster de 16 paraplytrådarna till masten
Alternativt, i radiell matning, kan antennen matas med ström genom att applicera sändarströmmen till ändarna av en eller flera av de radiella ledningarna istället för masten. I detta fall är den centrala masten jordad. Precis som med trådmatare undviker detta behovet av en maststödsisolator och kräver inte heller en isolator i strömkablarna för mastens flygvarningsljus . Denna konstruktion användes i tre stora paraplyantenner för det föråldrade Omega-navigationssystemet som fungerade vid 10–14 kHz , för att eliminera det mycket svåra problemet med att isolera mastbasen mot 200 kV-antennpotentialen.
Hur det fungerar
, eller de vertikala radiatortrådarna, fungerar som en resonansmonopolantenn . Vid de låga frekvenser som används är höjden på masten mycket mindre än dess resonanslängd, en kvarts våglängd ( så det gör en mycket elektriskt kort antenn; den har mycket låg strålningsmotstånd och utan topplastkablarna skulle den vara en mycket ineffektiv radiator. Den oscillerande strömmen från sändaren går upp i masten och delar sig ungefär lika mellan topplasttrådarna. Det reflekteras från ändarna av vajrarna och färdas tillbaka ner i masten. Den utgående och reflekterade strömmen överlagras och bildar en stående våg som består av en sinusvågs bakdel, där strömmen (och därmed strålningen) är låg.
På grund av jordreflektioner och den symmetriska placeringen av topplastkablarna, mätt långt från antennen, tar radiovågorna som utstrålas från de paraplyliknande ekertrådarna till stor del ut varandra, så själva ekertrådarna utstrålar nästan ingen radioeffekt. Istället fungerar paraplytrådarna som en kapacitiv topplast som ersätter en del eller hela kapacitansen som skulle tillhandahållas av toppen av en kvartsvågsmast i full längd. Jordledningarna nedgrävda eller nedlagda på jorden under antennen fungerar som motsvarande bottenplatta på den gigantiska "kondensatorn". Den extra kapacitansen ökar strömmen i den del av den vertikala masten som finns på grund av den extra laddning som krävs för att fylla och ladda ur toppbelastningen varje halva av RF-cykeln. I bästa fall kan detta fördubbla den totala strömmen och fyrdubbla den utstrålade effekten, vilket höjer signalen upp till 6 dB från nivån den skulle vara med en kort mast och ingen toppbelastning.
För att ställa in den stora kapacitiva reaktansen hos antennen och göra den resonant vid arbetsfrekvensen så att den kan matas effekt effektivt, placeras en stor induktor ( laddningsspole ) i matningsledningen i serie med antennen, vid dess bas. Den andra sidan av matningsledningen från sändaren är ansluten till jordsystemet. Antennen och spolen bildar en avstämd krets . Deras stora reaktans och låga motstånd ger vanligtvis antennen en hög Q-faktor , så den har en smal bandbredd som den kan arbeta över. I stora paraplyantenner som används i det mycket låga frekvensbandet kan antennens bandbredd vara mindre än 100 Hertz .
Nedan finns flera jordade paraplyantennvarianter som utvecklades av den amerikanska militären på 1970-talet för användning på lågfrekvensbandet .
Pan polar antenn
Nord antenn
Strålningsmönster
Paraplyantenner utstrålar vertikalt polariserade radiovågor i ett rundstrålande strålningsmönster , med lika kraft utsänd i alla horisontella riktningar, med maximal signalstyrka utstrålad i horisontella riktningar, fallande monotont med höjdvinkeln till noll i zenit. På grund av den stora toppbelastningen är de vanligtvis mer effektiva än de andra vanliga toppladdade antennerna, "flattop"- eller "T"-antennen, vid låga frekvenser, och används ofta i VLF- bandet.
Markvågor är vertikalt polariserade vågor som vandrar bort från antennen horisontellt precis ovanför marken. Därför är paraplyantenner bra markvågsantenner och används som radiosändningsantenner i MF- och LF -banden.
Förstärkningen av en paraplyantenn, liksom andra elektriskt korta monopolantenner, är ungefär 3,52 dBi om den är betydligt kortare än
Eftersom de diagonala ledningarna lutar nedåt har strömmen i dem en vertikal komponent. Denna ström är i motsatt riktning mot strömmen i masten, så långt från masten är radiovågorna som utstrålas av den 180° ur fas med radiovågorna från masten, och upphäver dem delvis. Således skyddar paraplytrådarna delvis masten, vilket minskar den utstrålade kraften. Med tillräckligt många paraplykablar blockeras alla radiovågor som sänds ut av masten ovanför paraplyets botten, och den enda strålningen kommer från delen av masten under paraplyet.
Ansökningar
På grund av sin stora kapacitiva topplast är paraplyantenner några av de mest effektiva antenndesignerna vid låga frekvenser och används för sändare i LF- och VLF -banden för navigationshjälpmedel och militär kommunikation. De är vanligt förekommande för kommersiella mellanvågs- och långvågs AM-sändningsstationer . Paraplyantenner med höjder på 15–460 meter är i drift. - paraplyantennerna . är trideco-antennerna (nedan) byggda för VLF marinsändningsstationer som kommunicerar med nedsänkta ubåtar Åtta paraplyantenner 350 meter höga används i en array vid den tyska VLF-kommunikationsanläggningen, som arbetar vid cirka 20 kHz med hög strålningseffektivitet trots att de är mindre än 1/40 våglängds höga . [ citat behövs ]
Med den fortskridande världsomspännande adoptionen av två nya amatörradioband på 630 meter och 2200 meter , har amatörer med tillräcklig fastighet återupptagit användningen av denna design.
Trideco antenn
Trideco -antennen är en enorm specialiserad paraplyantenn som används i ett fåtal militära sändare med hög effekt vid mycket låg frekvens ( VLF). I en konventionell paraplyantenn har användningen av de lutande trådarna som kapacitiv topplast några nackdelar: För det första, eftersom paraplytrådarna måste förankras i marken, är deras längd begränsad. Vid låga frekvenser är längden på topplastkablar som krävs mycket längre än vad som kan användas för dragvajer, utan extra stödmaster skulle ledningarna hänga ner till marken. För det andra, eftersom ledningarna lutar, har strömmen i dem en vertikal komponent. Denna vertikala ström är i motsatt riktning mot strömmen i masten, så radiovågorna som utstrålas av den är 180° ur fas med maststrålningen och avbryter den delvis.
I trideco-designen sträcker sig topplasttrådarna horisontellt från toppen av den centrala masten, stödda av en ring av 12 master som omger den centrala masten, för att skapa en "kondensatorplatta" parallell med jorden, driven i mitten. Topplasttrådarna är i form av sex rombformade (diamant)formade paneler som sträcker sig symmetriskt från den centrala masten i vinklar på 60°, vilket ger antennen formen av en sexuddig stjärna sett uppifrån. Istället för att använda själva centralmasten som radiator, kopplas varje panel till en vertikal radiatortråd bredvid den centrala masten, och de sex radiatortrådarna matas i fas vid basen. Detta eliminerar det svåra problemet med att isolera masten från marken vid de extremt höga spänningar som används. Det möjliggör också möjligheten att stänga av strömmen till en av panelerna och sänka den till marken för underhåll medan resten av antennen är igång. Nedgrävt i marken under antennen ligger ett enormt radiellt jordsystem, som bildar kondensatorns bottenplatta med den övre lasten. Antennen måste vara mycket stor vid de VLF-frekvenser som används; de stödjande masterna är 250–300 meter (820–980 fot) höga, och topplasten är cirka 1 900 meter (6 200 fot) i diameter.
Trideco-antennen utvecklades för sjösändare med hög effekt, som sänder på frekvenser mellan 15 och 30 kHz med effekter upp till 2 megawatt, för att kommunicera med nedsänkta ubåtar över hela världen. Det är den mest effektiva antennkonstruktionen som hittills hittats för detta frekvensområde, och uppnår verkningsgrader på 70-80% där andra VLF-antennkonstruktioner har en verkningsgrad på 15-30% på grund av det låga strålningsmotståndet hos den mycket elektriskt korta monopolen . Antennen uppfanns av Boynton Hagaman från Development Engineering Co. (DECO) och installerades först i Cutler, Maine 1961. Inspirationen till designen var paraplyantennen till den 1 megawatts Goliath-sändare som byggdes av Nazitysklands flotta 1943 i Kalbe , Sachsen-Anhalt , Tyskland. Idag finns trideco-antenner på ett fåtal militärbaser runt om i världen, som Cutlers flotta radiostation i Maine, USA, Harold E. Holt Naval Communication Station , Exmouth, Australien, och Anthorn Radio Station , Anthorn, Storbritannien. En modifierad 3-panelsantenn fanns på NSS Annapolis , Annapolis, Maryland, USA men togs ur drift 1990.
Historia
Paraplyantenner uppfanns under den trådlösa telegrafi- eran, omkring 1900 till 1920, och användes med gnistgap-sändare på långvågsband för att överföra information med morsekod . Låga frekvenser användes för transkontinental kommunikation på långa avstånd, och antenner var elektriskt korta , så kapacitivt toppladdade antenner användes. Paraplyantenner utvecklades från stora kapacitiva flertrådsantenner som användes av Guglielmo Marconi under hans ansträngningar att uppnå tillförlitlig transatlantisk kommunikation.
En av de första antennerna som använde denna design var den rörformade 420 fot (130 m) masten som restes 1905 av Reginald Fessenden för hans experimentella gnistgapssändare i Brant Rock, Massachusetts, med vilken han gjorde den första tvåvägs transatlantiska överföringen, som kommunicerade med en identisk antenn i Machrihanish , Skottland. Ledningarna som var fästa i toppen (antingen 4 eller 8, beroende på källa) var elektriskt anslutna till masten och sträcktes diagonalt ner till ytan, där de isolerades från marken. Ett annat tidigt exempel är paraplyantennen som byggdes 1906 av Adolf Slaby vid Nauen Transmitter Station , Tysklands första långdistansradiostation, bestående av en 100 meter (330 fot) stålgallertorn med 162 paraplykablar fästa på toppen, förankrade av hampa linor till marken 200 m från tornet. Små paraplyantenner användes i stor utsträckning med bärbara sändare av militära signalkårer under första världskriget , eftersom det inte fanns någon möjlighet att sätta upp fullstora kvartsvågsantenner.
Paraplyantenner användes på de flesta OMEGA Navigation System- sändare, som fungerade runt 10 kHz, på Decca Navigator -stationer och på LORAN-C- stationer, som arbetade vid 100 kHz med centrala master cirka 200 meter höga, innan dessa system stängdes av.
externa länkar
- Bild på paraplyantennen "Goliath" . j-hawkins.com (bild).
