T-anten - T-antenna

WOR / 710 AM'nin Carteret, New Jersey'deki tesisinin 1935 tarihli fotoğrafı . Bu durumda üç radyatör vardır: ortada asılı iki kule ve merkez T-anten. Birlikte, lobları New York ve Philadelphia'ya doğru olan bir şekil-8 deseni ürettiler.
Erken AM istasyonu WBZ, Springfield, Massachusetts, 1925 Multiwire T yayın anteni

Bir T-anteni , T hava , düz tepe anteni , dın anten , ya da (kapasitif) üst yüklenen anten a, monopol radyo anteni ile üst bağlı enine kapasitif yükleme teller. T-antenler tipik olarak VLF , LF , MF ve kısa dalga bantlarında kullanılır ve amatör radyo istasyonları ve uzun dalga ve orta dalga AM yayın istasyonları için verici antenler olarak yaygın olarak kullanılır . Kısa dalga dinleme için alıcı antenler olarak da kullanılabilirler .

Anten, iki destekleyici radyo direği veya bina arasında asılı duran ve uçlarından izole edilmiş bir veya daha fazla yatay telden oluşur . Yatay tellerin merkezine dikey bir tel bağlanır ve vericiye veya alıcıya bağlı olarak yere yakın sarkar . Kombine olarak, iki bölüm bir ' T ' şekli oluşturur, dolayısıyla adı. Verici gücü, dikey telin alt kısmı ile bir toprak bağlantısı arasına uygulanır veya alıcı bağlanır.

T-anten , kapasitif üstten yüklemeli bir monopol anten işlevi görür ; bu kategorideki diğer antenler arasında ters L , şemsiye ve triyatik antenler bulunur. 1920'den önce kablosuz telgraf çağında, radyonun ilk on yıllarında icat edildi .

Nasıl çalışır

1 MHz'in altındaki frekanslarda, antenin tel bölümlerinin uzunluğu genellikle çeyrek dalga boyundan daha kısadır [ 1/4λ ≈ 125 metre (410 ft) ] ,rezonansaulaşan en kısa düz tel uzunluğu. Bu durumda, bir T-anten, kapasitif üstten yüklemelidikey,elektriksel olarak kısa bir monopol antenolarak işlev görür.

Dikey tek kutuplu anten "a" ve T-anten "b"deki RF akım dağılımları (kırmızı) , yatay telin dikey yayılan telin verimliliğini artırmaya nasıl hizmet ettiğini gösterir. Herhangi bir noktada tele dik olan kırmızı alanın genişliği akımla orantılıdır.

'T'nin üst kısmındaki yatay telin sol ve sağ bölümleri eşit fakat zıt yönlü akımlar taşır. Bu nedenle, antenden uzakta, her bir tel tarafından yayılan radyo dalgaları, diğeriyle 180° faz dışıdır ve yerden yansıyan radyo dalgalarının benzer bir iptali ile birlikte diğer telden gelen dalgalarla birlikte iptal etme eğilimindedir. Böylece yatay teller neredeyse hiç radyo gücü yaymaz.

Bunun yerine yatay tellerin amacı antenin üst kısmındaki kapasitansı arttırmaktır . RF akımının döngüsü sırasında bu kapasitansı şarj etmek ve boşaltmak için dikey telde daha fazla akım gerekir. Dikey teldeki artan akımlar ( sağdaki çizime bakın ) antenin radyasyon direncini ve dolayısıyla yayılan radyo gücünü etkili bir şekilde arttırır . Yatay üst yük teli, belirli bir temel akım için yayılan gücü 2 ila 4 kat (3 ila 6 dB ) artırabilir  . Sonuç olarak, T anteni, aynı yükseklikteki basit bir dikey monopolden daha fazla güç yayabilir. Benzer şekilde, bir alıcı T anteni, aynı gelen radyo dalgası sinyal gücünden dikey antenin yapabileceğinden daha fazla gücü kesebilir.

Bununla birlikte, T-anteni hala tipik olarak tam yükseklikte bir anten kadar verimli değildir. 1/4λ dikey monopol ve daha yüksek bir Q'ya ve dolayısıyla daha dar bir bant genişliğine sahiptir . T-antenler tipik olarak tam boyutlu bir çeyrek dalga yüksek dikey anten inşa etmenin pratik olmadığı ve dikey yayılan telin genellikle çok elektriksel olarak kısa olduğu düşük frekanslarda kullanılır: Dalga boyunun yalnızca küçük bir kısmı,1/10λ veya daha az. Elektriksel olarak kısa bir anten, kapasitif olan bir baz reaktansına sahiptirve verici antenlerde, anteni rezonans yapmak içinek bir yükleme bobini tarafından ayarlanmalıdır, böylece güç verimli bir şekilde beslenebilir.

T anten türleri: (A) basit, (B) çok telli, (C) kafes T-anten, akımı teller arasında daha eşit dağıtarak direnci düşürür. Kırmızı kısımlar yalıtkan , kahverengi kısımlar ise destek direkleridir.

Daha fazla kablo eklendikçe üst yük kapasitansı artar, bu nedenle dikey telin bağlandığı merkezde birbirine bağlanan birkaç paralel yatay tel sıklıkla kullanılır. Kapasitans artmasına rağmen, her bir telin elektrik alanı komşu tellerin alanlarına çarptığından, tel sayısı ile orantılı olarak artmaz: Eklenen her tel, azalan ek kapasitans sağlar .

radyasyon modeli

Dikey tel asıl yayılan eleman olduğundan, anten , tüm azimut yönlerinde eşit güçle, çok yönlü bir radyasyon modelinde dikey olarak polarize radyo dalgaları yayar . Yatay telin ekseni çok az fark yaratır. Güç, yatay yönde veya sığ bir yükselme açısında maksimumdur, başucunda sıfıra düşer. Bu, onu dikey polarizasyonlu yer dalgaları olarak yayılan LF veya MF frekanslarında iyi bir anten yapar , ancak aynı zamanda gökyüzü dalgası ("atlama") iletişimi için faydalı olmak için daha yüksek yükseklik açılarında yeterli gücü yayar . Zayıf zemin iletkenliğinin etkisi, genellikle, daha yüksek bir yükseklik açısında maksimum sinyal gücü ile deseni yukarı eğmektir.

verici antenler

Tipik olarak T antenlerinin kullanıldığı daha uzun dalga boyu aralıklarında, antenlerin elektriksel özellikleri, modern radyo alıcıları için genellikle kritik değildir; alım, alıcı anten tarafından toplanan sinyal gücünden ziyade doğal gürültü ile sınırlıdır.

Verici antenler farklıdır ve besleme noktası empedansı kritiktir: Anten besleme noktasındaki reaktans ve direnç kombinasyonu , besleme hattının empedansına ve bunun ötesinde, vericinin çıkış aşamasına iyi uyum sağlamalıdır . Uyumsuz ise, vericiden antene gönderilen akım, bağlantı noktasından geriye doğru "geri tepme akımı" olarak yansır, bu da en kötü ihtimalle vericiye zarar verebilir ve en azından antenden yayılan sinyalin gücünü azaltır.

Reaktans

Daha kısa olan herhangi bir monopol anten 1/4λ bir sahiptir kapasitif reaktans ; ne kadar kısa olursa, reaktans o kadar yüksek olur ve vericiye geri yansıtılacak olan besleme akımının oranı o kadar büyük olur. Akımı kısa bir verici antene verimli bir şekilde yönlendirmek için, üst kısım henüz yapmadıysa, rezonanslı (reaktanssız) yapılmalıdır. Kapasitans genellikle ilave bir yükleme bobini veya eşdeğeri ileiptal edilir; yükleme bobini geleneksel olarak erişilebilirlik için antenin tabanına yerleştirilir ve anten ile besleme hattı arasına bağlanır.

20. yüzyılın başlarında T-antenlerin ilk kullanımlarından biri, direkler arasına asılabileceğinden gemilerdeydi. Bu, 1912'de batması sırasında kurtarma çağrısını yayınlayan RMS Titanic'in anteni . Bu, 50 m dikey kablolu ve dört 120 m yatay kablolu çok telli bir T idi.

Bir T-antenin yatay üst kısmı, yüksekliği yaklaşık olarak yaklaşık olan dikey bir bölümün yerine, besleme noktasındaki kapasitif reaktansı da azaltabilir. 2/3 uzunluğu; yeterince uzunsa reaktansı tamamen ortadan kaldırır ve besleme noktasında herhangi bir bobin ihtiyacını ortadan kaldırır.

En orta ve düşük frekanslarda yüksek anten kapasite ve kısa anten düşük radyasyon dayanıklılığı ile karşılaştırıldığında yükleme bobinin yüksek endüktanslı, yüksek gibi yüklü anten davranmaya yapar S ayarlı devrenin olarak kalır, üzerinde dar bir bant genişliğine sahip, iyi ile karşılaştırıldığında , iletim hattına uygun1/4λ monopol.

Geniş bir frekans aralığında çalışmak için, yükleme bobini genellikle ayarlanabilir olmalı ve frekans değiştirildiğinde vericiye geri yansıyan gücü sınırlamak için ayarlanmalıdır . Yüksek Q, aynı zamanda, yatay telin uçlarındaki akım düğümlerinde maksimum olan, yaklaşık olarak sürüş noktası voltajının Q katı olan anten üzerinde yüksek bir voltaja neden olur . Uçlardaki yalıtkanlar bu gerilimlere dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Yüksek güçlü vericilerde çıkış gücü genellikle tellerden korona deşarjının başlamasıyla sınırlıdır .

Direnç

Radyasyon direnci , radyo dalgalarının radyasyonu nedeniyle bir antenin eşdeğer direncidir; tam uzunlukta bir çeyrek dalga monopol için radyasyon direnci yaklaşık 25  ohm'dur . Çalışma dalga boyuna kıyasla kısa olan herhangi bir anten, daha uzun bir antenden daha düşük radyasyon direncine sahiptir; bazen felaket bir şekilde, bir T-anten tarafından sağlanan maksimum performans iyileştirmesinin çok ötesinde. Bu nedenle, düşük frekanslarda bir T-anten bile çok düşük radyasyon direncine sahip olabilir, genellikle 1 ohm'dan daha azdır  , bu nedenle verimlilik anten ve toprak sistemindeki diğer dirençlerle sınırlıdır. Giriş gücü , başta bobin ve toprak olmak üzere anten+toprak devresinin radyasyon direnci ve 'ohmik' dirençleri arasında bölünür . Bobinlerdeki ve özellikle topraklama sistemindeki direnç, içlerinde harcanan gücü en aza indirmek için çok düşük tutulmalıdır.

Düşük frekanslarda, yükleme bobininin tasarımının zorlayıcı olabileceği görülebilir: yüksek endüktansa sahip olmalı, ancak iletim frekansında (yüksek Q ) çok düşük kayıplara sahip olmalı, yüksek akımlar taşımalı, topraklanmamış ucunda yüksek voltajlara dayanmalı ve ayarlanabilir olun. Genellikle litz telinden yapılır .

Düşük frekanslarda antenin verimli olması için iyi bir düşük dirençli toprak gerekir. RF topraklaması tipik olarak , dikey telin tabanından dışarı uzanan ve merkezde birbirine bağlanan, toprağa yaklaşık 1 fit gömülü birçok radyal bakır kablonun bir yıldızı olarak inşa edilir . Radyaller ideal olarak antenin yakınındaki yer değiştirme akımı bölgesinin ötesine uzanacak kadar uzun olmalıdır . En VLF frekansları toprak direnci bir sorun haline gelir, ve radyal zemin sistemi genellikle yükseltilmiş ve meydana getirmek üzere, bu izole yerden birkaç ayak, monte edilmiş karşı denge .

Eşdeğer devre

1922'de amatör bir istasyonun tarihi kafes T-anteni; 60 ft yüksekliğinde 90 ft uzunluğunda. İletken, ahşap yayıcılar tarafından ayrı tutulan 6 telden oluşan bir kafesten yapılmıştır; bu yapı kapasitansı artırdı ve omik direnci azalttı . 440 W gücünde 1.5 MHz'de transatlantik temaslar sağladı.

T anteni gibi elektriksel olarak kısa dikey bir anten tarafından yayılan (veya alınan) güç , antenin etkin yüksekliğinin karesiyle orantılıdır , bu nedenle anten mümkün olduğunca yüksek yapılmalıdır. Yatay tel olmadan, dikey teldeki RF akım dağılımı , antenin fiziksel yüksekliğinin yarısı kadar bir efektif yükseklik vererek , üstte lineer olarak sıfıra düşecektir ( yukarıdaki "a" çizimine bakınız ). İdeal bir "sonsuz kapasitans" üst yük kablosuyla, dikeydeki akım, uzunluğu boyunca sabit olacak ve fiziksel yüksekliğe eşit etkili bir yükseklik verecek ve dolayısıyla yayılan gücü dört kat artıracaktır. Bu nedenle, bir T-anten tarafından yayılan (veya alınan) güç, aynı yükseklikteki dikey bir monopolünkinin dört katına kadardır.

Radyasyon direnci çok büyük üst yükleme kapasitesine sahip bir yere T antenin olduğu

yani yayılan güç

nerede

h antenin yüksekliğidir,
λ dalga boyudur ve
I 0 , amper cinsinden RMS giriş akımıdır.

Bu formül, yayılan gücün taban akımının ve efektif yüksekliğin çarpımına bağlı olduğunu gösterir ve belirli bir miktarda yayılan gücü elde etmek için kaç 'metre-amper' gerektiğini belirlemek için kullanılır.

Antenin eşdeğer devresi (yükleme bobini dahil), antenin kapasitif reaktansı, yükleme bobininin endüktif reaktansı ve anten-toprak devresinin radyasyon direnci ve diğer dirençlerinin seri kombinasyonudur. Yani giriş empedansı

Rezonans, giriş empedansı, böylece rezonans de antenin kapasitif reaktans yükleme bobini tarafından iptal edilir Z 0 anten devresine dirençler sadece toplamıdır

Dolayısıyla antenin verimliliği η , yayılan gücün besleme hattından gelen giriş gücüne oranı,

nerede

R C , anten iletkenlerinin Ohmik direncidir (bakır kayıpları)
R D eşdeğer seri dielektrik kayıplardır
R L , yükleme bobininin eşdeğer seri direncidir
R G , topraklama sisteminin direncidir.
R R radyasyon direncidir
C , giriş terminallerindeki antenin kapasitansıdır
L , yükleme bobininin endüktansıdır
17 kHz Grimeton VLF vericisinin 1,9 km (1.2 mil) çoklu ayarlı düz anteni , İsveç

Görüldüğü gibi, radyasyon direnci genellikle çok düşük olduğundan, en yüksek verimi elde etmek için ana tasarım probleminin anten-toprak sistemindeki diğer dirençleri düşük tutmak olduğu görülmektedir.

Çoklu ayarlı anten

Çok ayarlı düz tepeli anten , toprak güç kayıplarını azaltmak için yüksek güçlü düşük frekanslı vericilerde kullanılan T-anteninin bir çeşididir. Bazen birkaç mil uzunluğunda bir iletim kulesi hattı tarafından desteklenen çoklu paralel kablolardan oluşan uzun bir kapasitif üst yükten oluşur. Birkaç dikey radyatör kablosu, her biri bir yükleme bobini aracılığıyla kendi toprağına bağlı olan üst yükten sarkar. Anten, ya radyatör kablolarından birinde ya da daha sık olarak üst yükün bir ucunda, üst yükün kablolarını çapraz olarak vericiye getirerek sürülür.

Dikey teller ayrılsa da aralarındaki mesafe LF dalgalarının uzunluğuna göre küçük olduğundan içlerindeki akımlar aynı fazdadır ve tek bir radyatör gibi düşünülebilir. Anten akımı bir yerine N paralel yükleme bobini ve topraklama yoluyla toprağa aktığından , eşdeğer yükleme bobini ve toprak direnci ve dolayısıyla yükleme bobininde ve toprakta harcanan güç, basit bir T'ninkinin 1N'sine düşürülür. -anten. Anten, kablosuz telgraf döneminin güçlü radyo istasyonlarında kullanıldı, ancak çoklu yükleme bobinlerinin maliyeti nedeniyle gözden düştü.

Ayrıca bakınız

Dipnotlar

Referanslar