Ромбическая антенна: конструкция и характеристики

Введение

Ромбовидная антенна

Ромбовидная антенна состоит из четырех секций проволоки, подвешенных параллельно земле в форме алмаза или "ромба". Каждая из четырех сторон имеет одинаковую длину – примерно от четверти до одной длины волны на секцию – и сходится, но не соприкасается под углом около 42° как у питающего конца, так и у дальнего конца. Длина не является критичной, обычно составляет от одной до двух длин волн (λ), но для каждой конкретной длины и частоты существует оптимальный угол. Горизонтальная ромбовидная антенна излучает горизонтально поляризованные радиоволны под малым углом к горизонту с заостренных концов антенны. Если секции соединены резистором на одном из острых концов, антенна будет принимать и передавать сигналы только в направлении, куда указывает конец с резистором. Ее основные преимущества перед другими типами антенн – простота конструкции, высокий коэффициент усиления в заданном направлении, широкая полоса пропускания и возможность работы в широком диапазоне частот.

Описание

Ромбическая антенна состоит из одного или нескольких параллельных проводов, подвешенных над землей в форме "ромба" (алмаза). Длинные антенны обычно поддерживаются столбом или мачтой на каждой вершине, к которой провода крепятся с помощью изоляторов. Все четыре стороны имеют одинаковую длину. Длина не является критичной, обычно составляет от одной до двух длин волн (λ) от конца до конца, но для любой заданной длины и частоты существует оптимальный острый угол, под которым должны сходиться секции. Горизонтальная ромбическая антенна излучает горизонтально поляризованные радиоволны под малым углом возвышения от острого конца антенны, противоположного линии питания. Ее основные преимущества перед другими типами антенн – простота, высокий коэффициент усиления и широкая полоса пропускания, а также возможность работы в широком диапазоне частот. Обычно питание подается в одну из двух острых (более узких) вершин через сбалансированную линию передачи или, альтернативно, коаксиальный кабель с балуном. Конец проводов, сходящийся в противоположной вершине, либо остается разомкнутым (неподключенным), либо терминируется неиндуктивным резистором. При использовании резистора в качестве терминатора диаграмма направленности становится однонаправленной, с основным лепестком, направленным от терминированного конца, поэтому этот конец антенны ориентируется на предполагаемую приемную станцию или область. В разомкнутом состоянии ромбическая антенна является двунаправленной, с двумя противоположными лепестками от двух острых концов, однако она не является идеально двунаправленной. Ромбическая антенна может излучать под углами возвышения, близкими к горизонту, или под более высокими углами, в зависимости от ее высоты над землей относительно рабочей частоты и ее конструкции. Аналогично, ширина диаграммы направленности может быть узкой или широкой, в зависимости главным образом от ее длины. Небольшой угол излучения делает ее полезной для распространения радиоволн через небесную волну – режима наибольшей дальности для коротких волн, при котором радиоволны, направленные в небо у горизонта, отражаются от слоев ионосферы и возвращаются на Землю на большие расстояния за горизонт. Возможно улучшить низкую эффективность и коэффициент усиления однонаправленных ромбических антенн, заменив терминальный резистор на сбалансированную резонансную линию передачи с малыми потерями. Это возвращает мощность, которая была бы рассеяна в терминальном резисторе, обратно в антенну с правильной фазой для усиления возбуждения от передатчика. Эта схема может увеличить эффективность излучения передающих антенн до 70-80%, но при этом повышается сложность.

A rhombic antenna consists of one to several parallel wires suspended above the ground in a "rhombus" (diamond) shape. Long versions are typically supported by a pole or tower at each vertex to which the wires are attached by insulators. Each of the four sides is the same length. The length is not critical, typically from one to two wavelengths (λ) end to end, but for any given length and frequency, there is an optimum acute angle at which the sections should meet. A horizontal rhombic antenna radiates horizontally polarized radio waves at a low elevation angle off the acute end of the antenna opposite the feedline. Its principal advantages over other types of antenna are its simplicity, high forward gain and wide bandwidth, the ability to operate over a wide range of frequencies. It is typically fed at one of the two acute (sharper angle) vertices through a balanced transmission line, or alternatively a coaxial cable with a balun transformer. The end of the wires meeting at the opposite vertex is either left open (unconnected), or is terminated with a non inductive resistor. When resistor terminated, the radiation pattern is unidirectional, with the main lobe off the terminated end, so this end of the antenna is oriented toward the intended receiving station or region. When unterminated, the rhombic is bidirectional with two opposite lobes off the two acute ends, but is not perfectly bi directional. The rhombic antenna can radiate at elevation angles close to the horizon or at higher angles, depending on its height above ground relative to the operating frequency and its physical construction. Likewise, its beamwidth can be narrow or broad, depending primarily on its length. The shallow radiation angle makes it useful for skywave propagation, the longest distance mode for shortwave, in which radio waves directed into the sky at the horizon reflect from layers in the ionosphere and return to Earth far beyond the horizon. It is possible to improve the low efficiency and gain of unidirectional rhombics by replacing the termination resistor by a low loss balanced resonant stub transmission line. This reflects the power that would have been wasted in the termination resistor back into the antenna with the correct phase to reinforce the excitation from the transmitter. This circuit can increase the radiation efficiency of transmitting antennas to the 70 80% range, at the cost of increased complexity.

История

Ромбическая антенна была разработана в 1931 году Эдмондом Брюсом и Харальдом Фрисом. Чаще всего она использовалась в высокочастотном (HF) или коротковолновом диапазоне в качестве широкополосной направленной антенны. До Второй мировой войны ромбическая антенна была одним из самых популярных типов антенных решеток для высокочастотной связи точка-точка. После Второй мировой войны ромбические антенны в значительной степени утратили популярность в коротковолновом вещании и системах связи точка-точка, уступив место логарифмически-периодическим антеннам и антенным решеткам типа "занавес". Логарифмически-периодические антенны большего размера обеспечивают более широкий частотный диапазон при сравнимой с ромбическими антеннами диаграмме направленности. Антенные решетки типа "занавес" с распределенной подачей или HRS обеспечивают более четкую диаграмму направленности, возможность управления диаграммой по углу места и азимуту, значительно более высокую эффективность и существенно более высокий коэффициент усиления при меньших габаритах. Однако ромбические антенны используются в тех случаях, когда сочетание высокого коэффициента усиления в прямом направлении (несмотря на описанные выше потери) и большой рабочей полосы пропускания невозможно достичь другими способами, или когда требуется направленная антенна, но необходимо минимизировать затраты на строительство и установку. Помимо использования в качестве простой и эффективной передающей антенны (как описано выше), ромбическая антенна может также использоваться в качестве HF-приемной антенны с хорошим усилением и направленностью. Например, на приемной станции Crowsley Park, принадлежащей BBC Monitoring, установлены три ромбические антенны, ориентированные на прием сигналов с азимутов 37, 57 и 77 градусов.