Beverage-antenne

De Beverage-antenne of “golfantenne” is een langdraad ontvangende antenne die voornamelijk wordt gebruikt in de frequentiebanden voor lage frequentie en middenfrequentie , uitgevonden door Harold H. Beverage in 1921. [1] Het wordt gebruikt door amateurradio , kortegolf luisteren en longwave radio DXers en militaire toepassingen.

Een drankantenne bestaat uit een horizontale draad van een halve tot meerdere golflengten lang (honderden voeten op HF tot meerdere kilometers voor langegolf) opgehangen boven de grond, met de toevoerleiding naar de ontvanger aan het ene uiteinde en de andere afgesloten via een weerstand naar de grond . [2] [3] De antenne heeft een unidirectioneel stralingspatroon met de hoofdlob van het patroon in een ondiepe hoek in de lucht vanaf het uiteinde met de weerstandsafsluiting, waardoor het ideaal is voor het ontvangen van lange-afstands skywave (skip) -transmissies van stations over de horizon die de ionosfeer reflecteert. De antenne moet echter zo worden gebouwd dat de draad naar de locatie van de zender wijst.

De voordelen van de Beverage zijn uitstekende gerichtheid en een grotere bandbreedte dan resonante antennes. De nadelen zijn de fysieke grootte, die een aanzienlijke oppervlakte vereist, en het onvermogen om te draaien om de richting van de ontvangst te veranderen. Installaties gebruiken vaak meerdere antennes om een ​​brede azimutdekking te bieden.

Geschiedenis 

Harold H. Beverage experimenteerde met het ontvangen van antennes vergelijkbaar met de Beverage-antenne in 1919 op het Otter Cliffs Radio Station . [4] [5] Hij ontdekte in 1920 dat een anders bijna bidirectionele langdraadantenne unidirectioneel wordt door hem dicht bij de losse aarde te plaatsen en een einde van de draad te eindigen met een weerstand.Tegen 1921 was Beverage langegolf-ontvangstantennes tot 14 kilometer lang geïnstalleerd bij River River, New York, [6] Belfast, Maine, [7] Belmar, New Jersey, [8] en Chatham, Massachusetts. , [9] ontvangststations voor transatlantisch radiotelegrafieverkeer . De antenne was in 1921 gepatenteerd en vernoemd naar de uitvinder Beverage. [10] Misschien werd de grootste drankantenne – een reeks van vier gefaseerde dranken [11] drie mijlen (5 km) lang en drie kilometer breed – gebouwd door AT & T in Houlton, Maine , voor het eerste transatlantische telefoonsysteem [ 12] geopend in 1927.

Beschrijving 

Animatie die laat zien hoe de antenne werkt. Vanwege grondweerstand staat het elektrische veld van de radiogolf ( E, grote rode pijlen ) onder een hoek θ ten opzichte van de verticaal, waardoor een horizontale component evenwijdig aan de antennedraad ontstaat ( kleine rode pijlen ) . Het horizontale elektrische veld creëert een lopende golf van oscillerende stroom ( I, blauwe lijn ) en spanning langs de draad, die in amplitude toeneemt met de afstand vanaf het einde.Wanneer deze het aangedreven einde (links) bereikt , gaat de stroom door de transmissielijn naar de ontvanger. Radiogolven in de andere richting, in de richting van het uiteinde, creëren bewegende golven die worden geabsorbeerd door de afsluitende weerstand R , zodat de antenne een unidirectioneel patroon heeft.

Een drankantenne die kan worden geïmproviseerd voor militaire veldcommunicatie, uit een 1995 US Army field manual. In plaats van geaard te zijn, is de weerstand bevestigd aan een tweede onderste draad die dient als een tegengewicht , een kunstmatige grond voor de zender. De hoofdlob van de antenne, de richting van de grootste gevoeligheid, bevindt zich rechts van het uiteinde van de draad dat is afgesloten in de weerstand.

De drankantenne bestaat uit een horizontale draad van een halve tot meerdere golflengten lang, opgehangen dicht bij de grond, meestal 10 tot 20 voet hoog, in de richting van de signaalbron gericht. [3] [2] Aan het einde van de signaalbron wordt deze door een weerstand afgesloten voor massa ongeveer gelijk in waarde aan de karakteristieke impedantie van de antenne die wordt beschouwd als een transmissielijn, gewoonlijk 400 tot 800 ohm. Aan de andere kant is het verbonden met de ontvanger met een transmissielijn, via een balun om de lijn aan te passen aan de karakteristieke impedantie van de antenne.

Bediening 

In tegenstelling tot andere draadantennes zoals dipool- of monopoolantennes die werken als resonators , waarbij de radiostromen in beide richtingen langs het element lopen, heen en weer tussen de uiteinden stuiterend als staande golven , is de drankantenne een lopende golfantenne ; de radiofrequentie stroom reist in één richting langs de draad, in dezelfde richting als de radiogolven. [3] [2] [13] Het ontbreken van resonantie geeft het een bredere bandbreedte dan resonante antennes. Het ontvangt verticaal gepolariseerde radiogolven, maar in tegenstelling tot andere verticaal gepolariseerde antennes hangt het dicht bij de grond en vereist enige weerstand in de grond om te werken.

De Beverage-antenne is afhankelijk van “wave tilt” voor de werking ervan. [14] Bij lage en gemiddelde frequenties houdt een verticaal gepolariseerde radiofrequentie- elektromagnetische golf die zich dicht bij het aardoppervlak met eindige geleidbaarheid van de grond voortbeweegt, een verlies vast dat ervoor zorgt dat het golffront onder een hoek “kantelt”. [3] [2] [13] Het elektrische veld staat niet loodrecht op de grond maar staat onder een hoek en produceert een elektrische veldcomponent evenwijdig aan het aardoppervlak. Als een horizontale draad dicht bij de aarde hangt en ongeveer evenwijdig aan de richting van de golf, genereert het elektrische veld een oscillerende HF-stroomgolf die langs de draad beweegt, zich voortplantend in dezelfde richting als het golffront. De RF-stromen die langs de draad lopen voegen in fase en amplitude over de lengte van de draad toe, en produceren maximale signaalsterkte aan het verre uiteinde van de antenne waar de ontvanger is aangesloten.

De antennekabel en de grond eronder kunnen samen worden gezien als een “lekkende” transmissielijn die energie van de radiogolven absorbeert. [13] De snelheid van de huidige golven in de antenne is minder dan de snelheid van het licht als gevolg van de grond. De snelheid van het golffront langs de draad is ook minder dan de snelheid van het licht vanwege de hoek. Onder een bepaalde hoek θ max zijn de twee snelheden gelijk. Onder deze hoek is de versterking van de antenne maximaal, dus het stralingspatroon heeft een hoofdlob op deze hoek. De hoek van de hoofdlob is [15]

 {\ displaystyle \ theta _ {\ text {max}} = \ arccos {\ biggl (} 1 – {\ frac {\ lambda} {2L}} {\ biggr)},}

waar

 {\ displaystyle L} is de lengte van de antennedraad,
 {\ displaystyle \ lambda} is de golflengte.

De antenne heeft een unidirectioneel ontvangstpatroon, omdat HF-signalen die uit de andere richting komen, vanaf het ontvangereinde van de draad, stromen induceren die zich voortplanten in de richting van het afgesloten einde, waar ze worden geabsorbeerd door de afsluitende weerstand.

Gain 

Terwijl Beverage-antennes een uitstekende gerichtheid hebben, omdat ze dicht bij de lossy Earth zitten, produceren ze geen absolute winst; hun versterking is typisch van -20 tot -10 dBi. Dit is zelden een probleem, omdat de antenne wordt gebruikt op frequenties met veel atmosferische radiogeluid. Bij deze frequenties bepaalt de atmosferische ruis, en niet de ruis van de ontvanger, de signaal-ruisverhouding, zodat een inefficiënte antenne kan worden gebruikt. De antenne wordt niet gebruikt als een zendantenne, omdat een groot deel van het aandrijfvermogen wordt verspild in de afsluitweerstand [16]

De richting neemt toe met de lengte van de antenne. Terwijl de richtingsgevoeligheid zich begint te ontwikkelen bij een lengte van slechts 0,25 golflengte, wordt richtvermogen significanter bij één golflengte en verbetert gestaag totdat de antenne een lengte van ongeveer twee golflengten bereikt. In dranken langer dan twee golflengten neemt de gerichtheid niet toe omdat de stromen in de antenne niet in fase kunnen blijven met de radiogolf.

Implementatie 

Een enkeldraads antenne is meestal een enkele rechte koperdraad , die tussen de helft en twee golflengten lang is, parallel aan het aardoppervlak loopt in de richting van het gewenste signaal. De draad wordt opgehangen door geïsoleerde steunen boven de grond. [17] Een niet-inductieve weerstand die ongeveer gelijk is aan de karakteristieke impedantie van de draad, ongeveer 400 tot 600 ohm, is vanaf het uiteinde van de draad verbonden met een aardstaaf. Het andere uiteinde van de draad is verbonden met de voedingslijn naar de ontvanger. [18]

Een dual-wire variant wordt soms gebruikt voor achterwaartse nulsturing of voor bidirectioneel schakelen. De antenne kan ook worden geïmplementeerd als een reeks van 2 tot 128 of meer elementen in broadside- , endfire- en trapsgewijze configuraties, die een significant verbeterde richtingsgevoeligheid bieden die anders zeer moeilijk te bereiken is bij deze frequenties. Een drankversie van vier elementen / versprongen Beverage-array werd door AT & T gebruikt op hun longwave-telefoonontvangerlocatie in Houlton, Maine . Zeer grote gefaseerde Beverage-arrays van 64 elementen of meer zijn geïmplementeerd voor het ontvangen van antennes voor radarsystemen die zich over de horizon bevinden . nodig citaat ]

De aandrijfimpedantie van de antenne is gelijk aan de karakteristieke impedantie van de draad ten opzichte van aarde, ergens tussen 400 en 800 ohm, afhankelijk van de hoogte van de draad. Typisch zou een lengte van 50 ohm of 75-ohm coaxiale kabel worden gebruikt voor het verbinden van de ontvanger met het antenne-eindpunt. Een passende transformator moet worden ingevoegd tussen een dergelijke laagohmige transmissielijn en de hogere 470-ohm impedantie van de antenne. [19]