3. ПЕРЕДАЮЩИЕ АНТЕННЫ ДИАПАЗОНА VLF/LF

 

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

В предыдущей главе было сказано, что в диапазоне VLF реализуемы только передающие антенны с вертикальной поляризацией. Для получения последней на ВЧ диапазонах обычно применяют четвертьволновые вертикальные монополи, устанавливаемые на земле. Однако даже на частоте 60 кГц (верхняя границе диапазона частот, используемых для связи с подводными лодками) высота такого излучателя составит 1250 метров, что абсолютно нереализуемо, а на частоте 14 кГц (нижняя границе диапазона частот, используемых для связи с подводными лодками) он уже будет иметь высоту более 4-х километров. Поэтому на практике в диапазоне VLF/LF применяют вертикальные антенны максимально возможной по конструктивным и строительным соображениям высоты (180-458 метров), электрически удлиняемые до четверти длины волны с помощью катушек индуктивности, включаемых последовательно в нижней точке, и системы проводников, включаемых в верхней точке, образующих антенное полотно, выполняющее функцию емкостной (по отношению к земле) нагрузки для излучателя (см. схему 1 на рис.3.1). Выход передатчика может подключаться к излучателю как непосредственно (между землей и удлиняющей индуктивностью), так и по трансформаторной схеме через дополнительную обмотку удлиняющей индуктивности. Для настройки излучателя в резонанс параллельно или последовательно с удлиняющей индуктивностью включают вариометр или другой элемент с регулируемым реактивным сопротивлением.

базовые принципы реализации VLF/LF антенны с вертикальной поляризацией

Рис.3.1. Базовые принципы реализации VLF/LF антенн с вертикальной поляризацией

АП - антенное полотно, ВИ - вертикальный излучатель, Lу - удлиняющая индуктивность, Cу - удлиняющая емкость, G - передатчик.

 

Для повышения пропускной способности антенн по мощности используется схема с несколькими излучателями, питаемыми от общего передатчика либо снизу по наземному фидеру (схема 2), как, например, антенные секции радиостанции Jim Creek, либо сверху через антенное полотно (антенна Александерсона, схема 3), как, например, в антенне радиостанции Yosami.

Рассматриваемые в настоящем обзоре антенны отличаются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам, в тои числе по числу и способу запитки излучателей, по конфигурации антенного полотна и по способу его поддержания на заданной высоте - с помощью мачт соответствующей высоты, с помощью возвышений естественно рельефа или путем комбинации данных способов. К особым категориям, не подпадающим под данные классифиационные признаки, могут быть отнесены тросовые антенны, поднимаемые с помощью аэростатов или выпускаемые с самолетов. Кроме того, уже долгое время ведутся работы по исследованию возможностей создания эффективных ионосферных антенн, использующих принцип модуляции ионосферных токов излучением с наземных станций типа HAARP. Краткая характеристика данных особых категорий будет дана в отдельном параграфе. Основная же часть настоящей главы посвящена только и исключительно наземным VLF антеннам.

К основным параметрам VLF антенн, по которым ведется их сравнение и оценивается их эффективность, являются КПД, эффективная (действующая) высота, сопротивления излучения и потерь, в т.ч. заземления, ширина полосы пропускания, максимальные токи в ее излучателях и максимальные напряжения на ее элементах, в первую очередь на антенном полотне. Эти параметры для значительной части антенн доступны из их описаний в приложениях A - N. Поэтому здесь далее рассмотрим основные типы используемых и использовавшихся антенн только в плане систематизации архитектурно-схемотехнических решений в разрезе упомянутых выше классификационных признаков.

 

3.2. АНТЕННА TRIATIC МАРКОНИ

Антенна triatic Маркони представляет собой вертикальный провод, выполняющий роль вертикального излучателя, соединенный в верхней точке с антенным полотном емкостной нагрузки, выполненным из группы параллельных проводников, закрепленных на поперечных тросах, растянутых между несколькими парами мачт (рис. 3.2). На концах полотно может сужаться с соединением всех его проводников в одной точке и крепиться к одиночным мачтам или к якорям, расположенным на земле. В качестве мачт обычно использовались свободностоящие мачты высотой порядка 600 футов. Главным недостатком этих антенн была их крайне низкая физическая высота, из-за чего были низкими КПД и эффективная (действующая) высота. Попытки же компенсировать указанные ограничения увеличением мощности передатчика приводили к недопустимому росту токов и напряжений в элементах конструкции.

конфигурация VLF антенн triatic Маркони

Рис.3.2. Конфигурация VLF антенн triatic Маркони

 

Первоначально многие VLF антенны для связи с подводными лодками имели именно такие конфигурации. Как правило, это были антенны, уже построенные ранее для других целей. Часть из них после перепрофилирования модернизировались с целью повышения мощности излучения, в т.ч. увеличивались размеры антенных полотен путем удлинения проводников с добавлением необходимого числа мачт. В ряде случаев добавлялись и дополнительных излучатели с верхним питанием от антенного полотна, после чего антенна приобретали признаки антенны Александерсона (см. ниже).

Triatic Маркони использовалась на станциях Annapolis (до 1932 годв), Lualualei (до 1950 года), Summit (Balboa) и Aguada (до 1970 года),

Термин «triatic Маркони» используется только применительно к VLF антеннам. Его происхождение не совсем ясно. Triatic в английском языке - это веревка, натянутая между верхушками мачт корабля. Очевидно, первые антенны triatic представляли собой именно такую конфигурацию - провод, натянутый между верхушками мачт. VLF антенна представляет собой более сложную конструкцию, чем простая веревка, поэтому к термину triatic добавляют фамилию Маркони, очевидно, позиционируя его как изобретателя данной антенны, что, вообще говоря, достоверно не подтверждено.

 

3.3. АНТЕННА АЛЕКСАНДЕРСОНА

Антенна Александерсона отличается от антенны triatic Маркони только лишь наличием дополнительных излучателей, питаемых сверху от антенного полотна (рис.3.3). По замыслу изобретателя (см. патент US-1360167) данная конфигурация должна была обеспечить антенне совершенно беспрецедентные свойства, в т.ч. увеличение излучаемой мощности пропорционально числу излучателей без увеличения мощности передатчика и получение направленной диаграммы излучения. Однако единственным, хотя и важным практическим преимуществом антенны Александерсона является разделение мощности передатчика между излучателями, работающими, с учетом длины волны и расстояния между ними, практически синфазно как один виртуальный излучатель. Такое распределение мощности снижает электрическую нагрузку на элементы антенны - геликсы, излучатели и антенное полотно, что при прочих равных условиях (высота, емкость антенного полотна и величина удлиняющей индуктивности излучателей) позволяет повысить пропускную способность антенны по мощности и тем самым повысить потолок максимально-допустимой мощности передатчика.

конфигурация VLF антенны Александерсона

Рис.3.3. Конфигурация VLF антенны Александерсона

 

По схеме Александерсона с двумя излучателями были построены антенны радиостанций Yosami, Ebino, Lualualei (с 1950 до конца 1960-х годов), а также секции антенны радиостанции Sainte-Assise (последние условно, т.к. их антенные полотна имеют иную конфигурацию). Схему Александерсона, но уже с четырьмя излучателями, могут иметь и антенны радиостанций Геркулес и Datong (спутниковые фото не позволяют дать однозначную оценку). К схеме Александерсона относится также антенна радиостанции Changde, на которой до модернизации использовалось 4 излучателя, а при модернизации их число было увеличено.

 

3.4. АНТЕННА ГУТЦМАННА

Конфигурация данной антенны изобретена и защищена блоком из 3-х патентов немецким инженером Гутцманном. Она реализована под его руководством на немецкой радиостанции Goliath в разгар Второй Мировой Войны в 1943 году. Сам автор в своих патентах называл ее вариантом антенны Александерсона, поскольку в ней присутствуют как основные излучатели, запитываемые снизу, так и дополнительные, запитываемые сверху от основных через индивидуальные антенные полотна. От антенны Александерсона она отличается тем, что фактически представляет собой три антенны Александерсона, являющиеся секциями одной антенны, расположенные звездой и запитанные от одного передатчика, при этом антенные полотна секций имеют вид плоских зонтиков, «спицы» которых отходят от вершин дополнительных излучателей (рис.3.4).

конфигурация VLF антенны Гутцмана

Рис.3.4. Конфигурация VLF антенны Гутцманна

 

Данная конфигурация VLF антенны в дальнейшем получила распространение только в СССР, в т.ч. как вывезенный из Германии военный трофей на станциях Голиаф, а также на вновь построенных по данной схеме станциях Антей, Атлант и Прометей

За счет использования шести излучателей антенна Гутцманна способна излучать очень большую мощность. Так, на радиостанции Goliath в Германии она питалась от мегаваттного передатчика. После вывоза в СССР ее мощность со временем была доведена до двух мегаватт, а на самой мощной из вновь построенных по данной схеме станции Атлант - до четырех мегаватт.

 

3.5. АНТЕННА VALLEY SPAN

Полотно антенны valley span (англ. - пролет через долину) удерживается на высоте путем крепления его к точкам на естественных возвышенностях, в основном, окружающих ущелья, долины, каньоны и пр. Такая схема позволяет с минимальными затратами получать как большие высоты подвеса, так и большие размеры проводников емкостной нагрузки. При этом, как правило, используется несколько излучателей, питаемых по общему фидеру снизу, каждый из которых имеет собственную емкостную нагрузку в виде одиночного длинного провода - перемычки. В таком варианте антенна valley span представляет собой группу работающих параллельно Т-образных антенн.

Первой антенной такого типа стала антенна радиостанции Haiku, спешно построенная амеркианцами на Гавайях в начале ВМВ. Высота подвеса ее полотна в самой низшей точке составляла 457 м. Следующей станцией стала Jim Creek с высотой подвеса в наинизшей точке 471 м.

конфигурация VLF антенн Valley Span

Рис.3.5. Конфигурация VLF антенн Valley Span

 

Конфигурация valley span используется также на радиостанциях Novika Gidelskas (длина полотна 2380 м), Tavolara (периметр полотна около 3 км) и Changde. Частично данная схема используется на радиостанции Criggion, где наряду с мачтами используются якоря, установленные на возвышенности, у подножия которой расположена станция.

 

3.6. АНТЕННА TRIDECO

Антенная схема Trideco является разработкой американской компании DECO Electronics (откуда и «deco» в наименовании). Она была впервые применена на радиостанции Cutler и затем многократно успешно протиражирована на других станциях мира - в Австралии, в Европе, в Азии и даже в СССР.

Антенна trideco фактически является совокупностью из 6-ти однотипных антенн, каждая из которых имеет вертикальный излучатель из провода с верхней емкостной нагрузкой в виде ромба, образованного восемью проводами, растянутым между центральной и двумя рядами периферийных мачт. Провода излучателей удерживаюся центральной мачтой, а их лепестки равномерно распределены по окружности и удерживаются центральной мачтой и мачтами ближнего (r) и дальнего (R) радиусов (рис.3.6).

конфигурация VLF антенны Trideco

Рис.3.6. Конфигурация VLF антенны Trideco

 

Кроме радиостанции Cutler антенны Trideco используются на радиостанциях Harold E.Holt, Kattobomman, Anthorn, Rosnay и Геракл.

По электрическим параметрам антенна trideco сопоставима с антенной Гутцманна, однако по затратам смотрится более выгодной, т.к. имеет на 6 мачт (13 против 19-ти) и на три геликса (1 против 4-х) меньше. В пользу ее меньшей стоимости говорит и тот факт, что для строительства самой последней VLF станции в СССР Геракл была выбрана именно эта схема, а не многократно протиражированная ранее схема антенны Гутцманна.

 

3.7. ЗОНТИЧНАЯ АНТЕННА

Зонтичные антенны широко применяются с конца 19 - начала 20 веков. Они просты по конструкции, требуют минимума затрат и являются единственным типом, применяемым для связи с подводными лодками в диапазоне LF, в т.ч. они используются на LF радиостанциях Awase, Grindavik, Niscemi и Dixon. Антенны этих станций однотипны и представляют собой изолированные от земли решетчатые мачты-излучатели высотой от 186 до 305 метров, от вершин которых вниз под углом около 45 градусов опускаются провода (до 16) емкостной нагрузки (рис.3.7).

конфигурация зонтичной LF/VLF антенны

Рис.3.7. Конфигурация зонтичной LF/VLF антенны

 

Однако параметры антенн такого типа для диапазона VLF при высоте мачт даже 300 метров неприемлемы из-за невозможности создать при такой высоте зонтик требуемой емкости. Поэтому главной задачей при создании зонтичных антенн для диапазона VLF является установка мачты максимально возможной высоты, за счет чего уменьшается величина потребной емкостной нагрузки и увеличивается площадь «зонтика», а значит и его емкость относительно земли.

Первой VLF антенной зонтичного типа стала антенна последней модернизации (1969 года) радиостанции Annapolis. Высота ее мачты составила 366 метров, что по опыту создания последующих станций близко к минимально-необходимой высоте зонтичных VLF антенн. Однако из-за ограниченности площади антенного поля зонтик емкостной нагрузки получился корявым по форме, малым по площади, высоко расположенным над землей и с явно недостаточным числом проводников. В результате модернизированная станция не получила заметного прироста излучаемой мощности.

Следующая зонтичная VLF антенна была построена по проекту фирмы DECO Electronics при модернизации радиостанции Aguada. Высота ее мачты составила 365 метров, но зонтик получился уже большей площади. Однако и ее параметры не были впечатляющими и в 1995 году она была перепрофилирована на диапазон LF

Опыт создания данных антенн был учтен, и при модернизации радиостанции Lualualei, где в 1972 году по проекту той же DECO Electronics были запущена сдвоенная VLF антенна из двух одномачтовых зонтичных антенн фантастической высоты 458 м. Этой высоты хватило с запасом для получения нужных результатов, к тому же за счет параллельной работы двух антенн появилась возможность прокачивать в эфир существенно бОльшие мощности. Почти полная копия такой сдвоенной зонтичной антенны была сооружена на радиостанции Kattabomman при ее модернизации в 2014 году. Кроме того, сдвоенная антенна такого типа, но с мачтами меньшей высоты (380 м) стоит на радиостанции Bafa, а одиночная антенна с мачтой высотой 365 метров - на радиостанции Scelton.

Особо следует отметить радиостанцию Rhauderfehn, на которой при минимально-необходимой высоте мачт (352.8 м) сооружены две антенные секции из 4-х зонтичных антенн каждая, запитанных от отдельных синхрофазированных передатчиков.

 

3.8. АНТЕННЫ ОСОБЫХ КАТЕГОРИЙ

К антеннам особых категорий относятся антенны, не являющиеся антеннами полнстью наземного базирования, в частности упомянутые аэростатные, самолетные и ионосферныe.

Аэростатные антенны

Аэростатные антенны отличаются тем, что верхний конец их одиночного вертикального излучателя, выполненного из металлического кабель-троса, удерживается на заданной высоте с помощью аэростата. Аэростатные антенны использовались в СССР с конца 40-х годов на LF/VLF радиостанциях малой и средней мощности для связи с подводными лодками в локальных акваториях Черного, Балтийского, Белого, Баренцева, Охотского и Японского морей. Они располагались в Крыму (в Балаклаве), на Черноморском побережье Кавказа (в Поти), во Владивостоке, Мурманске и в ряде других мест СССР и обеспечивали зоны покрытия с радиусом в несколько сотен (до 1000 - 1500) километров.

Практика разработки и применения аэростатных антенн показала, что единственным их достоинством является возможность быстрого развертывания и передислокации, т.е. мобильность. В остальном по всем показателям они уступают стационарным антеннам и имеют массу эксплуатационных проблем, связанных с ветроустойчивостью, статическим электричеством, организацией заземления, защитой от поражения противником, высотой подъема и пр. По этим причинам они сохранили актуальность на сегодняшний день, в том числе продолжают совершенствоваться, только как антенны мобильных радиостанций.

конфигурация и проблематика аэростатных антенн

Рис.3.8. Конфигурация и проблематика аэростатных антенн

 

Самолетные антенны

Самолетные передающие VLF антенны устанавливаются на самолетах-ретрансляторах - на американских Геркулесах и Боингах системы TACAMO и на отечественных ТУ-142 МР. Условия и возможности размещения супермощных передатчиков и антенн VLF диапазона на самолетах совершенно иные, нежели на земле, поэтому используемые в самолетных VLF антеннах решения не имеют ничего общего с решениями, используемыми на стационарных антеннах. Главным отличием является использование в качестве излучателей тросов длиной чуть более четверти длины волны (порядка восьми с небольшим км), спускаемые с самолетов вниз к водной поверхности. Для их выпуска и сматывания применяются сверхскоростные лебедки, а для поддержания в положении, близком к вертикальному, их закручивают спиралью, для чего самолеты барражируют по кругу малого радиуса. В связи с отсутствием естественной земли антенны снабжаются выпускаемыми противовесами, занимающими перпендикулярное по отношению к излучателям положение.

Кроме этих главных принципиальных отличий имеется специфика и по всем остальным аспектам, в т.ч. по обеспечению прочности тросовых антенн четвертьволновой длины в условиях мощного воздействия аэродинамических сил, минимизации их массы, защиты от статического и атмосферного электричества, согласования с передатчиком и т.п.

Более подробно о самолетах - VLF ретрансляторах, их антеннах и передатчиках см. в отдельной главе настоящего обзора.

VLF антенна самолета-ретранслятора

Рис.3.9. VLF антенна самолета-ретранслятора.

(источник иллюстраций nuclearcompanion.com)

Ионосферные антенны

Ионосферные антенны - перспективное направление, исследуемое давно, еще со времен создания первых комплексов модифицирования ионосферы мощным высокочастотным излучением наземных станций. Принцип их действия основан на модулировании мощных ионосферных токов - джетов, естественным образом присутствующих в авроральных и экваториальных областях ионосферы. Явление модуляции джетов впервые наблюдалось при экспериментах на отечественном комплексе в Зименках, позднее более подробно исследовалось на комплексе СУРА, а также вошло в качестве одного из главный объектов исследования в исследовательскую программу комплекса HAARP.

В настоящее время нет открытых данных, достоверно свидетельствующих о применении ионосферных антенн для связи с подводными лодками где-либо, однако есть косвенные данные, наводящие на предположение, что с очень малой вероятностью такая антенна могла быть реализована в рамках радиостанции PNS Hameed в Пакистане.

Более подробно о модифицировании ионосферы радиоизлучением с наземных станций см. в обзоре HAARP: Что это было на самом деле?

антенное поле комплекса HAARP и принцип модифицирования ионосферы по Б.Дж.Истлунду

Рис.3.10. Антенное поле комплекса HAARP и принцип модифицирования ионосферы по патенту его изобретателя Б.Истлунда - Укротителя Плазмы и Повелителя Небес

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 12.10.2021 Последнее изменение - нет

© Janto 2021 Все права защищены