Монопольная антенна

редактировать

Типичная монопольная антенна мачтового излучателя AM- радиостанции в Чапел-Хилл, Северная Каролина. Сама мачта подключена к передатчику и излучает радиоволны. Он установлен на керамическом изоляторе, чтобы изолировать его от земли. Другой терминал передатчика подключен к системе заземления, состоящей из кабелей, проложенных под полем.

Монополь антенна представляет собой класс радиоантенны, состоящую из прямого стержневого проводника, часто устанавливает перпендикулярно по некоторому типу проводящей поверхности, называемой плоскостью земли. Управляющий сигнал от передатчика подается или для приемных антенн выходной сигнал приемника принимается между нижним концом монополя и заземленной поверхностью. Одна сторона антенного фидера прикреплена к нижнему концу монополя, а другая сторона прикреплена к плоскости заземления, которой часто является Земля. Это контрастирует с дипольной антенной, которая состоит из двух идентичных стержневых проводников, при этом сигнал от передатчика подается между двумя половинами антенны.

Монополь часто используется как резонансная антенна; стержень функционирует как открытый резонатор для радиоволн, колеблющийся стоячими волнами напряжения и тока по всей своей длине. Поэтому длина антенны определяется длиной волны радиоволн, с которой она используется. Наиболее распространенной формой является четвертьволновый монополь, в котором длина антенны составляет примерно четверть длины волны радиоволн. Однако в радиовещании также популярны монопольные антенны с длиной волны 5/8 = 0,625, поскольку на этой длине монополь излучает максимальную мощность в горизонтальных направлениях. Несимметричная антенна была изобретена в 1895 году пионером радио Гульельмо Маркони ; по этой причине ее иногда называют антенной Маркони. Распространенными типами монопольных антенн являются штыревая, резиновая утка, спиральная, случайная проволока, зонтик, перевернутая L и T-антенна, перевернутая F, сложенная унипольная антенна, мачтовый излучатель и антенны с заземляющим экраном.

Сопротивление нагрузки четвертьволнового монополя вдвое меньше, чем у дипольной антенны, или 37,5 + j21,25 Ом.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 История
  • 2 Диаграмма излучения
  • 3 Усиление и входное сопротивление
  • 4 Типы
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки
История
Рисунок из патента Маркони 1896 года, показывающий его первые несимметричные антенны, состоящие из подвешенных металлических пластин (u, w), прикрепленных к передатчику (слева) и приемнику (справа), с другой заземленной стороной (E). Позже он обнаружил, что пластины не нужны, а подвесной трос вполне подходит. Первый монопольный передатчик Маркони Одна из ранних монопольных антенн Маркони на его передающей станции в Полдху, Корнуолл, 1900 год, состоящая из небольшой металлической пластины, подвешенной к деревянной штанге с длинным проводом, идущим вниз к передатчику в здании.

Монопольная антенна была изобретена в 1895 году и запатентована в 1896 году пионером радиосвязи Гульельмо Маркони во время его первых исторических экспериментов в области радиосвязи. Он начал с использования дипольных антенн, изобретенных Генрихом Герцем, состоящих из двух одинаковых горизонтальных проводов, оканчивающихся металлическими пластинами. Он экспериментально обнаружил, что если вместо диполя одна сторона передатчика и приемника была подключена к проводу, подвешенному над головой, а другая сторона была подключена к Земле, он мог передавать на большие расстояния. По этой причине монополь еще называют антенной Маркони, хотя Александр Попов самостоятельно изобрел ее примерно в то же время.

Диаграмма излучения
Показано, что монопольная антенна имеет ту же диаграмму направленности над идеальной землей, что и диполь в свободном пространстве с удвоенным напряжением Вертикальные диаграммы направленности идеальных монопольных антенн над идеальной бесконечной землей. Расстояние линии от начала координат при заданном угле возвышения пропорционально плотности мощности, излучаемой под этим углом.

Подобно дипольной антенне, монополь имеет всенаправленную диаграмму направленности : он излучает с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях, перпендикулярных антенне. Однако излучаемая мощность изменяется в зависимости от угла места, при этом излучение падает до нуля в зените на оси антенны. Он излучает вертикально поляризованные радиоволны.

Монополь можно визуализировать (справа) как сформированный путем замены нижней половины вертикальной дипольной антенны (c) на проводящую плоскость ( плоскость заземления ), перпендикулярную оставшейся половине. Если плоскость заземления достаточно велика, радиоволны от оставшейся верхней половины диполя (a), отраженные от плоскости заземления, будут казаться исходящими от антенны изображения (b), формирующей недостающую половину диполя, которая добавляет к направить излучение для формирования дипольной диаграммы направленности. Таким образом, диаграмма направленности монополя с идеально проводящей, бесконечной заземляющей поверхностью идентична верхней половине диаграммы направленности диполя.

На длине до половины длины волны () антенна имеет один лепесток с максимальным усилением в горизонтальных направлениях, перпендикулярных оси антенны. Ниже четверти длины волны () резонанса диаграмма направленности практически не меняется с длиной. Выше () лепесток сглаживается, излучая больше энергии в горизонтальных направлениях. λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2} λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4} λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4}

Выше половины длины волны рисунок разделяется на главный горизонтальный лепесток и небольшой второй конический лепесток под углом 60 ° к небу. Однако горизонтальное усиление продолжает увеличиваться и достигает максимума на длине волны в пять восьмых: (это приближение, действительное для антенны типичной толщины, для бесконечно тонкого монополя максимум происходит на). Максимум происходит на этой длине, потому что излучение в противофазе от двух лепестков деструктивно интерферирует и подавляется под большими углами, «сжимая» большую часть мощности в горизонтальном лепестке. 5 λ / 8 знак равно 0,625 λ {\ displaystyle 5 \ lambda /8=.625\lambda} 2 λ / π знак равно 0,637 λ {\ displaystyle 2 \ lambda / \ pi =.637 \ lambda}

Выше горизонтальный лепесток быстро становится меньше, а высокоугловой лепесток становится больше, уменьшая мощность, излучаемую в горизонтальных направлениях, поэтому не многие антенны используют длину выше этой. По мере увеличения длины антенны диаграмма направленности делится на большее количество лепестков с нулями (направлениями нулевой излучаемой мощности) между ними. 0,625 λ {\ displaystyle.625 \ lambda}

Общий эффект электрически малых поверхностей заземления, а также плохо проводящих заземляющих поверхностей, заключается в изменении направления максимального излучения в сторону больших углов возвышения и уменьшении усиления. Коэффициент усиления реальных четвертьволновых антенн с типичными заземляющими поверхностями составляет около 2-3 дБи.

Усиление и входное сопротивление
Диаграмма направленности монополя 3/2 длины волны. Монопольные антенны длиной до 1/2 длины волны имеют один «лепесток», при этом напряженность поля монотонно снижается от максимума в горизонтальном направлении, но более длинные монополи имеют более сложную диаграмму направленности с несколькими коническими «лепестками» (максимумами излучения), направленными под углами внутрь. небо.

Поскольку она излучает только в пространство над земной поверхностью или половину пространства дипольной антенны, монопольная антенна над идеально проводящей бесконечной земной поверхностью будет иметь усиление в два раза (на 3 дБ больше) усиления аналогичной дипольной антенны., а радиационное сопротивление вдвое меньше, чем у диполя. Поскольку полуволновой диполь имеет коэффициент усиления 2,19 дБи и сопротивление излучения 73 Ом, монополь четвертьволновой () будет иметь коэффициент усиления 2,19 + 3 = 5,19  дБи и сопротивление излучения около 36,8 Ом. Антенна является резонансной на этой длине, поэтому ее входное сопротивление чисто резистивное. Входное сопротивление имеет емкостное реактивное сопротивление ниже и индуктивное реактивное сопротивление от до λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4} λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4} λ / 4 {\ displaystyle \ lambda / 4} λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2}

Приведенные в этом разделе коэффициенты усиления достигаются только в том случае, если антенна установлена ​​на идеально проводящей бесконечной заземляющей поверхности. С типичными искусственными заземляющими плоскостями, длина которых меньше нескольких длин волн, усиление будет на 1–3 дБи ниже, потому что часть излучаемой мощности по горизонтали будет дифрагировать вокруг края плоскости в нижнее полупространство. Точно так же над резистивной землей усиление будет ниже из-за мощности, поглощаемой Землей.

По мере увеличения длины до резонансной длины полуволны () коэффициент усиления несколько увеличивается до 6,0 дБи. Поскольку на этой длине антенна имеет токовый узел в точке питания, входной импеданс очень высок. Если бы антенна была бесконечно тонкой, она была бы бесконечной, но для монополей типичной толщины она составляет около 800–2000 Ом. λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2}

Коэффициент усиления продолжает увеличиваться до максимального значения примерно 6,6 дБи на длине волны в пять восьмых, так что это популярная длина для антенн наземных волн и антенн наземной связи. На этой длине входное сопротивление падает примерно до 40 Ом. Реактивное сопротивление антенны емкостное от до. Выше горизонтальное усиление быстро падает, потому что большая мощность излучается при больших углах возвышения во втором лепестке. 0,625 λ {\ displaystyle.625 \ lambda} λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2} 3 λ / 4 {\ displaystyle 3 \ lambda / 4} 0,625 λ {\ displaystyle.625 \ lambda}

Типы
Заземленная антенна VHF, тип монопольной антенны, используемой на высоких частотах. Три проводника, выступающие вниз, представляют собой заземляющую поверхность.

Для монопольных антенн, работающих на более низких частотах, ниже 20 МГц, плоскостью заземления обычно является Земля; в этом случае антенна представляет собой вертикальную мачту, установленную на земле на изоляторе, чтобы изолировать ее электрически от земли. Одна сторона фидерной линии подключена к мачте, а другая - к заземлению в основании антенны. В передающих антеннах для уменьшения сопротивления заземления это часто представляет собой радиальную сеть скрытых проводов, идущих наружу от терминала рядом с основанием антенны. Эта конструкция используется для передающих антенн мачтовых излучателей, используемых для радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ. На более низких частотах антенная мачта электрически коротка, что дает ей очень маленькое сопротивление излучения, поэтому для повышения эффективности и излучаемой мощности используются монополи с емкостной нагрузкой, такие как Т- образная антенна и зонтичная антенна.

На частотах VHF и UHF необходимый размер заземляющей пластины меньше, поэтому используются искусственные заземляющие пластины, позволяющие устанавливать антенну над землей. Обычный тип монопольной антенны на этих частотах для установки на мачтах или конструкциях состоит из четвертьволновой штыревой антенны с заземляющей пластиной, состоящей из 3 или 4 проводов или стержней длиной четверть волны, излучающих горизонтально или по диагонали от ее основания, подключенного к заземленная сторона фидерной линии; это называется заземленной антенной. На частотах гигагерца металлическая поверхность крыши автомобиля или корпуса самолета является хорошей заземляющей поверхностью, поэтому автомобильные антенны сотовых телефонов состоят из коротких штырей, установленных на крыше, а антенны связи самолетов часто состоят из короткого проводника в аэродинамическом обтекателе, выступающем из фюзеляж; это называется плоской антенной.

Четвертьволновой кнут и резиновые уточки антенн, используемых с портативных радиостанций, таких как портативные рации и портативные FM - радио также несимметричные антенны. В этих портативных устройствах антенна не имеет эффективной заземляющей пластины, сторона заземления передатчика просто подключается к заземлению на его печатной плате. Поскольку заземление печатной платы часто меньше антенны, комбинация антенна / земля может работать больше как асимметричная дипольная антенна, чем как монопольная. Рука и тело человека, держащего их, могут функционировать как элементарный заземляющий слой.

В беспроводных устройствах и сотовых телефонах используется вариант монополя, называемый перевернутой F-антенной. Монопольный элемент изогнут параллельно земле на печатной плате, поэтому его можно поместить в корпус устройства; Обычно антенна изготавливается из медной фольги на самой печатной плате. Такая геометрия придала бы антенне очень низкий импеданс, если бы она находилась в основании. Чтобы улучшить согласование импеданса с цепью питания (обычно сопротивление 50 Ом), антенна питается шунтом, линия питания вместо этого подключается к промежуточной точке вдоль элемента, а конец элемента заземляется.

Смотрите также
Рекомендации
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2023-03-21 04:14:46
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте