Antena monopol - Monopole antenna

O antenă tipică monopol a radiatorului catargului unui post de radio AM din Chapel Hill, Carolina de Nord . Catargul în sine este conectat la emițător și radiază undele radio. Este montat pe un izolator ceramic pentru al izola de sol. Celălalt terminal al emițătorului este conectat la un sistem de masă format din cabluri îngropate sub câmp.

O antenă monopol este o clasă de antenă radio formată dintr-un conductor drept în formă de tijă, montat adesea perpendicular pe un anumit tip de suprafață conductivă , numit plan de masă . Se aplică semnalul de conducere de la transmițător sau pentru recepția antenelor se ia semnalul de ieșire către receptor , între capătul inferior al monopolului și planul de masă. O parte a liniei de alimentare a antenei este atașată la capătul inferior al monopolului, iar cealaltă parte este atașată la planul de la sol, care este adesea Pământul. Acest lucru contrastează cu o antenă dipol care constă din doi conductori identici de tijă, cu semnalul de la transmițător aplicat între cele două jumătăți ale antenei.

Monopolul este adesea folosit ca antenă rezonantă ; tija funcționează ca un rezonator deschis pentru unde radio, oscilând cu unde staționare de tensiune și curent de-a lungul lungimii sale. Prin urmare, lungimea antenei este determinată de lungimea de undă a undelor radio cu care este utilizată. Cea mai comună formă este monopolul de un sfert de undă , în care antena este de aproximativ un sfert din lungimea de undă a undelor radio. Cu toate acestea, în difuzarea antenelor monopol sunt de asemenea populare 5/8 = 0,625 lungime de undă, deoarece la această lungime un monopol radiază o cantitate maximă a puterii sale în direcții orizontale. Antena monopol a fost inventată în 1895 de pionierul radio Guglielmo Marconi ; din acest motiv este uneori numită antenă Marconi . Tipurile obișnuite de antenă monopol sunt biciul , rața de cauciuc , elicoidală , sârmă aleatorie , umbrelă , antenă L inversă și antenă T , inversă F , antenă unipolă pliată , radiator catarg și antene de masă .

Impedanța de încărcare a monopolului cu un sfert de undă este jumătate din cea a antenei dipol sau 37,5 + j21,25 ohmi.

Istorie

Desen din brevetul lui Marconi din 1896 care prezintă primele sale antene monopol, constând din plăci metalice suspendate (u, w) atașate emițătorului (stânga) și receptorului (dreapta) , cu cealaltă parte împământată (E) . Mai târziu, el a constatat că plăcile nu erau necesare și un fir suspendat era adecvat.
Primul transmițător monopol al lui Marconi
Una dintre primele antene monopol ale Marconi la stația sa de transmisie Poldhu, Cornwall, 1900, constând dintr-o mică placă metalică suspendată de un braț de lemn cu un fir lung care se îndrepta spre emițătorul din clădire.

Antena monopol a fost inventată în 1895 și brevetată în 1896 de pionierul radio Guglielmo Marconi în timpul primelor sale experimente istorice în comunicarea radio. El a început prin utilizarea antenelor dipol inventate de Heinrich Hertz constând din două fire orizontale identice care se termină în plăci metalice. El a descoperit prin experiment că, în loc de dipol, o parte a emițătorului și a receptorului era conectată la un fir suspendat deasupra capului, iar cealaltă parte era conectată la Pământ, el putea transmite pe distanțe mai mari. Din acest motiv, monopolul este numit și o antenă Marconi , deși Alexander Popov a inventat-o ​​în mod independent cam în același timp.

Model de radiații

Afișarea antenei monopol are același model de radiație pe un teren perfect ca un dipol în spațiu liber cu tensiunea de două ori
Modele de radiații verticale ale antenelor monopol ideale pe un teren infinit perfect. Distanța liniei de la origine la un unghi de cota dat este proporțională cu densitatea de putere radiată la acel unghi.

La fel ca o antenă dipolară , un monopol are un model de radiație omnidirecțională : radiază cu putere egală în toate direcțiile azimutale perpendiculare pe antenă. Cu toate acestea, puterea radiată variază în funcție de unghiul de înălțare, radiația scăzând la zero la zenit pe axa antenei. Radiază unde radio polarizate vertical .

Un monopol poate fi vizualizat (dreapta) ca fiind format prin înlocuirea jumătății inferioare a unei antene dipol verticale (c) cu un plan conductor ( planul de masă ) în unghi drept cu jumătatea rămasă. Dacă planul de la sol este suficient de mare, undele radio din jumătatea superioară rămasă a dipolului (a) reflectate din planul de la sol vor părea să provină de la o antenă de imagine (b) care formează jumătatea lipsă a dipolului, care se adaugă la radiații directe pentru a forma un model de radiație dipol. Deci, modelul unui monopol cu ​​un plan de masă perfect conducător, infinit, este identic cu jumătatea superioară a unui model de dipol.

Până la o lungime de jumătate de lungime de undă ( ), antena are un singur lob cu câștig maxim în direcții orizontale, perpendicular pe axa antenei. Sub rezonanța lungimii de undă ( ), modelul de radiație este aproape constant cu lungimea. Deasupra ( ) lobul se aplatizează, radiantă mai multă putere în direcții orizontale.

Peste o jumătate de lungime de undă, modelul se împarte într-un lob principal orizontal și un al doilea lob conic mic la un unghi de 60 ° înălțime spre cer. Cu toate acestea, câștigul orizontal continuă să crească și atinge un maxim la o lungime de undă de cinci optimi: (aceasta este o aproximare valabilă pentru o antenă tipică cu grosime, pentru un monopol infinit subțire la care apare maximul ). Maximul apare la această lungime, deoarece radiația de fază opusă din cei doi lobi interferează distructiv și anulează în unghiuri mari, „comprimând” mai multă putere în lobul orizontal.

Deasupra lobului orizontal se micșorează rapid, iar lobul cu unghi înalt devine mai mare, reducând puterea radiată în direcții orizontale, deci nu multe antene folosesc lungimi peste aceasta. Pe măsură ce antena este mai lungă, modelul se împarte în mai mulți lobi, cu valori nul (direcții de putere radiată zero) între ele.

Efectul general al planurilor de sol mici, electric, precum și conducerea imperfectă a pământului, este de a înclina direcția radiației maxime până la unghiuri de înălțime mai mari și de a reduce câștigul. Câștigul antenelor cu un sfert de undă cu planuri de sol tipice este de aproximativ 2-3 dBi.

Câștig și impedanță de intrare

Model de radiație al monopolului de lungime de undă 3/2. Antenele monopol de până la 1/2 lungime de undă au un singur „lob”, intensitatea câmpului scăzând monoton de la maxim în direcția orizontală, dar monopolurile mai lungi au modele mai complicate cu mai mulți „lobi” conici (radiații maxime) direcționate în unghiuri în cerul.

Deoarece radiază numai în spațiul de deasupra planului de masă, sau jumătate din spațiul unei antene dipol, o antenă monopolă peste un plan de masă infinit care conduce perfect va avea un câștig de două ori (cu 3 dB mai mare decât) câștigul unei antene dipol similare , și o rezistență la radiații jumătate din cea a unui dipol. Deoarece un dipol cu ​​jumătate de undă are un câștig de 2,19 dBi și o rezistență la radiații de 73 ohmi, un monopol cu un sfert de undă ( ) va avea un câștig de 2,19 + 3 = 5,19  dBi și o rezistență la radiații de aproximativ 36,8 ohmi. Antena este rezonantă la această lungime, deci impedanța de intrare este pur rezistivă. Impedanța de intrare are reactanța capacitivă mai jos și reactanța inductivă de la la

Câștigurile date în această secțiune sunt obținute numai dacă antena este montată pe un plan de sol infinit care conduce perfect . Cu planuri de sol artificiale tipice mai mici de mai multe lungimi de undă, câștigul va fi mai mic cu 1 până la 3 dBi, deoarece o parte din puterea radiată orizontală se va difracta în jurul marginii planului în jumătatea inferioară a spațiului. În mod similar, pe un teren rezistent al Pământului, câștigul va fi mai mic datorită puterii absorbite pe Pământ.

Pe măsură ce lungimea este crescută până la lungimea de rezonanță a lungimii de undă ( ), câștigul crește oarecum la 6,0 dBi. Deoarece la această lungime antena are un curent de nod la capătul său feedpoint , impedanța de intrare este foarte mare. Dacă antena ar fi infinit subțire, ar fi infinită, dar pentru monopolurile cu grosime tipică este în jur de 800-2000 ohmi.

Câștigul continuă să crească până la maximum aproximativ 6,6 dBi la o lungime de lungime de undă de cinci optimi, deci aceasta este o lungime populară pentru antenele de unde sol și antenele de comunicații terestre. Impedanța de intrare scade la aproximativ 40 ohmi la acea lungime. Reactanța antenei este capacitivă de la la . Deasupra câștigului orizontal scade rapid, deoarece mai multă putere este radiată la unghiuri de înălțime ridicate în al doilea lob.

Tipuri

Antena VHF la sol, un tip de antenă monopol utilizată la frecvențe înalte. Cei trei conductori care se proiectează în jos sunt planul de sol

Pentru antenele monopol care funcționează la frecvențe mai mici, sub 20 MHz, planul de la sol este de obicei Pământul; în acest caz, antena este un catarg vertical montat pe sol pe un izolator pentru al izola electric de sol. O parte a liniei de alimentare este conectată la catarg și cealaltă la un pământ de la baza antenei. În transmiterea antenelor pentru a reduce rezistența la sol, aceasta este adesea o rețea radială de fire îngropate care se întinde spre exterior de la un terminal lângă baza antenei. Acest design este utilizat pentru antenele de transmisie ale radiatorului de catarg utilizate pentru difuzarea radio în benzile MF și LF . La frecvențe mai mici antena catargului este electric scurt , conferindu - o foarte mică rezistență la radiație , astfel încât să crească eficiența și puterea radiată monopolii capacitivă toploaded , cum ar fi T-antena si umbrelei antena sunt utilizate.

La frecvențele VHF și UHF , dimensiunea planului de masă necesară este mai mică, astfel încât planurile de sol artificiale sunt utilizate pentru a permite montarea antenei deasupra solului. Un tip comun de antenă monopol la aceste frecvențe pentru montarea pe catarguri sau structuri constă dintr-o antenă de bici cu un sfert de undă cu un plan de masă format din 3 sau 4 fire sau tije cu un sfert de undă lung care radiază orizontal sau diagonal de la baza sa conectată la partea solului a liniei de alimentare; aceasta se numește antenă de la sol . La frecvențe gigahertz , suprafața metalică a acoperișului unei mașini sau a corpului avionului face un plan de sol bun, astfel încât antenele de telefonie mobilă ale autovehiculelor constau din bici scurte montate pe acoperiș, iar antenele de comunicație ale aeronavelor constau frecvent dintr-un conductor scurt într-un carenaj aerodinamic care se proiectează fuzelaj; aceasta se numește antenă cu lamă .

Sfert de undă bici și cauciuc Ducky antene utilizate cu aparate de radio portabile , cum ar fi aparatele de emisie-recepție și portabile radio FM sunt , de asemenea , antene monopol. În aceste dispozitive portabile, antena nu are un plan de masă eficient, partea de masă a transmițătorului este doar conectată la conexiunea de masă de pe placa sa de circuite . Deoarece masa circuitului este adesea mai mică decât antena, combinația antenă / masă poate funcționa mai mult ca o antenă dipol asimetrică decât un monopol. Mâna și corpul persoanei care le ține pot funcționa ca un plan de sol rudimentar.

Dispozitivele fără fir și telefoanele mobile utilizează o variantă monopol numită antenă F inversată . Elementul monopol este îndoit paralel cu zona de masă de pe placa de circuit , deci poate fi închis în carcasa dispozitivului; de obicei, antena este fabricată din folie de cupru pe placa de circuite imprimate . Această geometrie ar conferi antenei o impedanță foarte mică dacă ar fi condusă la bază. Pentru a îmbunătăți potrivirea impedanței cu circuitul de alimentare (de obicei, impedanță de 50 ohmi), antena este alimentată cu șunt , linia de alimentare este în schimb conectată la un punct intermediar de-a lungul elementului și capătul elementului este împământat.

Vezi si

Referințe

linkuri externe