_closeup.jpg/1280px-DEGEN_DE-1129_(2)_closeup.jpg)
Штыревая антенна — это антенна, состоящая из прямого гибкого провода или стержня. Нижний конец штыря соединен с радиоприемником или передатчиком . Штыревая антенна — это разновидность монопольной антенны . Антенна разработана гибкой, чтобы ее было трудно сломать, а ее название происходит от хлыстоподобного движения, которое она демонстрирует при нарушении. Штыревые антенны для портативных радиостанций часто изготавливаются из ряда взаимосвязанных телескопических металлических трубок, поэтому их можно убирать, когда они не используются. Более длинные штыри, предназначенные для установки на транспортных средствах и конструкциях, изготавливаются из гибкого стекловолоконного стержня вокруг проволочного сердечника и могут быть длиной до 11 м (35 футов).
Идеальная длина штыревой антенны определяется длиной волны радиоволн , с которыми она используется. Наиболее распространенным типом является штыревая антенна в четверть волны , которая составляет примерно 1 /4 большая длина волны , но они могут быть как длиннее, так и короче по конструкции, в зависимости от компактных электрически коротких антенн 1/ 10 длина волны длинная, до 5 /8 длина волны для улучшения направленности.
Штыревые антенны являются наиболее распространенным типом монопольных антенн и используются в более высоких частотах HF , VHF и UHF радиодиапазонов. Они широко используются в качестве антенн для портативных радиостанций, беспроводных телефонов , раций , FM-радио , бумбоксов и устройств с поддержкой Wi-Fi , а также крепятся к транспортным средствам в качестве антенн для автомобильных радиоприемников и двухсторонних радиостанций для колесных транспортных средств и самолетов. Более крупные версии, установленные на крышах, балконах и радиомачтах, используются в качестве антенн базовых станций для любительского радио и диспетчеров полиции, пожарных, скорой помощи, такси и других транспортных средств.
Штыревая антенна является монопольной антенной и, как и вертикальный диполь, имеет всенаправленную диаграмму направленности , излучая одинаковую мощность радиосигнала во всех азимутальных направлениях (перпендикулярных оси антенны), при этом излучаемая мощность падает с углом места до нуля на оси антенны. [1] Штыревые антенны длиной менее половины длины волны, включая обычную четвертьволновую штыревую антенну, имеют один главный лепесток , и при идеально проводящей заземляющей плоскости под ней максимальная напряженность поля находится в горизонтальных направлениях, монотонно падая до нуля на оси. При небольшой или неидеально проводящей заземляющей плоскости или при отсутствии заземляющей плоскости под ней общий результат заключается в наклоне главного лепестка вверх, так что максимальная мощность больше не излучается горизонтально, а под углом в небо.
Антенны длиной более половины длины волны имеют диаграмму направленности, состоящую из нескольких конических «лепестков» с максимумами излучения при нескольких углах места; чем больше электрическая длина антенны, тем больше лепестков имеет диаграмма направленности.
Вертикальный стержень излучает вертикально поляризованные радиоволны, при этом электрическое поле вертикально, а магнитное — горизонтально.
Вертикальные штыревые антенны широко используются для ненаправленной радиосвязи на поверхности Земли, где направление на передатчик (или приемник) неизвестно или постоянно меняется, например, в портативных FM- радиоприемниках, рациях и двухсторонних радиостанциях в транспортных средствах. Это происходит потому, что они передают (или принимают) одинаково хорошо во всех горизонтальных направлениях, при этом излучая мало радиоэнергии в небо, где она тратится впустую.
Штыревые антенны обычно проектируются как резонансные антенны; стержень действует как резонатор для радиоволн, при этом стоячие волны напряжения и тока отражаются вперед и назад от его концов. Таким образом, длина стержня антенны определяется длиной волны ( ) используемых радиоволн. Наиболее распространенная длина составляет приблизительно одну четверть длины волны ( ), называемая «штыревой четвертьволновой антенной» (хотя часто укорачивается за счет использования нагрузочной катушки ; см. Электрически короткие штыревые антенны ниже). Например, обычные штыревые четвертьволновые антенны, используемые на FM-радио в США, имеют длину приблизительно 75 см (2,5 фута), что составляет примерно одну четверть длины радиоволн в диапазоне FM-радио , которая составляет от 2,78 до 3,41 м (от 9 до 11 футов).
Также распространены длины полуволновых штырей ( длинных), которые имеют большее усиление , и пяти восьмых волновых штырей ( длинных), которые имеют максимальное горизонтальное усиление, достижимое для монополя.
Коэффициент усиления и входное сопротивление антенны зависят от длины элемента штыря по сравнению с длиной волны, а также от размера и формы используемой заземляющей плоскости (если таковая имеется). Четвертьволновая вертикальная антенна, работающая против идеально проводящей, бесконечной земли, будет иметь коэффициент усиления 5,19 дБи и сопротивление излучения около 36,8 Ом . Однако этот коэффициент усиления никогда не достигается в реальных антеннах, если только заземляющая плоскость не имеет диаметра во много длин волн. 2 дБи более типичны для штыря с заземляющей плоскостью штырей, установленных на транспортных средствах, в качестве заземляющей плоскости используют металлическую обшивку транспортного средства. В портативных устройствах обычно не предусмотрено явной заземляющей плоскости, а заземляющая сторона фидерной линии антенны просто подключена к земле (общей) на печатной плате устройства. [2] Таким образом, само радио служит в качестве элементарной заземляющей плоскости. Если шасси радио не намного больше самой антенны, комбинация штыря и радио функционирует скорее как асимметричная дипольная антенна , чем как монопольная антенна . [3] [4] Коэффициент усиления будет несколько ниже, чем у диполя или четвертьволновой штыревой антенны с заземляющей плоскостью соответствующего размера.
Штыри, не установленные на самом радио, обычно питаются от коаксиального кабеля с сопротивлением 50 Ом или 75 Ом. В передающих антеннах сопротивление антенны должно быть согласовано с фидером для максимальной передачи мощности.
Полуволновая штыревая антенна (длиной ) имеет несколько более высокий коэффициент усиления, чем четвертьволновая штыревая антенна, но у нее есть узел тока в точке питания у основания стержня, поэтому у нее очень высокое входное сопротивление. Если бы она была бесконечно тонкой, антенна имела бы бесконечное входное сопротивление, но конечная ширина дает типичным, практическим полуволновым штыревым антеннам сопротивление 800–1500 Ом. Обычно они питаются через трансформатор согласования импеданса или четвертьволновую согласующую секцию шлейфа (например, антенна J-pole ). Преимущество в том, что, поскольку она действует как диполь, ей не нужна заземляющая плоскость.
Максимальное горизонтальное усиление монопольной антенны достигается на длине в пять восьмых длины волны, поэтому это также популярная длина для штырей. Однако на этой длине диаграмма направленности разделяется на горизонтальный лепесток и небольшой второй лепесток под углом 60°, поэтому излучение под большим углом плохое. Входное сопротивление составляет около 40 Ом.
В штыревой антенне, не установленной на проводящей поверхности, например, установленной на мачте, отсутствие отраженных радиоволн от плоскости земли приводит к тому, что лепесток диаграммы направленности наклоняется вверх к небу, поэтому в горизонтальных направлениях излучается меньше мощности, что нежелательно для наземной связи. [5] Кроме того, несбалансированное сопротивление монопольного элемента вызывает возникновение радиочастотных токов в опорной мачте и на внешней стороне заземляющего экранирующего проводника коаксиальной фидерной линии, заставляя эти конструкции излучать радиоволны, что обычно оказывает пагубное воздействие на диаграмму направленности.
Чтобы предотвратить это, при помощи стационарных штырей, установленных на конструкциях, часто используется искусственная «заземляющая плоскость», состоящая из трех или четырех стержней длиной в четверть волны, соединенных с противоположной стороной фидерной линии, простирающихся горизонтально от основания штыря. [5] Это называется антенной с заземляющей плоскостью . [6] Эти несколько коротких проволочных элементов служат для приема тока смещения от ведомого элемента и возврата его в заземляющий проводник линии передачи, заставляя антенну вести себя так, как будто под ней находится непрерывная проводящая плоскость.
Сопротивление излучения четвертьволновой антенны заземленной плоскости с горизонтальными заземляющими проводами составляет около 22 Ом, что плохо соответствует фидеру коаксиального кабеля , а главный лепесток диаграммы направленности по-прежнему наклонен вверх к небу. Часто (см. рисунки) стержни заземленной плоскости наклонены вниз под углом 45 градусов, что приводит к снижению главного лепестка диаграммы направленности, поэтому большая часть мощности излучается в горизонтальных направлениях, и увеличивает входное сопротивление для хорошего соответствия стандартному коаксиальному кабелю 50 Ом . Для соответствия коаксиальному кабелю 75 Ом концы заземленной плоскости можно повернуть вниз или использовать сложенный монопольный управляемый элемент.
Чтобы уменьшить длину штыревой антенны и сделать ее менее громоздкой, к ней часто последовательно добавляют индуктор ( катушку нагрузки ). Это позволяет сделать антенну намного короче обычной длины четверти волны и при этом оставаться резонансной , компенсируя емкостное сопротивление короткой антенны. Это называется электрически коротким штырем . Катушка добавляется у основания штыря (называется штырем с нагрузкой у основания) или иногда в середине (штырь с нагрузкой в центре). В наиболее широко используемой форме, антенне-утке , катушка нагрузки интегрирована с самой антенной, делая штырь из узкой спирали пружинистой проволоки. Спираль распределяет индуктивность по длине антенны, улучшая диаграмму направленности, а также делая ее более гибкой. Другой альтернативой, иногда используемой для укорачивания антенны, является добавление «емкостной шляпы», металлического экрана или излучающих проводов, на конце. Однако все эти электрически короткие штыри имеют более низкий коэффициент усиления, чем полноразмерный четвертьволновый штырь.
Многодиапазонная работа возможна с катушками примерно на половине или одной трети и двух третях, что не оказывает значительного влияния на антенну в самом низком диапазоне, но создает эффект сложенных диполей в более высоком диапазоне (обычно ×2 или ×3 частоты).
На более высоких частотах [a] питающий коаксиальный кабель может подниматься по центру трубки. Изолированное соединение трубки и штыря питается от коаксиала, а нижний конец трубки, куда входит коаксиальный кабель, имеет изолированное крепление. Этот тип вертикального штыря является полным диполем и, таким образом, не нуждается в заземляющей плоскости. Обычно он работает лучше на несколько длин волн над землей, отсюда и ограничение, обычно микроволновыми диапазонами.
