Монопольная антенна — это класс радиоантенн, состоящих из прямого стержневого проводника, часто устанавливаемого перпендикулярно над некоторым типом проводящей поверхности, называемой заземляющей плоскостью . [1] [2] [3] Сигнал возбуждения от передатчика применяется, или для приемных антенн выходной сигнал к приемнику принимается, между нижним концом монополя и заземляющей плоскостью. Одна сторона фидерной линии антенны прикреплена к нижнему концу монополя, а другая сторона прикреплена к заземляющей плоскости, которой часто является Земля. Это контрастирует с дипольной антенной , которая состоит из двух идентичных стержневых проводников, при этом сигнал от передатчика применяется между двумя половинами антенны.
Монополь часто используется как резонансная антенна. Стержень функционирует как открытый резонатор для радиоволн и колеблется со стоячими волнами напряжения и тока по своей длине. Длина антенны, таким образом, определяется на основе длины волны желаемых радиоволн. Наиболее распространенной формой является четвертьволновой монополь , в котором длина антенны составляет примерно одну четверть длины волны радиоволн. Однако в вещательных монопольных антеннах длины, равные 5/8 длины волны также популярны, потому что в монополе эта длина максимизирует мощность, излучаемую перпендикулярно оси излучателя, что при вертикальном излучателе оптимизирует эффективность для наземного вещания. Антенна монополя была изобретена в 1895 году пионером радио Гульельмо Маркони ; по этой причине ее иногда называют антенной Маркони . [4] [5] [6]
Сопротивление нагрузки четвертьволнового монополя составляет половину сопротивления дипольной антенны или 37,5 Ом .
Распространенные типы монопольных антенн:
Монопольная антенна была изобретена в 1895 году и запатентована в 1896 году [7] пионером радио Гульельмо Маркони во время его исторических первых экспериментов в области радиосвязи. Он начал с использования дипольных антенн, изобретенных Генрихом Герцем, состоящих из двух одинаковых горизонтальных проводов, заканчивающихся металлическими пластинами. Он обнаружил экспериментально, что если вместо диполя одну сторону передатчика и приемника подключить к проводу, подвешенному над головой, а другую сторону подключить к Земле, он сможет передавать на большие расстояния. По этой причине монополь также называют антенной Маркони , [4] [5] [6] хотя Александр Попов независимо изобрел ее примерно в то же время. [8] [9] [10] [11]
Как и вертикально подвешенная дипольная антенна , монополь имеет всенаправленную диаграмму направленности : он излучает с одинаковой мощностью во всех азимутальных направлениях, перпендикулярных антенне. Излучаемая мощность изменяется в зависимости от угла места, при этом излучение падает до нуля в зените на оси антенны. Он излучает вертикально поляризованные радиоволны. Поскольку вертикальные полуволновые диполи должны иметь центр, поднятый как минимум на четверть волны над землей, тогда как монополи должны быть установлены непосредственно на земле, диаграммы направленности монополей в большей степени зависят от сопротивления в земле, а диаграмма направленности с высотой по своей сути отличается.
Монополь можно визуализировать ( справа ) как образованный путем замены нижней половины вертикальной дипольной антенны (c) на проводящую плоскость ( земляную плоскость ) под прямым углом к оставшейся половине. Если земляная плоскость достаточно большая, радиоволны от оставшейся верхней половины диполя (a), отраженные от земли, будут казаться исходящими от антенны-изображения (b), образующей недостающую половину диполя, которая добавляется к прямому излучению, образуя диаграмму направленности диполя. Таким образом, диаграмма направленности монополя с идеально проводящей бесконечной землей идентична верхней половине диаграммы направленности диполя.
До длины в половину длины волны ( ) антенна имеет один лепесток с максимальным усилением в горизонтальных направлениях, перпендикулярных оси антенны. Ниже резонанса четверти длины волны ( ) диаграмма направленности почти постоянна с длиной. Выше ( ) лепесток сглаживается, излучая больше мощности в горизонтальных направлениях.
Выше половины длины волны диаграмма разделяется на горизонтальный главный лепесток и небольшой второй конический лепесток под углом 60° к небу. Однако горизонтальное усиление продолжает увеличиваться и достигает максимума на длине в пять восьмых длины волны: (это приближение справедливо для типичной толстой антенны, для бесконечно тонкого монополя максимум достигается при ). Максимум достигается на этой длине, поскольку противофазное излучение от двух лепестков интерферирует деструктивно и нейтрализуется под большими углами, «сжимая» большую часть мощности в горизонтальный лепесток.
Немного выше горизонтальный лепесток быстро уменьшается, а лепесток с высоким углом становится больше, уменьшая мощность, излучаемую в горизонтальных направлениях, и, следовательно, уменьшая усиление. Из-за этого не так много антенн используют длины выше или 0,625 волны . По мере того, как антенна становится длиннее, диаграмма делится на большее количество лепестков с нулями (направлениями нулевой излучаемой мощности) между ними.
Общий эффект электрически малых заземляющих плоскостей, а также несовершенно проводящих заземлителей заключается в наклоне направления максимального излучения в сторону больших углов места и уменьшении усиления. [12] Усиление реальных четвертьволновых антенн с типичными заземляющими системами составляет около 2–3 дБи.
Поскольку она излучает только в пространство над плоскостью заземления, или половину пространства дипольной антенны, монопольная антенна над идеально проводящей бесконечной плоскостью заземления будет иметь усиление в два раза (на 3 дБ больше) усиления аналогичной дипольной антенны и сопротивление излучения в два раза меньше, чем у диполя. Поскольку полуволновой диполь имеет усиление 2,19 дБи и сопротивление излучения 73 Ом, четвертьволновая ( 1/ 4 λ ) монополь будет иметь усиление 2,19 + 3,0 = 5,2 дБи и сопротивление излучения около 36,5 Ом. [13] Антенна является резонансной на этой длине, поэтому ее входное сопротивление является чисто резистивным. Входное сопротивление имеет емкостное реактивное сопротивление ниже 1/ 4 λ и индуктивное сопротивление от 1/ 4 к 1/ 2 λ .
Усиления, указанные в этом разделе, достигаются только в том случае, если антенна установлена над идеально проводящей бесконечной плоскостью заземления . При использовании типичных искусственных плоскостей заземления, меньших нескольких длин волн, усиление будет на 1–3 дБи ниже, поскольку часть горизонтально излучаемой мощности будет дифрагировать вокруг края плоскости в нижнее полупространство, где она рассеивается в почве. Аналогично, над резистивным заземлением усиление будет ниже из-за мощности, поглощаемой землей.
По мере увеличения длины до приближения к половине длины волны ( 1/ 2 λ ) – следующая резонансная длина – усиление несколько увеличивается, до 6,0 дБи . Поскольку на этой длине антенна имеет узел тока в точке питания , входное сопротивление очень велико. Гипотетическая бесконечно тонкая антенна имела бы бесконечное сопротивление, но для конечной толщины типичных монополей оно составляет около 800–2000 Ом; высокое, но управляемое путем подачи через значительный повышающий трансформатор.
Горизонтальное усиление продолжает увеличиваться до максимума около 6,6 дБи на длине в пять восьмых длины волны 5/ 8 λ, поэтому это популярная длина для антенн земной волны и антенн наземной связи, для частот, где возможен больший размер антенны. Входное сопротивление падает примерно до 40 Ом на этой длине. Реактивное сопротивление антенны является емкостным от 1/ 2 к 3/ 4 λ . Однако выше 5/ 8 λ горизонтальное усиление быстро падает, поскольку все большая мощность излучается при больших углах места во втором лепестке.
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 для ее электрической изоляции от земли. Одна сторона фидерной линии подключена к мачте, а другая — к заземлению у основания антенны. В передающих антеннах для уменьшения сопротивления заземления это часто радиальная сеть закопанных проводов, тянущихся наружу от клеммы около основания антенны. Такая конструкция используется для передающих антенн с излучателем мачты , используемых для радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ . На более низких частотах мачта антенны электрически коротка , что дает ей очень малое сопротивление излучения , поэтому для повышения эффективности и излучаемой мощности используются монополи с емкостной верхней нагрузкой, такие как Т-образная антенна и зонтичная антенна .
На частотах VHF и UHF размер необходимой заземляющей плоскости меньше, поэтому используются искусственные заземляющие плоскости, чтобы антенна могла быть установлена над землей. [14] Обычный тип монопольной антенны на этих частотах для установки на мачтах или конструкциях состоит из четвертьволновой штыревой антенны с заземляющей плоскостью, состоящей из 3 или 4 проводов или стержней длиной в четверть волны, излучающих горизонтально или по диагонали от ее основания, соединенного с заземляющей стороной фидерной линии; это называется антенной с заземляющей плоскостью . На гигагерцовых частотах металлическая поверхность крыши автомобиля или корпуса самолета является хорошей заземляющей плоскостью, поэтому антенны автомобильных сотовых телефонов состоят из коротких штырей, установленных на крыше, [14] а антенны авиационной связи часто состоят из короткого проводника в аэродинамическом обтекателе , выступающем из фюзеляжа; это называется лопастной антенной . [13]
Четвертьволновые штыревые и резиновые антенны-уточки, используемые с портативными радиостанциями, такими как рации и портативные FM-радио, также являются монопольными антеннами. В этих портативных устройствах антенна не имеет эффективной заземляющей плоскости, заземляющая сторона передатчика просто подключена к заземляющему соединению на его печатной плате . Поскольку заземление печатной платы часто меньше антенны, комбинация антенны и заземления может функционировать скорее как асимметричная дипольная антенна, чем как монополь. Рука и тело человека, держащего их, могут функционировать как рудиментарная заземляющая плоскость.
Беспроводные устройства и сотовые телефоны используют вариант монополя, называемый перевернутой F-антенной . [15] Монопольный элемент изогнут параллельно заземляющей области на печатной плате , поэтому его можно поместить в корпус устройства; обычно антенна изготавливается из медной фольги на самой печатной плате . [15] [16] Такая геометрия дала бы антенне очень низкий импеданс, если бы она возбуждалась у основания. Для улучшения согласования импеданса с питающей цепью (обычно импеданс 50 Ом ) антенна питается шунтовым способом , вместо этого питающая линия подключается к промежуточной точке вдоль элемента, а конец элемента заземляется.
