Монопольная антенна — это класс радиоантенн , состоящий из прямого проводника в форме стержня, часто установленного перпендикулярно над проводящей поверхностью определенного типа, называемой плоскостью заземления . [1] [2] [3] Управляющий сигнал от передатчика подается или для приемных антенн подается выходной сигнал на приемник между нижним концом монополя и плоскостью заземления. 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 одинаковых стержневых проводников, при этом сигнал от передатчика подается между двумя половинами антенны.
Монополь часто используется в качестве резонансной антенны. Стержень действует как открытый резонатор для радиоволн и колеблется стоячими волнами напряжения и тока по своей длине. Таким образом, длина антенны определяется исходя из длины волны желаемых радиоволн. Наиболее распространенной формой является четвертьволновой монополь , у которого длина антенны составляет примерно четверть длины волны радиоволн. Однако в радиовещательных монопольных антеннах длины равны5/8Длина волны также популярна, потому что в монополе эта длина максимизирует мощность, излучаемую перпендикулярно оси излучателя, что при вертикальном излучателе оптимизирует эффективность наземного вещания. Монопольная антенна была изобретена в 1895 году пионером радио Гульельмо Маркони ; по этой причине ее иногда называют антенной Маркони . [4] [5] [6]
Сопротивление нагрузки четвертьволнового монополя вдвое меньше, чем у дипольной антенны, или 37,5 Ом .
Распространенные типы монопольной антенны:
Монопольная антенна была изобретена в 1895 году и запатентована в 1896 году [7] пионером радио 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, заканчивающихся металлическими пластинами. Экспериментально он 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 сигналы на большие расстояния. По этой причине монополь еще называют антенной Маркони , [4] [5] [6] хотя Александр Попов независимо изобрел его 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 меняется в зависимости от угла места, при этом излучение падает до нуля в зените на оси антенны. Он излучает вертикально поляризованные радиоволны. Поскольку центр вертикальных полуволновых диполей должен быть поднят как минимум на четверть волны над землей, тогда как монополи должны быть установлены непосредственно на земле, на диаграмму направленности монополей в большей степени влияет сопротивление земли, а диаграмма направленности с высотой по своей природе отличается.
Монополь можно представить ( справа ) как образованный путем замены нижней половины вертикальной дипольной антенны (в) проводящей плоскостью ( заземляющей плоскостью ) под прямым углом к оставшейся половине. Если заземляющая плоскость достаточно велика, радиоволны от оставшейся верхней половины диполя (а), отраженные от заземляющей плоскости, будут казаться исходящими от имиджевой антенны (б), образующей недостающую половину диполя, что увеличивает прямое излучение для формирования дипольной диаграммы направленности. Таким образом, схема монополя с идеально проводящей бесконечной заземляющей поверхностью идентична верхней половине схемы диполя.
До длины полуволны ( ) антенна имеет один лепесток с максимальным усилением в горизонтальных направлениях, перпендикулярных оси антенны. Ниже четвертиволнового резонанса ( ) диаграмма направленности практически не меняется по длине. Выше ( ) доля уплощается, излучая большую мощность в горизонтальных направлениях.
На высоте выше полуволны диаграмма распадается на горизонтальный главный лепесток и небольшой второй конический лепесток под углом 60° к небу. Однако горизонтальное усиление продолжает расти и достигает максимума на длине в пять восьмых длины волны: (это приближение справедливо для антенны типичной толщины, для бесконечно тонкого монополя максимум достигается при ). Максимум возникает на этой длине, потому что излучение противоположной фазы от двух лепестков разрушительно интерферирует и гасится под большими углами, «сжимая» большую часть мощности в горизонтальный лепесток.
Чуть выше горизонтального лепестка быстро уменьшается, а высокоуглового лепестка становится больше, уменьшая мощность, излучаемую в горизонтальных направлениях, и, следовательно, уменьшая усиление. По этой причине не многие антенны используют длину волны выше или 0,625 . По мере того как антенна становится длиннее, диаграмма направленности делится на большее количество лепестков с нулями (направлениями нулевой излучаемой мощности) между ними.
Общий эффект электрически малых плоскостей заземления, а также несовершенно проводящих заземлений заключается в отклонении направления максимального излучения в сторону более высоких углов места и уменьшении усиления. [12] Коэффициент усиления реальных четвертьволновых антенн с типичными наземными системами составляет около 2–3 дБи.
Поскольку она излучает только в пространство над плоскостью земли или в половину пространства дипольной антенны, несимметричная антенна над идеально проводящей бесконечной плоскостью земли будет иметь усиление в два раза (на 3 дБ больше) усиления аналогичной дипольной антенны. , а сопротивление излучения вдвое меньше, чем у диполя. Поскольку полуволновой диполь имеет коэффициент усиления 2,19 дБи и сопротивление излучения 73 Ом, четвертьволновой ( 1/ 4 λ ) монополь будет иметь коэффициент усиления 2,19+3,0=5,2 дБи и сопротивление излучения около 36,5 Ом. [13] Антенна на такой длине является резонансной, поэтому ее входное сопротивление является чисто резистивным. Входное сопротивление имеет емкостное реактивное сопротивление ниже 1/ 4 λ и индуктивное сопротивление от 1/ 4 к1/ 2 лям .
Приведенные в этом разделе коэффициенты усиления достигаются только в том случае, если антенна установлена на идеально проводящей бесконечной заземляющей поверхности . При использовании типичных искусственных заземляющих плоскостей размером менее нескольких длин волн усиление будет на 1–3 дБи ниже, поскольку некоторая часть излучаемой горизонтально мощности будет дифрагировать вокруг края плоскости в нижнее полупространство, где она рассеивается в почве. Аналогично, при резистивном заземлении коэффициент усиления будет ниже из-за мощности, поглощаемой землей.
По мере увеличения длины до полуволны (1/ 2 λ ) – следующая резонансная длина – усиление немного увеличивается, до 6,0 дБи . Поскольку при такой длине антенна имеет в точке питания узел тока , входное сопротивление очень велико. Гипотетическая бесконечно тонкая антенна имела бы бесконечный импеданс, но для типичных монополей конечной толщины он составляет около 800–2000 Ом; высокая, но управляемая за счет питания через мощный повышающий трансформатор.
Горизонтальное усиление продолжает увеличиваться до максимального значения примерно 6,6 дБи на длине волны пять восьмых. 5/ 8 λ , поэтому это популярная длина для антенн земных волн и антенн наземной связи, для частот, где возможен больший размер антенны. На этой длине входное сопротивление падает примерно до 40 Ом. Реактивное сопротивление антенны является емкостным от 1/ 2 к3/ 4 лям . Однако выше 5/ 8 λ горизонтальное усиление быстро падает, поскольку при больших углах места во втором лепестке излучается все большая мощность.
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 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 из подземных проводов, идущих наружу от клеммы возле основания антенны. Такая конструкция используется для передающих антенн мачтового излучателя , используемых для радиовещания в диапазонах СЧ и НЧ . На более низких частотах антенная мачта электрически коротка , что обеспечивает очень небольшое 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 ОВЧ и УВЧ размер необходимой заземляющей пластины меньше, поэтому используются искусственные заземляющие пластины, позволяющие устанавливать антенну над землей. [14] Распространенный тип монопольной антенны на этих частотах для установки на мачтах или сооружениях состоит из четвертьволновой штыревой антенны с заземляющей пластиной, состоящей из 3 или 4 проводов или стержней четвертьволновой длины, исходящих горизонтально или по диагонали от ее основания. подключен к заземляющей стороне линии питания; это называется наземной антенной . На гигагерцевых частотах металлическая поверхность крыши автомобиля или корпуса самолета является хорошим заземлением, поэтому антенны автомобильных сотовых телефонов состоят из коротких штырей, установленных на крыше [14] , а антенны связи самолетов часто состоят из короткого проводника в аэродинамическом обтекателе . выступающий из фюзеляжа; это называется лопастная антенна . [13]
Четвертьволновые штыревые и резиновые антенны-уточки, используемые в портативных радиостанциях, таких как рации и портативные FM-радиоприемники, также являются монопольными антеннами. В этих портативных устройствах антенна не имеет эффективной заземляющей пластины, заземляющая сторона передатчика просто подключается к заземляющему разъему на его печатной плате . Поскольку заземление печатной платы часто меньше, чем у антенны, комбинация антенны и заземления может функционировать скорее как асимметричная дипольная антенна , чем как несимметричный вибратор. Рука и тело человека, держащего их, могут выполнять функцию элементарного заземления.
Беспроводные устройства и сотовые телефоны используют вариант монополя, называемый антенной с перевернутой F. [15] Монопольный элемент изогнут параллельно заземлению на печатной плате , поэтому его можно поместить в корпус устройства; обычно антенна изготавливается из медной фольги на самой печатной плате . [15] [16] Такая геометрия обеспечила бы антенне очень низкий импеданс, если бы она приводилась в движение у основания. Чтобы улучшить согласование импеданса с цепью питания (обычно сопротивление 50 Ом ), антенна питается шунтирующим образом , вместо этого линия питания подключается к промежуточной точке вдоль элемента, а конец элемента заземляется.
