Monopole antenne - Monopole antenna

En typisk mastradiator- monopolantenne til en AM- radiostation i Chapel Hill, North Carolina . Selve masten er forbundet til senderen og udstråler radiobølgerne. Den er monteret på en keramisk isolator for at isolere den fra jorden. Transmitterens anden terminal er tilsluttet et jordsystem bestående af kabler nedgravet under marken.

En monopolantenne er en klasse radioantenne, der består af en lige stangformet leder, ofte monteret vinkelret på en eller anden form for ledende overflade, kaldet et jordplan . Drivsignalet fra senderen påføres, eller til modtagelse af antenner tages udgangssignalet til modtageren mellem den nederste ende af monopolet og jordplanet. Den ene side af antennens fødelinie er fastgjort til monopolets nedre ende, og den anden side er fastgjort til jordplanet, som ofte er Jorden. Dette står i kontrast til en dipolantenne, der består af to identiske stangledere, med signalet fra senderen påført mellem de to halvdele af antennen.

Monopolet bruges ofte som en resonansantenne ; stangen fungerer som en åben resonator for radiobølger, oscillerende med stående bølger af spænding og strøm langs dens længde. Derfor bestemmes antennens længde af bølgelængden af de radiobølger, den bruges sammen med. Den mest almindelige form er kvartbølgemonopol , hvor antennen er cirka en fjerdedel af radiobølgernes bølgelængde. Imidlertid er monopole antenner 5/8 = 0,625 lang bølgelængde også populære, fordi en monopol på denne længde udstråler en maksimal mængde af sin kraft i vandrette retninger. Monopolantennen blev opfundet i 1895 af radiopioneren Guglielmo Marconi ; af denne grund kaldes det undertiden Marconi-antennen . Almindelige typer monopolantenne er pisken , gummidukket , spiralformet , tilfældig ledning , paraply , inverteret-L og T-antenne , inverteret-F , foldet unipolantenne , mastradiator og jordplanantenner .

Belastningsimpedansen for kvartbølgemonopolet er halvdelen af dipolantennen eller 37,5 + j21,25 ohm.

Historie

Tegning fra Marconis patent fra 1896, der viser hans første monopolantenner, bestående af ophængte metalplader (u, w) fastgjort til senderen (venstre) og modtageren (højre) med den anden side jordforbundet (E) . Senere fandt han, at pladerne var unødvendige, og en ophængt ledning var tilstrækkelig.

Marconis første monopol sender

En af Marconis tidlige monopolantenner ved hans Poldhu, Cornwall-sendestation, 1900, bestående af en lille metalplade ophængt fra en træarm med en lang ledning, der løber ned til senderen i bygningen.

Monopolantennen blev opfundet i 1895 og patenteret i 1896 af radiopioneren Guglielmo Marconi under hans historiske første eksperimenter inden for radiokommunikation. Han begyndte med at bruge dipolantenner opfundet af Heinrich Hertz bestående af to identiske vandrette ledninger, der ender på metalplader. Han fandt ved eksperiment, at hvis den ene side af senderen og modtageren i stedet for dipolen var forbundet til en ledning, der var ophængt over hovedet, og den anden side var forbundet med jorden, kunne han sende længere afstande. Af denne grund kaldes monopolet også en Marconi-antenne , selvom Alexander Popov uafhængigt opfandt det på omtrent samme tid.

Strålingsmønster

At vise monopolantennen har det samme strålingsmønster over perfekt jord som en dipol i frit rum med dobbelt så stor spænding

Lodrette strålingsmønstre af ideelle monopolantenner over en perfekt uendelig jord. Linjens afstand fra oprindelsen ved en given højdevinkel er proportional med den effekttæthed, der udstråles i denne vinkel.

Ligesom en dipolantenne , en monopol har en rundstrålende udstrålingsmønster : det udstråler med ens effekt i alle azimut retninger vinkelret på antennen. Imidlertid varierer den udstrålede effekt med højdevinklen, hvor strålingen falder til nul ved zenit på antenneaksen. Det udstråler vertikalt polariserede radiobølger.

En monopol kan visualiseres (til højre) som dannet ved at erstatte den nederste halvdel af en lodret dipolantenne (c) med et ledende plan ( jordplan ) vinkelret på den resterende halvdel. Hvis jordplanet er stort nok, ser radiobølgerne fra den resterende øvre halvdel af dipolen (a) reflekteret fra jordplanet ud til at komme fra en billedantenne (b), der danner den manglende halvdel af dipolen, hvilket føjer til direkte stråling for at danne et dipolstrålingsmønster. Så mønsteret af en monopol med et perfekt ledende, uendeligt jordplan er identisk med den øverste halvdel af et dipolmønster.

Op til en længde på en halv bølgelængde ( ) har antennen en enkelt lap med maksimal forstærkning i vandrette retninger vinkelret på antenneaksen. Under kvart bølgelængde ( ) resonans er strålingsmønsteret næsten konstant med længden. Over ( ) fladen flader ud og udstråler mere kraft i vandrette retninger. ${\ displaystyle \ lambda / 2}$ ${\ displaystyle \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle \ lambda / 4}$

Over en halv bølgelængde opdeles mønsteret i en vandret hovedlobe og en lille anden konisk lap i en vinkel på 60 ° i himlen. Men den vandrette forstærkning fortsætter med at stige og når et maksimum ved en længde på fem-ottendedels bølgelængde: (dette er en tilnærmelse, der gælder for en typisk tykkelsesantenne, for en uendeligt tynd monopol forekommer maksimum ved ). Det maksimale forekommer ved denne længde, fordi den modsatte fasestråling fra de to lapper interfererer destruktivt og annullerer i høje vinkler og "komprimerer" mere af kraften i den vandrette lap. ${\ displaystyle 5 \ lambda /8=.625\lambda}$ ${\ displaystyle 2 \ lambda / \ pi = .637 \ lambda}$

Over den vandrette lap bliver hurtigt mindre, og den høje vinkellappe bliver større, hvilket reducerer effekten, der udstråles i vandrette retninger, så ikke mange antenner bruger længder over dette. Da antennen er lavet længere, opdeles mønsteret i flere lapper med nuller (retninger med nul udstrålet effekt) imellem dem. ${\ displaystyle .625 \ lambda}$

Den generelle effekt af elektrisk små jordplaner såvel som ufuldstændigt ledende jordbund er at vippe retningen for maksimal stråling op til højere højdevinkler og reducere forstærkningen. Gevinsten af faktiske kvartbølge-antenner med typiske jordplaner er omkring 2-3 dBi.

Forstærkning og inputimpedans

Strålingsmønster på 3/2 bølgelængde monopol. Monopolantenner op til 1/2 bølgelængde lang har en enkelt "lap", hvor feltstyrken falder monotont fra et maksimum i vandret retning, men længere monopol har mere komplicerede mønstre med flere koniske "lapper" (strålingsmaxima) rettet mod vinkler ind i himlen.

Fordi den kun udstråler ind i rummet over jordplanet eller halvdelen af en dipolantenne, vil en monopolantenne over et perfekt ledende uendeligt jordplan have en forstærkning på dobbelt (3 dB større end) forstærkningen af en lignende dipolantenne og en strålingsmodstand halvdelen af en dipol. Da en halvbølgedipol har en forstærkning på 2,19 dBi og en strålingsmodstand på 73 ohm, vil en kvartbølge ( ) monopol have en forstærkning på 2,19 + 3 = 5,19 dBi og en strålingsmodstand på ca. 36,8 ohm. Antennen er resonant i denne længde, så dens indgangsimpedans er rent modstandsdygtig. Indgangsimpedansen har kapacitiv reaktans under og induktiv reaktans fra til ${\ displaystyle \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle \ lambda / 2}$

Gevinsterne i dette afsnit opnås kun, hvis antennen er monteret over et perfekt ledende uendeligt jordplan . Med typiske kunstige jordplan, der er mindre end flere bølgelængder, vil forstærkningen være 1 til 3 dBi lavere, fordi noget af den vandrette udstrålede effekt vil diffrigere rundt om planens kant ind i det nedre halvrum. På samme måde over en resistiv jordjord vil gevinsten være lavere på grund af kraft absorberet i jorden.

Når længden øges til sin halvbølgelængde ( ) resonanslængde, øges forstærkningen noget til 6,0 dBi. Da antennen ved denne længde har en strømknudepunkt ved dens fødepunkt , er indgangsimpedansen meget høj. Hvis antennen var uendeligt tynd, ville den være uendelig, men for typiske monopoler med tykkelse er den omkring 800-2000 ohm. ${\ displaystyle \ lambda / 2}$

Gevinsten fortsætter med at stige op til et maksimum på omkring 6,6 dBi ved en længde på fem ottendedele bølgelængde så dette er en populær længde til jorden bølge antenner og terrestriske kommunikations antenner. Indgangsimpedansen falder til ca. 40 ohm i den længde. Antennens reaktans er kapacitiv fra til . Over den vandrette gevinst falder hurtigt, fordi mere kraft udstråles ved høje højdevinkler i den anden lap. ${\ displaystyle .625 \ lambda}$ ${\ displaystyle \ lambda / 2}$ ${\ displaystyle 3 \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle .625 \ lambda}$

Typer

VHF antenne til jordplan, en type monopolantenne, der bruges ved høje frekvenser. De tre ledere, der rager nedad, er jordplanet

For monopolantenner, der fungerer ved lavere frekvenser, under 20 MHz, er jordplanet normalt Jorden; i dette tilfælde er antennen en lodret mast monteret på jorden på en isolator for at isolere den elektrisk fra jorden. Den ene side af fødelinien er forbundet til masten og den anden til en jordbund i bunden af antennen. Ved transmission af antenner for at reducere jordmodstand er dette ofte et radialt netværk af nedgravede ledninger, der strækker sig udad fra en terminal nær bunden af antennen. Dette design bruges til mastradiatorens transmitterende antenner, der er anvendt til radioudsendelse i MF- og LF- båndene. Ved lavere frekvenser er antennemasten elektrisk kort, hvilket giver den en meget lille strålingsmodstand , så for at øge effektiviteten og udstrålet effekt kapacitivt anvendes uploadede monopol som T-antenne og paraplyantenne .

Ved VHF- og UHF- frekvenser er størrelsen på det nødvendige jordplan mindre, så kunstige jordplan bruges til at lade antennen monteres over jorden. En almindelig type Monopole antenne ved disse frekvenser til montering på master eller strukturer består af en kvart bølge pisk antenne med en grundplan bestående af 3 eller 4 ledninger eller stænger en kvart bølge lang udstrålende vandret eller diagonalt fra sin basis forbundet til jorden side af fødelinjen; dette kaldes en jordplanantenne . Ved gigahertz- frekvenser er metaloverfladen på et biltag eller flykropp et godt jordplan, så bilens mobiltelefonantenner består af korte piske monteret på taget, og flykommunikationsantenner består ofte af en kort leder i en aerodynamisk kappe, der rager ud fra skrog dette kaldes en bladantenne .

Den kvart-bølge pisk og gummi ducky antenner anvendes med håndholdte radioer som walkie-talkies og bærbare FM-radioer er også unipolære antenner. I disse bærbare enheder har antennen ikke et effektivt jordplan, transmitterens jordside er bare forbundet med jordforbindelsen på dens printkort . Da kredsløbets jord ofte er mindre end antennen, kan antenne / jordkombinationen fungere mere som en asymmetrisk dipolantenne end en monopol. Hånden og kroppen på den person, der holder dem, kan fungere som et rudimentært jordplan.

Trådløse enheder og mobiltelefoner bruger en monopolvariant kaldet den inverterede F-antenne . Monopolelementet er bøjet parallelt med jordarealet på printkortet , så det kan være lukket i enhedens kasse; normalt er antennen fremstillet af kobberfolie på selve printkortet . Denne geometri ville give antennen en meget lav impedans, hvis den blev drevet i basen. For at forbedre impedanstilpasningen med tilførselskredsløbet (typisk 50 ohm impedans) antennen shuntfødes , fødelinien er i stedet forbundet til et mellemliggende punkt langs elementet, og elementenden er jordforbundet.

Se også

Referencer

eksterne links

Stråling af en kvart bølgelængde monopol

Languages

In other projects