Антенна-хлыст: конструкция, применение и характеристики.

Введение

Тип радиоантенны

Штыревая антенна – это антенна, состоящая из прямого гибкого провода или стержня. Нижний конец штыря подключается к радиоприемнику или передатчику. Штыревая антенна является разновидностью монопольной антенны. Антенна спроектирована так, чтобы быть гибкой и не ломаться, а название происходит от движения, похожего на взмах плети, которое она демонстрирует при воздействии. Штыревые антенны для портативных радиоприемников часто изготавливаются из серии соединенных телескопических металлических труб, что позволяет убирать их, когда они не используются. Более длинные штыри, предназначенные для установки на транспортные средства и конструкции, изготавливаются из гибкого стекловолокна вокруг проволочного сердечника и могут достигать 11 метров в длину. Идеальная длина штыревой антенны определяется длиной волны радиоволн, с которыми она используется. Наиболее распространенным типом является четвертьволновая штыревая антенна, длина которой составляет примерно длины волны, но они могут быть как длиннее, так и короче по конструкции, варьируясь от компактных электрически коротких антенн длиной длины волны до длины волны для улучшения направленности. Штыри – наиболее распространенный тип монопольных антенн и используются в высокочастотных диапазонах HF, VHF и UHF. Они широко используются в качестве антенн для портативных радиоприемников, беспроводных телефонов, раций, FM-радиоприемников, переносных музыкальных центров и устройств с поддержкой Wi-Fi, а также крепятся к транспортным средствам в качестве антенн для автомобильных и двухсторонних радиостанций для колесных транспортных средств и самолетов. Более крупные версии, установленные на крышах, балконах и радиомачтах, используются в качестве базовых станций для радиолюбителей, полиции, пожарных, скорой помощи, такси и других диспетчерских служб.

Образец излучения

Штыревая антенна является монопольной антенной и, как вертикальный диполь, имеет всенаправленную диаграмму излучения, излучая одинаковую радиомощность во всех азимутальных направлениях (перпендикулярно оси антенны), при этом излучаемая мощность уменьшается с углом места до нуля на оси антенны. Штыревые антенны длиной менее половины длины волны, включая распространенный четвертьволновый штырь, имеют одну главную лепестковую диаграмму, и при наличии идеально проводящей земли под ней максимальная напряженность поля направлена в горизонтальном направлении, монотонно уменьшаясь до нуля на оси. При использовании небольшой или недостаточно проводящей земли, или при ее отсутствии, основная лепестковая диаграмма обычно наклоняется вверх, в результате чего максимальная мощность излучается не горизонтально, а под углом к небу. Антенны длиной более половины длины волны имеют диаграммы, состоящие из нескольких конических "лепестков", с максимумами излучения под различными углами места; чем больше электрическая длина антенны, тем больше лепестков в диаграмме. Вертикальный штырь излучает вертикально поляризованные радиоволны, с вертикальным направлением электрического поля и горизонтальным – магнитного. Вертикальные штыревые антенны широко используются для всенаправленной 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 объясняется тем, что они одинаково хорошо передают (или принимают) сигналы во всех горизонтальных направлениях, излучая при этом небольшое количество радиоэнергии вверх в небо, где она теряется.

Длина

Штыревые антенны обычно проектируются как резонансные; стержень действует как резонатор для радиоволн, в котором стоячие волны напряжения и тока отражаются вперед и назад от его концов. Следовательно, длина антенного стержня определяется длиной волны используемых радиоволн. Наиболее распространенная длина составляет примерно одну четверть длины волны, называемую "четвертьволновым штырем" (хотя часто укорачивается за счет использования нагрузочной катушки; см. раздел "Электрически укороченные штыри" ниже). Например, распространенные четвертьволновые штыри, используемые в FM-радио в США, имеют длину примерно , что составляет примерно четверть длины радиоволн в FM-диапазоне, которые имеют длину . Также распространены полуволновые штыри (длинные), обеспечивающие большее усиление, и пятивосьмиволновые штыри (длинные), обеспечивающие максимальное горизонтальное усиление, достижимое монополем.

Увеличение и радиационная стойкость

Усиление и входной импеданс антенны зависят от длины плетевого элемента по сравнению с длиной волны, а также от размера и формы используемой плоскости заземления (если она есть). Вертикальная антенна длиной в четверть волны, работающая относительно идеально проводящей, бесконечной плоскости заземления, имеет усиление 5,19 дБи и сопротивление излучению около 36,8 Ом. Однако этого усиления практически невозможно достичь в реальных антеннах, если диаметр плоскости заземления не превышает несколько длин волн. Для плети с плоскостью заземления более типичным является значение 2 дБи. Плети, устанавливаемые на транспортных средствах, используют металлический корпус транспортного средства в качестве плоскости заземления. В портативных устройствах обычно не предусмотрена отдельная плоскость заземления, и земляная сторона питающей линии антенны просто подключается к общему проводу на печатной плате устройства. Таким образом, само радио служит примитивной плоскостью заземления. Если корпус радио не намного больше самой антенны, комбинация плети и радио функционирует скорее как асимметричный диполь, чем как монополь. Усиление в этом случае будет несколько ниже, чем у диполя или четвертьволновой плети с адекватной плоскостью заземления. Плети, не установленные непосредственно на радио, обычно питаются коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом. В передающих антеннах импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением питающей линии для обеспечения максимальной передачи мощности. Полуволновая плеть (длиной) имеет несколько большее усиление, чем четвертьволновая плеть, но в точке подключения у основания стержня у нее находится узел тока, что приводит к очень высокому входному импедансу. Если бы антенна была бесконечно тонкой, ее входной импеданс был бы бесконечным, но из-за конечной ширины типичные полуволновые плети имеют импеданс 800–1500 Ом. Обычно они питаются через согласующий трансформатор импеданса или четвертьволновой согласующий участок (например, антенна J-полюса). Преимущество заключается в том, что, действуя как диполь, она не требует плоскости заземления. Максимальное горизонтальное усиление монопольной антенны достигается при длине, равной пяти восьмым длины волны, поэтому эта длина также популярна для плетей. Однако при такой длине диаграмма направленности разделяется на горизонтальную основную лепестку и небольшой вторичный лепесток под углом 60°, что приводит к плохому излучению под высоким углом. Входной импеданс составляет около 40 Ом.

The gain and input impedance of the antenna is dependent on the length of the whip element, compared to a wavelength, but also on the size and shape of the ground plane used (if any). A quarter wave vertical antenna working against a perfectly conducting, infinite ground will have a gain of 5.19 dBi and a radiation resistance of about 36.8 ohms. However this gain is never approached in actual antennas unless the ground plane is many wavelengths in diameter. 2 dBi is more typical for a whip with a ground plane of Whips mounted on vehicles use the metal skin of the vehicle as a ground plane. In hand held devices usually no explicit ground plane is provided, and the ground side of the antenna's feed line is just connected to the ground (common) on the device's circuit board. Therefore, the radio itself serves as a rudimentary ground plane. If the radio chassis is not a good deal larger than the antenna itself, the combination of whip and radio functions more as an asymmetrical dipole antenna than as a monopole antenna. The gain will be somewhat lower than a dipole, or a quarter wave whip with an adequate size ground plane. Whips not mounted on the radio itself are usually fed with coaxial cable feedline of 50 ohm or 75 ohm impedance. In transmitting antennas the impedance of the antenna must be matched to the feedline for maximum power transfer. A half wave whip antenna (length of ) has somewhat higher gain than a quarter wave whip, but it has a current node at its feedpoint at the base of the rod so it has very high input impedance. If it was infinitely thin the antenna would have an infinite input impedance, but the finite width gives typical, practical half wave whips an impedance of 800–1,500 ohms. These are usually fed through an impedance matching transformer or a quarter wave stub matching section (e. g. the J pole antenna). An advantage is that because it acts as a dipole it does not need a ground plane. The maximum horizontal gain of a monopole antenna is achieved at a length of five eighths of a wavelength so this is also a popular length for whips. However at this length the radiation pattern is split into a horizontal lobe and a small second lobe at a 60° angle, so high angle radiation is poor. The input impedance is around 40 ohms.

Антенна наземного уровня

В антенны типа "хлыст", не установленной на проводящей поверхности, например, на мачте, отсутствие отраженных радиоволн от земли приводит к тому, что лепесток диаграммы направленности наклоняется вверх к небу, что уменьшает мощность, излучаемую в горизонтальном направлении, что нежелательно для наземной связи. Кроме того, небалансный импеданс монопольного элемента вызывает высокочастотные токи в опорной мачте и на внешней стороне экрана коаксиальной линии питания, заставляя эти конструкции излучать радиоволны, что обычно негативно сказывается на диаграмме направленности. Чтобы предотвратить это, при установке стационарных антенн-хлыстов на конструкциях часто используется искусственная "земляная плоскость", состоящая из трех или четырех стержней длиной в четверть длины волны, соединенных с противоположной стороной линии питания и простирающихся горизонтально от основания хлыста. Эти несколько коротких проводниковых элементов служат для приема тока смещения от излучающего элемента и возврата его в заземляющий проводник линии передачи, заставляя антенну вести себя так, как будто под ней находится непрерывная проводящая плоскость. Радиационное сопротивление четвертьволновой антенны с земляной плоскостью и горизонтальными проводниками составляет около 22 Ом, что является плохим согласованием с коаксиальной линией питания, а основной лепесток диаграммы направленности все еще наклонен вверх к небу. Часто (см. рисунки) стержни земляной плоскости наклонены вниз под углом 45 градусов, что приводит к снижению основного лепестка диаграммы направленности, увеличивая мощность, излучаемую в горизонтальном направлении, и повышая входной импеданс для лучшего согласования со стандартным 50-омным коаксиальным кабелем. Для согласования с 75-омным коаксиальным кабелем концы земляной плоскости можно наклонить вниз или использовать сложенный монопольный излучатель.

Повреждения антенны транспортного средства

Антенны на автомобилях могут быть повреждены автоматическим оборудованием для мойки автомобилей, особенно теми, которые используют вращающиеся щетки для абразивного удаления грязи с внешней поверхности кузова. Поскольку щетки должны соприкасаться с поверхностью автомобиля, они могут гнуть или полностью отламывать хлыстовые антенны. Как правило, рекомендуется снимать или убирать эти антенны, чтобы избежать контакта со щетками, либо владельцу автомобиля следует пользоваться только автоматической мойкой, использующей бесконтактную струйную мойку.