Монопольная антенна: принцип работы и типы

Введение

Тип радиоантенны

Монопольная антенна – это класс радиоантенн, состоящий из прямого проводника в форме стержня, часто установленного перпендикулярно над проводящей поверхностью, называемой землей или плоскостью заземления. Сигнал передачи от передатчика подается, а для приемных антенн – принимается выходной сигнал для приемника между нижним концом монополя и плоскостью заземления. Одна сторона линии подключения антенны присоединяется к нижнему концу монополя, а другая – к плоскости заземления, которая часто является землей. Это отличается от дипольной антенны, которая состоит из двух идентичных стержневых проводников, при этом сигнал от передатчика подается между двумя половинками антенны. Монополь часто используется как резонансная антенна. Стержень функционирует как открытый резонатор для радиоволн и колеблется со стоячими волнами напряжения и тока вдоль своей длины. Следовательно, длина антенны определяется на основе длины волны желаемых радиоволн. Наиболее распространенной формой является четвертьволновая монопольная антенна, в которой длина антенны составляет примерно четверть длины волны радиоволн. Однако в широковещательных монопольных антеннах также популярны длины, равные длине волны, поскольку в монополе такая длина максимизирует мощность, излучаемую перпендикулярно оси излучателя, что при вертикальном излучателе оптимизирует эффективность для наземного вещания. Монопольная антенна была изобретена в 1895 году пионером радио Гульельмо Маркони; по этой причине ее иногда называют антенной Маркони. Импеданс нагрузки четвертьволнового монополя равен половине импеданса нагрузки дипольной антенны, то есть 37,5 Ом. Распространенные типы монопольных антенн:

хлыст
резиновая уточка
спиральная
случайный провод
зонт
перевернутая L и T-образная антенна
сложенный униполь и перевернутая F
мачтовый излучатель
антенны с плоскостью заземления

Образец излучения

Как и вертикально подвешенная дипольная антенна, монополь имеет всенаправленную диаграмму излучения: 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, в то время как монополи должны быть установлены непосредственно на землю, на диаграмму излучения монополей в большей степени влияет сопротивление земли, и диаграмма излучения по углу места принципиально отличается. Монополь можно представить (справа) как образованный заменой нижней половины вертикальной дипольной антенны (c) проводящей плоскостью (земляной плоскостью), расположенной под прямым углом к оставшейся половине. Если земляная плоскость достаточно велика, радиоволны от оставшейся верхней половины диполя (a), отраженные от земляной плоскости, будут казаться исходящими от зеркальной антенны (b), формирующей недостающую половину диполя, которая суммируется с прямым излучением, образуя диаграмму излучения диполя. Таким образом, диаграмма излучения монополя с идеально проводящей, бесконечной земляной плоскостью идентична верхней половине диаграммы излучения диполя. До длины в половину длины волны антенна имеет одну лепестковую диаграмму с максимальным усилением в горизонтальных направлениях, перпендикулярных оси антенны. Ниже четверти длины волны резонанса диаграмма излучения практически не меняется с изменением длины. Выше лепесток уплощается, излучая больше мощности в горизонтальном направлении. Выше половины длины волны диаграмма разделяется на главный горизонтальный лепесток и небольшой второй конический лепесток под углом 60° к горизонту. Однако горизонтальное усиление продолжает увеличиваться и достигает максимума при длине в пять восьмых длины волны: (это приближение, справедливое для антенны типичной толщины, для бесконечно тонкого монополя максимум достигается при ). Максимум достигается при этой длине, потому что излучение в противофазе от двух лепестков интерферирует деструктивно и гасится под большими углами, "сжимая" больше мощности в горизонтальный лепесток. Сразу выше горизонтальный лепесток быстро уменьшается, а высокоугольный лепесток увеличивается, уменьшая мощность, излучаемую в горизонтальном направлении, и, следовательно, уменьшая усиление. По этой причине немногие антенны используют длины, превышающие или 0,625 длины волны. По мере увеличения длины антенны диаграмма разделяется на большее количество лепестков, между которыми находятся нули (направления нулевой излучаемой мощности). Общий эффект электрически малых земляных плоскостей, а также не идеально проводящих заземлений, заключается в наклоне направления максимального излучения к более высоким углам места и уменьшении усиления. Усиление реальных четвертьволновых антенн с типичными заземляющими системами составляет около 2–3 дБи.

Like a vertically suspended dipole antenna, a monopole has an omnidirectional radiation pattern: It radiates with equal power in all azimuthal directions perpendicular to the antenna. The radiated power varies with elevation angle, with the radiation dropping off to zero at the zenith on the antenna axis. It radiates vertically polarized radio waves. Since vertical halfwave dipoles must have their center raised at least a quarter wave above the ground, whereas monopoles must be mounted directly on the ground, the monopoles' radiation patterns are more greatly affected by resistance in the earth, and the radiation pattern with elevation inherently differs. A monopole can be visualized (right) as being formed by replacing the bottom half of a vertical dipole antenna (c) with a conducting plane (ground plane) at right angles to the remaining half. If the ground plane is large enough, the radio waves from the remaining upper half of the dipole (a) reflected from the ground plane will seem to come from an image antenna (b) forming the missing half of the dipole, which adds to the direct radiation to form a dipole radiation pattern. So the pattern of a monopole with a perfectly conducting, infinite ground plane is identical to the top half of a dipole pattern. Up to a length of a half wavelength the antenna has a single lobe with maximum gain in horizontal directions, perpendicular to the antenna axis. Below the quarter wavelength resonance the radiation pattern is nearly constant with length. Above the lobe flattens, radiating more power in horizontal directions. Above a half wavelength the pattern splits into a horizontal main lobe and a small second conical lobe at an angle of 60° elevation into the sky. However, the horizontal gain keeps increasing and reaches a maximum at a length of five eighths wavelength: (this is an approximation valid for a typical thickness antenna, for an infinitely thin monopole the maximum occurs at ). The maximum occurs at this length because the opposite phase radiation from the two lobes interferes destructively and cancels at high angles, "compressing" more of the power into the horizontal lobe. Slightly above the horizontal lobe rapidly gets smaller and the high angle lobe gets larger, reducing power radiated in horizontal directions, and hence reducing gain. Because of this, not many antennas use lengths above or 0.625 wave. As the antenna is made longer, the pattern divides into more lobes, with nulls (directions of zero radiated power) between them. The general effect of electrically small ground planes, as well as imperfectly conducting earth grounds, is to tilt the direction of maximum radiation up to higher elevation angles and reduce the gain. The gain of actual quarter wave antennas with typical ground systems is around 2–3 dBi.

Повышение и входный импеданс

Поскольку она излучает только в пространство над земной плоскостью, или в половину пространства дипольной антенны, монопольная антенна над идеально проводящей бесконечной земной плоскостью будет иметь усиление в два раза (на 3 дБ больше), чем у аналогичной дипольной антенны, и сопротивление излучению вдвое меньше, чем у диполя. Поскольку полуволновая дипольная антенна имеет усиление 2,19 дБи и сопротивление излучению 73 Ом, четвертьволновая монопольная антенна будет иметь усиление и сопротивление излучению около 36,5 Ом. Распространенный тип монопольной антенны на этих частотах для установки на мачтах или конструкциях состоит из четвертьволнового штыря с земной плоскостью, состоящей из 3 или 4 проводов или стержней длиной в четверть волны, расположенных горизонтально или диагонально от основания, соединенных с заземляющей стороной питающей линии; это называется антенной с земной плоскостью. На гигагерцевых частотах металлическая поверхность крыши автомобиля или фюзеляжа самолета обеспечивает хорошую земную плоскость, поэтому автомобильные антенны сотовой связи состоят из коротких штырей, установленных на крыше. Четвертьволновые штыри и резиновые антенны, используемые с портативными радиостанциями, такими как рации и портативные FM-радиоприемники, также являются монопольными антеннами. В этих портативных устройствах антенна не имеет эффективной земной плоскости, заземляющая сторона передатчика просто соединена с заземляющим контактом на ее печатной плате. Поскольку заземление печатной платы часто меньше антенны, комбинация антенны и заземления может функционировать больше как асимметричная дипольная антенна, чем монополь. Рука и тело человека, держащего их, могут служить примитивной земной плоскостью. Беспроводные устройства и сотовые телефоны используют вариант монополя, называемый инвертированной F-антенной. Монопольный элемент изогнут параллельно поверхности на печатной плате, чтобы его можно было поместить в корпус устройства; обычно антенна изготавливается из медной фольги непосредственно на печатной плате. Эта геометрия привела бы к очень низкому импедансу антенны, если бы она подключалась к основанию. Для улучшения согласования импеданса с питательной цепью (обычно 50 Ом) антенна питается шунтом, то есть питающая линия подключается к промежуточной точке вдоль элемента, а конец элемента заземлен.

Because it radiates only into the space above the ground plane, or half the space of a dipole antenna, a monopole antenna over a perfectly conducting infinite ground plane will have a gain of twice (3 dB greater than) the gain of a similar dipole antenna, and a radiation resistance half that of a dipole. Since a half wave dipole has a gain of 2.19 dBi and a radiation resistance of 73 Ohms, a quarter wave monopole will have a gain of and a radiation resistance of about 36.5 Ohms. A common type of monopole antenna at these frequencies for mounting on masts or structures consists of a quarter wave whip antenna with a ground plane consisting of 3 or 4 wires or rods a quarter wave long radiating horizontally or diagonally from its base connected to the ground side of the feedline; this is called a ground plane antenna. At gigahertz frequencies the metal surface of a car roof or airplane body makes a good ground plane, so car cell phone antennas consist of short whips mounted on the roof,

The quarter wave whip and rubber ducky antennas used with handheld radios such as walkie talkies and portable FM radios are also monopole antennas. In these portable devices the antenna does not have an effective ground plane, the ground side of the transmitter is just connected to the ground connection on its circuit board. Since the circuit board ground is often smaller than the antenna, the antenna and ground combination may function more as an asymmetrical dipole antenna than a monopole. The hand and body of the person holding them may function as a rudimentary ground plane. Wireless devices and cell phones use a monopole variant called the inverted F antenna. The monopole element is bent over parallel to the ground area on the circuit board, so it can be enclosed in the device case; usually the antenna is fabricated of copper foil on the printed circuit board itself. This geometry would give the antenna a very low impedance if it was driven at the base. To improve the impedance match with the feed circuit (typically 50 Ohms impedance) the antenna is shunt fed, the feedline is instead connected to an intermediate point along the element, and the element end is grounded.