Wat is een monopoolantenne? Een complete gids

De monopoolantenne is een belangrijke mijlpaal op het gebied van draadloze communicatie. Het is een van die onderdelen waar je misschien niet vaak bij stilstaat, maar het zit overal in, van de mobiele telefoon in je zak tot de radio in je auto. In dit artikel verkennen we de wereld van monopoolantennes en laten we zien hoe ze zijn uitgegroeid tot een noodzakelijk onderdeel van het dagelijks leven.

In het begin kan het moeilijk lijken om de basisprincipes van de werking van een monopoolantenne te begrijpen, maar wij maken het je gemakkelijk. Efficiëntie en eenvoud zijn de belangrijkste kenmerken van deze antennes, die een betaalbare optie bieden voor een verscheidenheid aan toepassingen.

Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van monopoolantennes, hun historische oorsprong, antennetypen, structuur en ontwerpelementen en de belangrijke functie die ze spelen in moderne communicatienetwerken. Daarnaast worden de voordelen, nadelen en specifieke toepassingen van monopoolantennes besproken. We bestuderen hoe deze apparaten signalen opvangen en verzenden, waardoor we op meer manieren verbonden kunnen blijven dan we misschien denken.

Geschiedenis van de monopoolantenne

De monopoolantenne, oorspronkelijk bedacht aan het eind van de 19e eeuw, vindt zijn oorsprong in het baanbrekende onderzoek van Guglielmo Marconidie vroege versies van monopoolconcepten gebruikte voor zijn baanbrekende studies naar draadloze telegrafie. Al meer dan een eeuw zijn monopoolantennes essentieel in de draadloze communicatie-industrie. Gebaseerd op basisonderzoek naar elektromagnetische straling begonnen ze begin 1900 aan hun avontuur. Deze antennes brachten een revolutie teweeg in de manier waarop we signalen opvangen en verzenden vanwege hun efficiëntie en eenvoud, wat leidde tot hun populariteit in allerlei toepassingen.

Aanvankelijk speelden monopoolantennes een sleutelrol in de vroege stadia van de ontwikkeling van radiocommunicatie. Ze boden een eenvoudige methode voor het verzenden en ontvangen van geluid over lange afstanden. Het gebruik van monopoolantennes groeide mee met de technologische vooruitgang. Ze waren de voorkeursoptie voor nieuwe draadloze technologieën vanwege hun betaalbaarheid en veelzijdigheid.

Monopoolantennes zijn in de loop der tijd veranderd om te voldoen aan de behoeften van een wereld die steeds meer onderling verbonden is. Vandaag de dag zijn ze nog steeds een essentieel onderdeel van draadloze technologie en maken ze nauwkeurige datatransmissie en internationale communicatie mogelijk. Hun ontwikkeling weerspiegelt de doorbraken van de draadloze technologie en toont hun blijvende toepasbaarheid in het digitale tijdperk.

Wat is een monopoolantenne?  

Een enkel geleidend element, meestal een draad of staaf, boven een geleidende massaplaat vormt een monopoolantenne, een vorm van radioantenne. Deze antenne is een eenvoudig apparaat met één draad dat veel wordt gebruikt in draadloze communicatiesystemen voor zowel het zenden als ontvangen van signalen. Omdat de lengte meestal ontworpen is om te resoneren op een bepaalde golflengte van het uitgezonden of ontvangen signaal, wordt het gecategoriseerd als een resonante antenne.

De geleidingsstaaf in een monopoolantenne oscilleert door spannings- en stroomgolven over zijn lengte te laten staan en functioneert voornamelijk als een open resonator voor radiogolven. Afhankelijk van de gewenste golflengte van de radiogolf kan de lengte van de antenne eenvoudig worden berekend. De monopoolantenne heeft een gemiddelde versterking van 3,7 dBi en werkt in het frequentiebereik van 1,7-2 GHz.

Structuur en ontwerpkenmerken  

Dankzij de unieke eigenschappen zijn monopoolantennes uiterst nuttig voor een groot aantal toepassingen, vooral in wereldwijde plaatsbepalingssystemen waar een nauwkeurige signaalontvangst essentieel is.

Stralend element: Dit is het belangrijkste element voor het zenden en ontvangen van elektromagnetische golven en het is meestal een verticale staaf of draad. De fundamentele component van een monopoolantenne is een enkel geleidend apparaat, bekend als een monopool, dat boven een grondvlak is geplaatst. Dit concept zorgt voor een verticaal gepolariseerde golf en is eenvoudig maar zeer effectief. Het omnidirectionele patroon van monopole antennes in het horizontale vlak is een cruciaal onderdeel dat een consistente ontvangst en transmissie garandeert, onafhankelijk van de oriëntatie van de antenne ten opzichte van de satellietsignalen.

Grondvlak: Een netwerk van draden of een geleidend oppervlak dat de prestaties van het stralingselement verbetert door als gereflecteerd oppervlak te dienen. Door de manier waarop ze gemaakt zijn, hebben monopoolantennes een groot grondvlak nodig om goed te werken. Om ervoor te zorgen dat er voldoende oppervlak is om het monopoolelement effectief tegen te werken, beïnvloedt deze behoefte vaak het hele ontwerp van het apparaat.

Ontwerpkenmerken: Dit omvat het toevoegen van laadspoelen om de fysieke afmetingen te minimaliseren zonder de prestaties te beïnvloeden, het veranderen van de hoogte en het taps toelopen om de impedantie aan te passen. De prestaties van de antenne worden sterk beïnvloed door de lengte van de monopool, die meestal wordt uitgedrukt als een kwart van de golflengte van de frequentie. Deze maat wordt berekend voor een optimale resonantie en de grootst mogelijke ontvangst van draadloze signalen.

Soorten monopole antennes  

Monopole antennes zijn er in verschillende types, elk voor specifieke toepassingen:  

Magnetische zweepantenne

Een soort monopoolantenne is een zweepantenne, die extreem flexibel is om te voorkomen dat hij gemakkelijk scheurt. Deze antenne dankt zijn naam aan de zweepachtige beweging die hij maakt als hij wordt gestoord. De onderkant van deze antenne is eenvoudigweg bevestigd aan de radiozender of -ontvanger en bestaat uit een rechte, flexibele staaf of draad.

Deze antennes worden meestal gemaakt met behulp van een set in elkaar grijpende telescopische metalen buizen voor draagbare radio's, waardoor ze kunnen worden ingeklapt als ze niet worden gebruikt. Langere zwepen, die een lengte van 11 meter kunnen bereiken, worden voornamelijk gemaakt voor montage op auto's en andere constructies die een flexibele glasvezelstaaf met een draadkern bevatten. De golflengte van de radiogolven kan worden gebruikt om de ideale lengte van deze antenne te berekenen.

Dit zijn de monopoolantennes die het meest gebruikt worden in de VHF-, UHF- en HF-banden. Deze worden veel gebruikt voor boomboxen, walkietalkies, Wi-Fi-apparaten, FM-radio's, draadloze telefoons en portofoons. Zowel 2-weg radio's voor auto's en vliegtuigen als autoradio's worden erop aangesloten.

Grondvlak Monopoles

De helft van een dipoolantenne wordt in een rechte hoek op een geleidende massaplaat geplaatst om een monopoolantenne met massaplaat te maken. Deze zendt geen signalen uit onder de grondplaat, hoewel hij op dezelfde manier werkt als een dipoolantenne boven de grondplaat. De effectieve stralingskenmerken en het gebruiksgemak van deze antennes maken ze populair in internetnetwerken en mobiele communicatie. Ground plane monopole antennes zijn ook single-ended, waardoor ze erg handig zijn om aan te sluiten op transceivers die single-ended zijn.

Kwartgolfmonopolen

Wanneer de ene helft van een halve golf dipoolantenne wordt vervangen door een oneindige massaplaat, "spiegelt" de andere helft van de dipool zich in de massaplaat. De tegenpool is een andere naam voor deze massaplaat. Dit staat bekend als de Kwartgolfmonopool.

De monopool gedraagt zich in alle praktische opzichten als een "halve-golf" dipool. Met andere woorden, de stralingsweerstand is de helft van de halve golf dipool en hij heeft hetzelfde donutvormige stralingspatroon. Dezelfde laad- en voedingsmethoden kunnen worden gebruikt en de monopool kan worden gevouwen of gebogen als een dipool.

Spiraalvormige monopolen

Een schroefantenne bestaat uit ten minste één geleidende draad die in een spiraalvorm is gedraaid. Antennes die zijn gemaakt met ten minste twee of vier draden in een helix worden quadrifilair of bifilair genoemd, terwijl antennes die zijn ontworpen met slechts één spiraalvormige draad monofilair worden genoemd. Helische componenten worden gebruikt om breedbandfunctionaliteit te bereiken.  

Gevouwen monopolen

Dit type monopole mastradiatorantenne wordt meestal gebruikt door AM-radiozenders als een zendantenne in het middengolfspectrum. Het aardingssysteem van deze antenne, dat bestaat uit ondergrondse draden, is voornamelijk bevestigd aan een mast of verticale metalen staaf. Eenvoudig gezegd wordt de mast omsloten door verticale draden die bovenaan elektrisch met elkaar verbonden zijn. Een metalen ring bij de voet van de mast verbindt deze draden met elkaar en de elektriciteit van de voedingslijn van de zender is verbonden tussen de ring en de grond. Wanneer een AM-radiostation een mast deelt met andere antennes, zoals FM-zendantennes, is dit de ideale optie.

Verkorte monopolen met laadspoelen

Wanneer ruimtebeperkingen het gebruik van een antenne van volledige lengte verhinderen, vooral bij lagere frequenties, is een "verkorte monopool met een laadspoel" een verticale antenne (monopool) die fysiek korter is dan een typisch ontwerp van een kwart golflengte. Door echter een spoel (laadspoel) in serie toe te voegen aan de basis, wordt de antenne zo gemaakt dat hij resoneert op de gewenste frequentie, waardoor hij elektrisch gezien "langer" wordt en met een kortere fysieke lengte kan werken. Dit is ontworpen om resonantie te behouden en tegelijkertijd ruimte te besparen.  

Impedantie aanpassing  

De antenne brengt effectief energie over tussen het stralingsapparaat en de transmissielijn door impedantieaanpassing. Impedantieaanpassing voor monopoolantennes omvat meestal het aanpassen van de lengte van het stralingselement of het toevoegen van elementen zoals afstemstubs, baluns of aanpassingsnetwerken. Om de antenne zo efficiënt mogelijk te laten functioneren in de beoogde frequentieband, moet deze worden gemaakt met een impedantie die is afgestemd op de omgeving van de eindgebruiker. Een maximaal bereik, een laag stroomverbruik, minder verwarming en een betrouwbare gegevensstroom zijn de resultaten van een optimale efficiëntie. Om te garanderen dat het maximale vermogen wordt geleverd door de RF-circuits aan de antenne met de minste terugkaatsing, moet de ingangsimpedantie van de antenne worden ingesteld op 50 Ω.

Heeft een monopoolantenne een grondvlak nodig?  

Nee, bij monopoolantennes die werken bij frequenties lager dan 20 MHz is het aardvlak meestal de aarde; in dit geval is de antenne een verticale mast die op de grond wordt geplaatst en elektrisch van de grond is geïsoleerd door een isolator. De voedingslijn is aan de ene kant verbonden met de aarde bij de antennevoet en aan de andere kant met de mast. Bij zendantennes wordt vaak een radiaal netwerk van begraven draden gebruikt die zich naar buiten uitstrekken vanaf een eindpunt dicht bij de antennevoet om de aardweerstand te verlagen. Voor radio-uitzendingen in de MF- en LF-banden wordt dit ontwerp gebruikt voor mastradiatorzendantennes. De T-antenne en de parapluantenne zijn voorbeelden van capacitief topbelaste monopolen die worden gebruikt om de efficiëntie en het uitgestraalde vermogen te verhogen omdat de antennemast elektrisch kort is bij lagere frequenties, wat resulteert in een lage stralingsweerstand.

Kunstmatige grondvlakken worden gebruikt om de antenne bovengronds te kunnen installeren omdat de benodigde grootte van de grondvlak kleiner is bij VHF- en UHF-frequenties. Een kwartgolf zweepantenne met een massaplaat die bestaat uit drie of vier kwartgolf lange draden of staven die horizontaal of diagonaal uitstralen vanaf de basis die verbonden is met de massakant van de voedingslijn. Dit is een veelgebruikt type monopoolantenne bij deze frequenties voor montage op masten of constructies. Het metalen oppervlak van een vliegtuigcarrosserie of autodak vormt een uitstekend massavlak bij gigahertzfrequenties. Antennes voor mobiele telefoons in auto's bestaan uit korte sprietjes die op het dak gemonteerd zijn en communicatieantennes in vliegtuigen bestaan vaak uit een korte geleider in een aerodynamische kuip die uit de romp steekt. Dit staat bekend als een sprietantenne. 

Onder monopoolantennes vallen ook de rubber-ducky en kwartgolf zweepantennes die gebruikt worden bij draagbare FM-radio's en walkietalkies. De massakant van de zender in deze draagbare apparaten is simpelweg verbonden met de massa-aansluiting op de printplaat; de antenne heeft geen effectief massavlak. De combinatie van antenne en massaplaat werkt eerder als een asymmetrische dipoolantenne dan als een monopool, omdat de massaplaat van de printplaat vaak kleiner is dan de antenne. Een eenvoudige massaplaat kan de hand en het lichaam zijn van de persoon die de antenne vasthoudt.

Stralingspatroon monopoolantenne  

Om de functie en de richtingsgevoeligheid van de antenne duidelijk te identificeren, is het stralingspatroon een weergave van de golffrontemissie of -ontvangst van de antenne die de sterkte ervan specificeert. Zowel het verre als het nabije veld worden beïnvloed wanneer de antenne vermogen uitzendt. Van elke antenne kan het stralingspatroon grafisch worden weergegeven als een functie van de radiale afstand en de hoekpositie.
Vanwege zijn omnidirectionele stralingspatroon straalt de monopoolantenne elektriciteit uit in alle richtingen die verticaal op de antenne staan. Door de straling tot nul te reduceren bij de piek van de as van de antenne, varieert het uitgestraalde vermogen van de antenne met de elevatiehoek. Hij zendt gepolariseerde radiogolven verticaal uit.

De uitgestraalde vermogensdichtheid op een gegeven hoogte is recht evenredig met de radiale afstand van de lijn tot de bron bij elke elevatiehoek. Binnen een vermogensdichtheid die vergelijkbaar is met een kwartgolfmonopool en decibel-isotroop is, wordt de radiale as aangepast.

Wat is het doel van een monopoolantenne (toepassingen)?  

Monopole antennes worden in verschillende contexten gebruikt, waaronder handheld apparaten en systemen op voertuigen. Dankzij hun veelzijdigheid en redelijk lage productiekosten zijn ze een aantrekkelijke optie voor fabrikanten die draadloze communicatieapparaten van hoge kwaliteit willen toevoegen zonder hun afmetingen aanzienlijk uit te breiden of hun uiterlijk te veranderen.

Wat toepassingen betreft, zijn de consistente en betrouwbare prestaties van monopoolantennes voordelig voor klanten, van navigatieproviders tot mensen die gebruik maken van smartphonediensten. Hun fundamentele eenvoud doet niets af aan hun kracht, maar benadrukt de elegantie van een goed ontworpen systeem dat consistent en efficiënt een nauwkeurige transmissie levert.

• Verschillende industrieën, zoals ruimtevaart, radartechnologie en biomedisch onderzoek, maken gebruik van monopoolantennes.
• De monopool wordt gewoonlijk gebruikt als een resonantieantenne, waarbij de staaf fungeert als een open resonator, vooral voor radiogolven, en fluctueert door staande spannings- en stroomgolven over zijn lengte. Daarom is de gekozen golflengte van de radiogolf de enige factor die de antennelengte bepaalt.
• Draadloze communicatiesystemen maken veel gebruik van dit soort antennes.
• Voor draagbare toepassingen wordt een vijfhoekige monopoolantenne met een laag profiel gebouwd en gebruikt.
• Deze antenne wordt veel gebruikt in draagbare AM/FM-radio's, auto's, enz.
• Dual-band, multi-band en UWB (ultra-wideband) toepassingen maken allemaal gebruik van monopole antennes, die ongelooflijk effectief, goedkoop en laag profiel zijn.

Monopool antenne vs. dipool antenne  

Hoewel zowel monopool- als dipoolantennes resonante types zijn, verschillen ze in ontwerp en toepassing:  

• Een monopoolantenne gebruikt slechts één pool of geleidend element en bestaat uit een rechte geleidende staaf die verticaal op een echt grondvlak is geplaatst. Een dipoolantenne daarentegen zendt of ontvangt radiofrequentie-energie door gebruik te maken van twee polen of geleidende delen die in het midden gescheiden zijn.
• De dipoolantenne maakt gebruik van een synthetisch massaplaat gemaakt door de symmetrische radiatorelementen, terwijl de monopoolantenne afhankelijk is van een massaplaat, waarbij de buitengeleider van een coaxkabel als massareferentie fungeert.
• Het omnidirectionele stralingspatroon van een monopoolantenne biedt een consistente dekking in het horizontale vlak. Aan de andere kant zorgen de stralingselementen van de dipoolantenne, die 180° uit fase zijn met de binnen- en buitengeleiders van de coaxkabel, voor een stralingspatroon dat verticaal symmetrisch is.
• Terwijl monopoolantennes beschikbaar zijn in een beperkt aantal vormen en variëteiten, worden dipolen veel gebruikt en bestaan ze in een grote verscheidenheid.

Voordelen en nadelen  

Voordelen  

Monopoolantennes zijn de voorkeursoptie voor veel draadloze communicatietoepassingen omdat ze een aantal belangrijke voordelen bieden ten opzichte van alternatieve antennetypen. Ze onderscheiden zich door hun gebruiksgemak, betaalbaarheid en efficiëntie bij het zenden en ontvangen van signalen, waardoor ze essentieel zijn voor de werking van een grote verscheidenheid aan apparaten.

• Compact formaat en ontwerp - Ze staan bekend om hun eenvoudige ontwerp. Dit gebruiksgemak maakt het eenvoudiger om ze te integreren in gadgets zoals draagbare technologie, smartphones en autonavigatiesystemen. In tegenstelling tot complexere soorten antennes kunnen monopolen efficiënt werken zonder dat er grote oppervlakken of complexe structuren nodig zijn. Door hun kleine formaat kunnen fabrikanten de draagbaarheid en slankheid van apparaten behouden zonder dat dit ten koste gaat van de signaalkwaliteit.

• Hoge signaalkwaliteit - In stedelijke omgevingen, waar multipad-interferentie de signaalkwaliteit ernstig kan beïnvloeden, zijn monopole antennes zeer effectief. Vanwege hun natuurlijke vermogen om ruis te verminderen en een sterk signaal te behouden, bieden ze betrouwbare connectiviteit voor gebruikers die door moeilijke stedelijke omgevingen navigeren.

• Kosteneffectief - In tegenstelling tot meer gecompliceerde antennes zijn er dankzij het eenvoudige ontwerp geen dure materialen en tijdrovende fabricageprocedures nodig. Vanwege de kosteneffectiviteit zijn monopoolantennes een goede keuze voor producenten die hoogwaardige, redelijk geprijsde draadloze communicatieapparaten willen maken.

• Hoge prestaties - Door hun voordelige stralingspatronen en bandbreedte presteren monopoolantennes merkbaar beter. Ze kunnen efficiënt signalen verzenden naar en ontvangen van satellieten met verwaarloosbaar verlies, wat betrouwbare en nauwkeurige geografische gegevens garandeert.

• Efficiënte transmissie - De reactieve impedantie van een monopoolantenne is relatief hoog over het grootste deel van zijn frequentiebereik. Je kunt de impedantie veranderen zonder de gevoeligheid op te offeren door een actieve versterker met een hoge ingangsimpedantie te plaatsen.

Nadelen  

• Slechte straling - Wanneer een monopoolantenne gelijkmatig in alle richtingen langs het horizontale vlak straalt, betekent dit dat de energie gelijkmatig wordt verdeeld. Daarom is de signaalsterkte in een bepaalde richting niet erg sterk, ook al is deze omnidirectionele eigenschap handig voor toepassingen die een brede dekking nodig hebben.

• Interferentie - Nabijgelegen metalen voorwerpen en de grond kunnen signaalreflecties veroorzaken die het primaire signaalpad verstoren. Deze reflecties kunnen resulteren in de ontvangst of transmissie van signalen in onverwachte polarisaties (zowel verticaal als horizontaal), wat de signaalkwaliteit kan verslechteren en multipad-interferentie kan veroorzaken.

• Noodzaak van een grondplaat - Monopoolantennes hebben een grondplaat nodig die meestal evenredig is met de golflengte. Dit kan leiden tot grote, volumineuze grondvlakken voor lagere frequenties, waardoor ze moeilijk te implementeren zijn in omgevingen met beperkte ruimte of op kleine apparaten.

• Kalibratiefouten - Het kan een uitdaging zijn om monopoolantennes te kalibreren in afgeschermde kamers omdat hun impedanties grootteordes kunnen verschillen. Metingen die te dicht bij het grondvlak of de antennetip worden gedaan, zijn waarschijnlijk onnauwkeurig.

Toepassingen in communicatiesystemen  

Voor een betrouwbare verbinding in het draadloze communicatienetwerk zijn monopoolantennes essentieel. Voor betrouwbare communicatieverbindingen zijn deze antennes essentieel omdat ze signalen kunnen ontvangen en verzenden in een horizontaal patroon van 360 graden. In stedelijke omgevingen, waar obstakels de signaalstroom kunnen verhinderen, is deze functie bijzonder nuttig.

• Monopoolantennes zijn nu een cruciaal onderdeel van de ontwikkeling en werking van GNSS/GPS-systemen vanwege hun eenvoudige ontwerp en betaalbaarheid. Door hun essentiële functie in draadloze communicatie te erkennen, kunnen we het potentieel voor verdere vooruitgang in geolocatiediensten benutten en hun betrouwbaarheid en toegankelijkheid voor gebruikers wereldwijd vergroten.

• Deze worden ook gebruikt voor het uitzenden van televisiesignalen via de ether vanwege hun eenvoudige bediening en efficiënte emissiepatronen. Deze antennes garanderen een betrouwbare signaaloverdracht naar huizen en bedrijven, vooral in gebieden zonder satelliet- of kabelverbinding.

• Omdat monopoolantennes signalen gelijkmatig in alle horizontale richtingen kunnen uitzenden, worden ze vaak gebruikt in AM/FM-zendmasten. Radio-uitzendingen kunnen effectief een groot publiek bereiken in zowel stedelijke als landelijke locaties dankzij hun omnidirectionele dekking.

Conclusie  

Concluderend kunnen we stellen dat monopoolantennes vanwege hun gebruiksgemak, effectiviteit en veelzijdigheid een fundamenteel onderdeel van de communicatietechnologie blijven. Hun uitgebreide toepassingsmogelijkheden, van omroep tot hedendaagse draadloze netwerken, en historische relevantie benadrukken hun betekenis in de ontwikkeling van de technologie. Hun voordelen maken ze van onschatbare waarde op het snel groeiende gebied van communicatie. Aan de hand van dit artikel kunnen gebruikers begrijpen wat een monopoolantenne is en wat de ontwerpkenmerken ervan zijn, terwijl de voor- en nadelen en toepassingen worden vergeleken om uw technologische oplossingen nog beter te maken.