Co to jest antena monopolowa? Kompletny przewodnik

Antena monopolowa jest kamieniem milowym w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej. Jest to jedna z tych części, które mogą nie być często brane pod uwagę, ale jest obecna we wszystkim, od telefonu komórkowego w kieszeni po radio w samochodzie. W tym artykule zbadamy świat anten monopolowych, podkreślając, w jaki sposób zostały one przystosowane, aby stać się niezbędnym elementem codziennego życia.

Na początku zrozumienie podstaw działania anten monopolowych może wydawać się trudne, ale jesteśmy tutaj, aby to ułatwić. Wydajność i prostota to kluczowe cechy tych anten, które stanowią przystępną cenowo opcję do różnych zastosowań.

Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd anten monopolowych, ich historycznych początków, typów anten, struktury i elementów konstrukcyjnych oraz ważnej funkcji, jaką odgrywają w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych. Wraz z omówieniem korzyści, wad i szczególnych zastosowań anten monopolowych. Przeanalizujmy, w jaki sposób te urządzenia przechwytują i wysyłają sygnały, umożliwiając nam pozostanie w kontakcie na więcej sposobów, niż nam się wydaje.

Historia anten monopolowych

Antena monopolowa, początkowo skonceptualizowana pod koniec XIX wieku, ma swoje początki w pionierskich badaniach Guglielmo Marconiktóry wykorzystał wczesne wersje koncepcji monopoli w swoich przełomowych badaniach nad telegrafią bezprzewodową. Przez ponad sto lat anteny monopolowe były niezbędne w branży komunikacji bezprzewodowej. Oparte na podstawowych badaniach promieniowania elektromagnetycznego, rozpoczęły swoją przygodę na początku XX wieku. Anteny te zrewolucjonizowały sposób przechwytywania i przesyłania sygnałów ze względu na ich wydajność i prostotę, co doprowadziło do ich popularności w różnych zastosowaniach.

Początkowo anteny monopolowe odgrywały kluczową rolę we wczesnych etapach rozwoju komunikacji radiowej. Oferowały one prostą metodę nadawania i odbierania dźwięku na duże odległości. Zastosowanie anten monopolowych rozwijało się wraz z postępem technologicznym. Były one preferowaną opcją dla nowych technologii bezprzewodowych ze względu na ich przystępną cenę i wszechstronność.

Anteny monopolowe zmieniły się z czasem, aby zaspokoić potrzeby świata, który staje się coraz bardziej połączony. Obecnie są one nadal istotną częścią technologii bezprzewodowej, umożliwiając dokładną transmisję danych i międzynarodową komunikację. Ich rozwój odzwierciedla przełomy w technologii bezprzewodowej, demonstrując ich ciągłe zastosowanie w erze cyfrowej.

Co to jest antena monopolowa?  

Pojedynczy element przewodzący, zazwyczaj drut lub pręt, umieszczony nad przewodzącą płaszczyzną uziemienia tworzy antenę monopolową, która jest formą anteny radiowej. Antena ta jest prostym urządzeniem jednoprzewodowym, które jest szeroko stosowane w systemach komunikacji bezprzewodowej zarówno do wysyłania, jak i odbierania sygnałów. Ponieważ jej długość jest zwykle zaprojektowana tak, aby rezonować przy określonej długości fali nadawanego lub odbieranego sygnału, jest ona klasyfikowana jako antena rezonansowa.

Pręt przewodzący w antenie monopolowej oscyluje poprzez stałe fale napięcia i prądu wzdłuż jego długości, działając głównie jako otwarty rezonator dla fal radiowych. W zależności od pożądanej długości fali radiowej, długość anteny można łatwo obliczyć. Antena monopolowa ma średni zysk 3,7 dBi i działa w zakresie częstotliwości 1,7-2 GHz.

Struktura i cechy konstrukcyjne  

Ze względu na swoje unikalne właściwości, anteny monopolowe są niezwykle przydatne w szerokim zakresie zastosowań, zwłaszcza w systemach globalnego pozycjonowania, gdzie precyzyjny odbiór sygnału jest niezbędny.

Element promieniujący: Jest to główny element wysyłający i odbierający fale elektromagnetyczne i zazwyczaj jest to pionowy pręt lub drut. Podstawowym elementem anteny monopolowej jest pojedyncze urządzenie przewodzące, znane jako monopol, które jest umieszczone nad płaszczyzną uziemienia. Koncepcja ta zapewnia pionowo spolaryzowaną falę i jest prosta, ale bardzo skuteczna. Wielokierunkowy wzór anten monopolowych w płaszczyźnie poziomej jest kluczowym elementem, który gwarantuje spójne możliwości odbioru i nadawania niezależnie od orientacji anteny w stosunku do sygnałów satelitarnych.

Płaszczyzna uziemienia: Sieć przewodów lub powierzchnia przewodząca, która poprawia wydajność elementu promieniującego, służąc jako powierzchnia odbijająca. Ze względu na sposób, w jaki są wykonane, anteny monopolowe wymagają dużej płaszczyzny uziemienia, aby dobrze działać. Aby zapewnić wystarczającą powierzchnię do skutecznego przeciwdziałania elementowi monopolowemu, potrzeba ta często wpływa na całą konstrukcję urządzenia.

Cechy konstrukcyjne: Obejmuje to dodanie cewek obciążających w celu zminimalizowania rozmiaru fizycznego bez wpływu na wydajność, zmianę wysokości i zwężenie w celu dopasowania impedancji. Na wydajność anteny duży wpływ ma długość monopolu, która jest zwykle wyrażana jako jedna czwarta długości fali częstotliwości. Pomiar ten jest obliczany w celu zapewnienia optymalnego rezonansu i największego możliwego odbioru sygnałów bezprzewodowych.

Rodzaje anten monopolowych  

Anteny monopolowe występują w kilku typach, z których każdy przeznaczony jest do określonych zastosowań:  

Antena magnetyczna

Jednym z rodzajów anten monopolowych jest antena biczowa, która jest niezwykle elastyczna, aby zapobiec łatwemu pękaniu. Nazwa tej anteny została zainspirowana ruchem przypominającym bicz, który wykazuje, gdy jest zakłócany. Dolna część tej anteny jest po prostu przymocowana do nadajnika lub odbiornika radiowego i składa się z prostego, elastycznego pręta lub drutu.

Anteny te są wykonane przy użyciu zestawu teleskopowych metalowych rur do przenośnych radiotelefonów, co pozwala na ich złożenie, gdy nie są używane. Dłuższe bicze, które mogą osiągać długość 11 metrów, są głównie przeznaczone do montażu na samochodach i innych konstrukcjach, które zawierają elastyczny pręt z włókna szklanego z rdzeniem z drutu. Długość fali fal radiowych może być wykorzystana do obliczenia idealnej długości anteny.

Są to anteny monopolowe, które są najczęściej używane w pasmach radiowych VHF, UHF i HF. Są one szeroko stosowane w boom boxach, krótkofalówkach, urządzeniach z obsługą Wi-Fi, radiach FM, telefonach bezprzewodowych i radiotelefonach ręcznych. Podłączane są do nich zarówno radia dwukierunkowe do samochodów i samolotów, jak i radia samochodowe.

Monopole z płaszczyzną uziemienia

Połowa anteny dipolowej jest umieszczona pod kątem prostym na przewodzącej płaszczyźnie uziemienia, tworząc antenę monopolową na płaszczyźnie uziemienia. Nie transmituje ona sygnałów poniżej płaszczyzny uziemienia, chociaż działa podobnie do anteny dipolowej umieszczonej nad nią. Efektywna charakterystyka promieniowania tych anten i łatwość użytkowania sprawiają, że są one popularne w sieciach internetowych i mobilnej komunikacji. Anteny monopolowe w płaszczyźnie uziemienia są również antenami typu single-ended, co czyni je bardzo przydatnymi do podłączania do nadajników-odbiorników typu single-ended.

Monopole ćwierćfalowe

Gdy jedna połowa półfalowej anteny dipolowej jest zastąpiona nieskończoną płaszczyzną uziemienia, druga połowa dipola "odbija się" w płaszczyźnie uziemienia. Przeciwwaga to inna nazwa tej płaszczyzny uziemienia. Jest to znane jako monopol ćwierćfalowy.

Monopol działa jak dipol "półfalowy" we wszystkich praktycznych aspektach. Innymi słowy, rezystancja promieniowania wynosi połowę rezystancji dipola półfalowego i ma taki sam wzór promieniowania w kształcie pączka. Można stosować te same metody ładowania i zasilania, a także można go składać lub wyginać jak dipol.

Monopole spiralne

Antena spiralna składa się z co najmniej jednego przewodu przewodzącego skręconego w kształt spirali. Anteny, które składają się z co najmniej dwóch lub czterech drutów w spirali, są określane jako quadrifilar lub bifilar, podczas gdy te, które są zaprojektowane tylko z jednego drutu spiralnego, są znane jako monofilar. Komponenty spiralne są wykorzystywane do osiągnięcia funkcjonalności szerokopasmowej.  

Składane monopole

Ten typ monopolowej anteny masztowej jest najczęściej wykorzystywany przez stacje radiowe AM jako antena nadawcza w zakresie fal średnich. System uziemienia tej anteny, który składa się z podziemnych przewodów, jest przede wszystkim przymocowany do masztu lub pionowego metalowego pręta. Mówiąc prościej, maszt jest otoczony pionowymi przewodami, które są elektrycznie połączone na górze. Metalowy pierścień w pobliżu podstawy masztu po prostu łączy te przewody, a linia zasilająca nadajnika jest połączona między pierścieniem a ziemią. Gdy stacja radiowa AM dzieli wieżę z innymi antenami, takimi jak anteny nadawcze FM, jest to idealna opcja.

Skrócone monopole z cewkami ładującymi

Gdy ograniczenia przestrzenne uniemożliwiają użycie anteny o pełnej długości, zwłaszcza przy niższych częstotliwościach, "skrócony monopol z cewką obciążającą" jest anteną pionową (monopolem), która jest fizycznie krótsza niż typowa konstrukcja o ćwierć długości fali. Jednak poprzez dodanie cewki indukcyjnej (cewki obciążającej) szeregowo u podstawy, antena rezonuje z żądaną częstotliwością, skutecznie "wydłużając" ją elektrycznie i umożliwiając jej działanie przy krótszej długości fizycznej. Ma to na celu zachowanie rezonansu przy jednoczesnej oszczędności miejsca.  

Dopasowanie impedancji  

Antena skutecznie przenosi energię między urządzeniem promieniującym a linią transmisyjną poprzez dopasowanie impedancji. Dopasowanie impedancji dla anten monopolowych zwykle obejmuje modyfikację długości elementu promieniującego lub dodanie elementów, takich jak króćce strojeniowe, baluny lub sieci dopasowujące. Aby antena działała jak najwydajniej w zamierzonym paśmie częstotliwości, musi być wykonana z dopasowaną impedancją dla środowiska użytkownika końcowego. Maksymalny zasięg, niskie zużycie energii, mniejsze nagrzewanie i niezawodny przepływ danych to wyniki optymalnej wydajności. Aby zagwarantować, że maksymalna moc jest dostarczana z obwodu RF do anteny przy jak najmniejszej ilości odbijanej z powrotem, impedancja wejściowa anteny musi być ustawiona na 50 Ω.

Czy antena monopolowa wymaga płaszczyzny uziemienia?  

Nie, w antenach monopolowych, które działają na częstotliwościach niższych niż 20 MHz, płaszczyzną uziemienia jest zazwyczaj Ziemia; w tym przypadku antena jest pionowym masztem, który jest umieszczony na ziemi i jest elektrycznie odizolowany od ziemi za pomocą izolatora. Linia zasilająca jest podłączona do uziemienia w podstawie anteny z jednej strony i do masztu z drugiej. Promieniowa sieć zakopanych przewodów rozciągających się na zewnątrz od zakończenia blisko podstawy anteny jest często stosowana w antenach nadawczych w celu obniżenia rezystancji uziemienia. W przypadku nadawania radiowego w pasmach MF i LF konstrukcja ta jest wykorzystywana w antenach nadawczych z promiennikiem masztowym. Antena T i antena parasolowa są przykładami pojemnościowo obciążonych monopoli, które są wykorzystywane do zwiększenia wydajności i mocy promieniowanej, ponieważ maszt anteny jest elektrycznie krótki przy niższych częstotliwościach, co skutkuje niską rezystancją promieniowania.

Sztuczne płaszczyzny uziemienia są używane, aby umożliwić instalację anteny nad ziemią, ponieważ wymagany rozmiar płaszczyzny uziemienia jest mniejszy przy częstotliwościach VHF i UHF. Ćwierćfalowa antena biczowa z płaszczyzną uziemienia składającą się z trzech lub czterech ćwierćfalowych długich drutów lub prętów, które promieniują poziomo lub ukośnie od podstawy podłączonej do uziemionej strony linii zasilającej. Jest to przykład anteny monopolowej typu common dla tych częstotliwości do montażu na masztach lub konstrukcjach. Metalowa powierzchnia karoserii samolotu lub dachu samochodu stanowi doskonałą płaszczyznę uziemienia przy częstotliwościach gigahercowych. Samochodowe anteny telefonii komórkowej są wykonane z krótkich biczów zamontowanych na dachu, a anteny telekomunikacyjne samolotów są często wykonane z krótkiego przewodnika w aerodynamicznej owiewce wystającej z kadłuba. Jest to tak zwana antena łopatkowa. 

Anteny monopolowe obejmują również gumowe i ćwierćfalowe anteny biczowe używane z przenośnymi radiotelefonami FM i krótkofalówkami. Strona uziemienia nadajnika w tych urządzeniach przenośnych jest po prostu podłączona do połączenia uziemienia na płytce drukowanej; antena nie ma skutecznej płaszczyzny uziemienia. Połączenie anteny i uziemienia może działać bardziej jak asymmetryczna antena dipolowa niż monopol, ponieważ uziemienie płytki drukowanej jest często mniejsze niż antena. Prostą płaszczyzną uziemienia może być ręka i ciało osoby trzymającej urządzenie.

Wzór promieniowania anteny monopolowej  

Aby jasno określić funkcję i kierunkowość anteny, wzór promieniowania jest reprezentacją emisji lub odbioru czoła fali anteny, która określa jej siłę. Gdy antena emituje moc, ma to wpływ zarówno na regiony dalekiego, jak i bliskiego pola. W przypadku każdej anteny wzór promieniowania można przedstawić graficznie jako funkcję odległości promieniowej i położenia kątowego.
Ze względu na dookólny wzór promieniowania, antena monopolowa emituje energię elektryczną we wszystkich kierunkach, które są do niej pionowe. Poprzez spadek promieniowania do zera w punkcie szczytowym osi anteny, moc promieniowania anteny zmienia się wraz z kątem elewacji. Emituje ona spolaryzowane pionowo fale radiowe.

Gęstość mocy promieniowanej na danej wysokości jest wprost proporcjonalna do odległości promieniowej linii od źródła przy dowolnym kącie wysokości. W przypadku gęstości mocy porównywalnej z monopolem ćwierćfalowym i izotropowej w decybelach, oś promieniowa jest modyfikowana.

Jaki jest cel anteny monopolowej? (Aplikacje)  

Anteny monopolowe są używane w różnych kontekstach, w tym w urządzeniach przenośnych i systemach montowanych na pojazdach. Są one pożądaną opcją dla producentów, którzy chcą dodać wysokiej jakości bezprzewodowe urządzenia communication bez znacznego zwiększania ich rozmiaru lub zmiany wyglądu ze względu na ich wszechstronność i stosunkowo niskie koszty produkcji.

Jeśli chodzi o zastosowania, spójna i niezawodna wydajność anten monopolowych przynosi korzyści klientom, od dostawców usług nawigacyjnych po osoby korzystające z usług smartfonów. Ich fundamentalna prostota nie zmniejsza ich mocy; raczej podkreśla elegancję dobrze zaprojektowanego systemu, który konsekwentnie i skutecznie zapewnia dokładną transmisję.

• Różne branże, w tym kosmonautyka, technologia radarowa, badania biomedyczne itp. wykorzystują anteny monopolowe.
• Monopol jest używany wyłącznie jako antena rezonansowa, z prętem działającym jako otwarty rezonator, szczególnie dla fal radiowych, i wahającym się poprzez stojące fale napięcia i prądu wzdłuż jego długości. Dlatego wybrana długość fali radiowej jest jedynym czynnikiem określającym długość anteny.
• Bezprzewodowe systemy communication doskonale wykorzystują ten rodzaj anteny.
• Do zastosowań noszonych na sobie zbudowano i wykorzystano niskoprofilową pięciokątną antenę monopolową.
• Antena ta jest szeroko stosowana w przenośnych radiach AM/FM, samochodach itp.
• Aplikacje dwupasmowe, wielopasmowe i UWB (ultraszerokopasmowe) wykorzystują anteny monopolowe, które są niezwykle skuteczne, niedrogie i niskoprofilowe.

Antena monopolowa a antena dipolowa  

Chociaż zarówno anteny monopolowe, jak i dipolowe są typami rezonansowymi, różnią się one konstrukcją i zastosowaniem:  

• Antena monopolowa wykorzystuje tylko jeden biegun lub element przewodzący i składa się z prostego pręta przewodzącego, który jest umieszczony pionowo na prawdziwej płaszczyźnie uziemienia. Z drugiej strony antena dipolowa przesyła lub odbiera energię o częstotliwości radiowej za pomocą dwóch biegunów lub części przewodzących, które są oddzielone w środku.
• Antena dipolowa wykorzystuje syntetyczną płaszczyznę uziemienia wykonaną przez elementy promiennika symmetric, podczas gdy antena monopolowa zależy od płaszczyzny uziemienia, z zewnętrznym przewodnikiem kabla koncentrycznego działającym jako odniesienie uziemienia.
• Dookólny wzór promieniowania anteny monopolowej zapewnia spójne pokrycie płaszczyzny poziomej. Z drugiej strony, elementy promiennika anteny dipolowej, które są 180° poza fazą z wewnętrznymi i zewnętrznymi przewodnikami kabla koncentrycznego, zapewniają wzór promieniowania, który jest pionowo symmetric.
• Podczas gdy anteny monopolowe są dostępne w ograniczonej liczbie form i odmian, dipole są szeroko stosowane i istnieją w szerokiej gamie.

Zalety i wady  

Zalety  

Anteny monopolowe są preferowaną opcją w wielu zastosowaniach komunikacji bezprzewodowej, ponieważ zapewniają szereg istotnych korzyści w porównaniu z alternatywnymi typami anten. Wyróżniają się łatwością użycia, przystępną ceną i skutecznością w nadawaniu i odbieraniu sygnałów, co gwarantuje, że są niezbędne do działania szerokiej gamy urządzeń.

• Kompaktowy rozmiar i konstrukcja - są dobrze znane ze swojej prostej konstrukcji. Ta łatwość użytkowania sprawia, że łatwiej jest je włączyć do gadżetów, takich jak technologia do noszenia, smartfony i systemy nawigacji samochodowej. W przeciwieństwie do bardziej złożonych typów anten, monopole mogą działać wydajnie bez potrzeby stosowania dużych powierzchni lub złożonych struktur. Ze względu na ich niewielki rozmiar, producenci są w stanie zachować przenośność i elegancję urządzeń bez poświęcania jakości sygnału.

• Wysoka jakość sygnału - w warunkach miejskich, gdzie zakłócenia wielościeżkowe mogą poważnie wpływać na jakość sygnału, anteny monopolowe są dość skuteczne. Ze względu na ich naturalną zdolność do redukcji szumów i utrzymywania silnego sygnału, zapewniają one niezawodną łączność użytkownikom poruszającym się w trudnych warunkach miejskich.

• Opłacalność - w przeciwieństwie do bardziej skomplikowanych anten, ich prosta konstrukcja eliminuje potrzebę stosowania kosztownych materiałów i czasochłonnych procedur produkcyjnych. Ze względu na swoją efektywność kosztową, anteny monopolowe są pożądanym wyborem dla producentów dążących do stworzenia wysokiej jakości, niedrogich bezprzewodowych urządzeń komunikacyjnych co1TP14.

• Wysoka wydajność - Ze względu na korzystne wzorce promieniowania i możliwości przepustowości, anteny monopolowe działają zauważalnie lepiej. Mogą skutecznie wysyłać i odbierać sygnały z satelitów przy znikomych stratach, gwarantując niezawodne i precyzyjne dane geograficzne.

• Wydajna transmisja - Impedancja bierna anteny monopolowej jest stosunkowo wysoka w większości jej zakresu częstotliwości. Impedancję można zmienić bez poświęcania czułości, umieszczając aktywny wzmacniacz o wysokiej impedancji wejściowej.

Wady  

• Słabe promieniowanie - gdy antena monopolowa promieniuje jednakowo we wszystkich kierunkach wzdłuż płaszczyzny poziomej, oznacza to, że energia jest rozprowadzana równomiernie. W związku z tym siła sygnału w dowolnym kierunku nie jest zbyt duża, mimo że ta wielokierunkowa funkcja jest przydatna w zastosowaniach wymagających szerokiego zasięgu.

• Zakłócenia - znajdujące się w pobliżu metalowe przedmioty i podłoże mogą powodować odbicia sygnału, które zakłócają główną ścieżkę sygnału. Odbicia te mogą skutkować odbiorem lub transmisją sygnałów w nieoczekiwanych polaryzacjach (zarówno pionowej, jak i poziomej), potencjalnie pogarszając jakość sygnału i powodując zakłócenia wielościeżkowe.

• Potrzeba płaszczyzny uziemienia - anteny monopolowe wymagają płaszczyzny uziemienia, która jest zwykle proporcjonalna do długości fali roboczej. Może to prowadzić do dużych, nieporęcznych płaszczyzn uziemienia dla niższych częstotliwości, co utrudnia ich wdrożenie w środowiskach o ograniczonej przestrzeni lub na małych urządzeniach.

• Błędy kalibracji - kalibracja anten monopolowych wewnątrz ekranowanych komór może być trudna, ponieważ ich impedancje mogą różnić się o rzędy wielkości. Pomiary wykonane zbyt blisko płaszczyzny uziemienia lub końcówki anteny mogą być niedokładne.

Zastosowania w systemach komunikacyjnych Co1TP14  

Aby zapewnić niezawodną łączność w bezprzewodowej sieci communication, niezbędne są anteny monopolowe. Aby zapewnić niezawodne połączenia communication, anteny te są niezbędne, ponieważ mogą odbierać i wysyłać sygnały w 360-stopniowym układzie poziomym. Funkcja ta jest szczególnie przydatna w środowisku miejskim, gdzie przeszkody mogą potencjalnie uniemożliwiać przepływ sygnału.

• Anteny monopolowe są obecnie kluczową częścią rozwoju i działania systemów GNSS/GPS ze względu na ich prostą konstrukcję i przystępną cenę. Uznając ich istotną funkcję w komunikacji bezprzewodowej, możemy wykorzystać potencjał dalszego rozwoju usług geolokalizacyjnych, zwiększając ich niezawodność i dostępność dla użytkowników na całym świecie.

• Są one również wykorzystywane do nadawania sygnałów telewizji naziemnej ze względu na łatwość obsługi i wydajne wzorce emisji. Anteny te gwarantują niezawodną transmisję sygnału do domów i firm, zwłaszcza w obszarach pozbawionych łączności satelitarnej lub kablowej.

• Ponieważ anteny monopolowe mogą nadawać sygnały równomiernie we wszystkich kierunkach poziomych, są one często stosowane w wieżach nadawczych AM/FM. Dzięki wielokierunkowemu zasięgowi audycje radiowe mogą skutecznie docierać do dużej liczby odbiorców zarówno w miastach, jak i na obszarach wiejskich.

Wnioski  

Podsumowując, ze względu na łatwość użytkowania, skuteczność i wszechstronność, anteny monopolowe nadal stanowią podstawowy element technologii telekomunikacyjnej. Ich szeroki zakres zastosowań, od nadawania do współczesnych sieci bezprzewodowych, oraz historyczne znaczenie podkreślają ich znaczenie w rozwoju technologii. Ich zalety sprawiają, że są nieocenione w szybko rozwijającej się dziedzinie komunikacji co1TP14. Z tego artykułu użytkownicy mogą zrozumieć, czym jest antena monopolowa i jakie są jej cechy konstrukcyjne, porównując zalety i wady oraz zastosowania, aby rozwiązania technologiczne były jeszcze lepsze.