Что такое монопольная антенна? Полное руководство

Монопольная антенна - важная веха в области беспроводной связи. Это одна из тех деталей, о которых вы, возможно, не часто задумываетесь, но она присутствует во всем, от сотового телефона в вашем кармане до радиоприемника в вашем автомобиле. В этой статье мы познакомимся с миром монопольных антенн и узнаем, как они превратились в необходимый компонент повседневной жизни.

Поначалу понимание основ работы монопольной антенны может показаться сложным, но мы поможем вам в этом. Эффективность и простота являются ключевыми характеристиками этих антенн, которые представляют собой доступный вариант для разнообразного использования.

В этой статье представлен полный обзор монопольных антенн, их исторического происхождения, типов антенн, структуры и элементов конструкции, а также важной функции, которую они играют в современных сетях связи. Наряду с этим обсуждаются преимущества, недостатки и особенности использования монопольных антенн. Давайте изучим, как эти устройства улавливают и передают сигналы, позволяя нам оставаться на связи гораздо чаще, чем мы думаем.

История монопольной антенны

Монопольная антенна, первоначально разработанная в конце XIX века, берет свое начало в новаторских исследованиях Гульельмо Марконикоторый использовал ранние версии концепций монополей в своих новаторских исследованиях беспроводной телеграфии. Уже более века монопольные антенны играют важную роль в индустрии беспроводной связи. Основываясь на фундаментальных исследованиях электромагнитного излучения, они отправились в свое приключение в начале 1900-х годов. Благодаря своей эффективности и простоте эти антенны произвели революцию в способах улавливания и передачи сигналов, что привело к их популярности в самых разных областях применения.

Сначала монопольные антенны играли ключевую роль на ранних этапах развития радиосвязи. Они обеспечивали простой способ передачи и приема звука на большие расстояния. Использование монопольных антенн расширялось вместе с развитием технологий. Они стали предпочтительным вариантом для новых беспроводных технологий благодаря своей доступности и универсальности.

Монопольные антенны менялись с течением времени, чтобы соответствовать потребностям мира, который становится все более взаимосвязанным. Сегодня они по-прежнему являются неотъемлемой частью беспроводных технологий, обеспечивая точную передачу данных и международную связь. Их развитие отражает прорывы в области беспроводных технологий, демонстрируя их неизменную применимость в цифровую эпоху.

Что такое монопольная антенна?  

Одиночный проводящий элемент, обычно провод или стержень, расположенный над проводящей плоскостью земли, образует монопольную антенну, которая является разновидностью радиоантенны. Эта антенна представляет собой простое однопроводное устройство, которое широко используется в системах беспроводной связи как для передачи, так и для приема сигналов. Поскольку ее длина обычно рассчитана на резонанс с определенной длиной волны передаваемого или принимаемого сигнала, ее относят к категории резонансных антенн.

Проводниковый стержень в монопольной антенне колеблется за счет волн напряжения и тока по всей своей длине, функционируя в основном как открытый резонатор для радиоволн. В зависимости от желаемой длины радиоволны можно легко рассчитать длину антенны. Монопольная антенна имеет средний коэффициент усиления 3,7 dBi и работает в диапазоне частот 1,7-2 GHz.

Структура и особенности конструкции  

Благодаря своим уникальным свойствам монопольные антенны чрезвычайно полезны для широкого спектра приложений, особенно в системах глобального позиционирования, где необходим точный прием сигнала.

Излучающий элемент: Это основной элемент для передачи и приема электромагнитных волн, который обычно представляет собой вертикальный стержень или проволоку. Основным компонентом монопольной антенны является одно проводящее устройство, известное как монополь, которое располагается над плоскостью земли. Эта концепция обеспечивает вертикально поляризованную волну и является простой, но очень эффективной. Всенаправленная диаграмма направленности монопольных антенн в горизонтальной плоскости является важнейшим компонентом, гарантирующим устойчивый прием и передачу независимо от ориентации антенны относительно спутниковых сигналов.

Наземная плоскость: Сеть проводов или проводящая поверхность, которая улучшает характеристики излучающего элемента, служа отражающей поверхностью. Из-за особенностей конструкции монопольные антенны нуждаются в большой плоскости заземления, чтобы хорошо работать. Чтобы обеспечить достаточную площадь поверхности для эффективного противодействия монопольному элементу, эта необходимость часто влияет на всю конструкцию устройства.

Особенности конструкции: Это включает в себя добавление нагрузочных катушек для минимизации физического размера без ущерба для характеристик, изменение высоты и сужение для согласования импеданса. На характеристики антенны большое влияние оказывает длина монополя, которая обычно выражается в четверти длины волны частоты. Это измерение рассчитывается для обеспечения оптимального резонанса и максимально возможного приема беспроводных сигналов.

Типы монопольных антенн  

Монопольные антенны бывают нескольких типов, каждый из которых предназначен для решения конкретных задач:  

Магнитная хлыстовая антенна

Одним из видов монопольных антенн является хлыстовая антенна, которая отличается высокой гибкостью, что предотвращает ее легкое растрескивание. Название этой антенны было дано благодаря движению, напоминающему кнут, которое она демонстрирует, когда ее беспокоят. Нижняя часть этой антенны просто прикрепляется к радиопередатчику или приемнику и состоит из прямого гибкого стержня или провода.

Для изготовления таких антенн обычно используется набор скрепленных между собой телескопических металлических трубок для портативных радиостанций, что позволяет складывать их, когда они не используются. Более длинные хлысты, длина которых может достигать 11 метров, в основном изготавливаются для установки на автомобилях и других конструкциях, включающих гибкий стеклопластиковый стержень с проволочным сердечником. Длина волны радиоволн может быть использована для расчета идеальной длины этой антенны.

Это монопольные антенны, которые чаще всего используются в радиодиапазонах VHF, UHF и HF. Они широко используются для бумбоксов, раций, устройств с поддержкой Wi-Fi, FM-радиостанций, беспроводных телефонов и портативных радиостанций. К ним подключаются как двусторонние радиостанции для автомобилей и самолетов, так и автомобильные радиоприемники.

Монополи в плоскости земли

Половина дипольной антенны располагается под прямым углом на проводящей плоскости земли, чтобы создать монопольную антенну на плоскости земли. Она не передает сигналы ниже плоскости земли, хотя работает аналогично дипольной антенне, расположенной над ней. Эффективные характеристики излучения и простота использования этих антенн делают их популярными в интернет-сетях и мобильной связи. Монопольные антенны в плоскости земли также являются односторонними, что делает их очень удобными для подключения к односторонним трансиверам.

Четвертьволновые монополи

Если заменить одну половину полуволновой дипольной антенны бесконечной плоскостью земли, то вторая половина диполя "зеркально" отразится от плоскости земли. Другое название этой плоскости - контрпояс. Этот вариант известен как четвертьволновой монополь.

Монополь действует как "полуволновой" диполь во всех практических смыслах. Другими словами, сопротивление излучения в два раза меньше, чем у полуволнового диполя, и он имеет такую же пончикообразную форму излучения. Можно использовать те же методы загрузки и питания, а также складывать или изгибать его, как диполь.

Спиральные монополи

Спиральная антенна состоит как минимум из одного проводящего провода, скрученного в спираль. Антенны, в которых спираль состоит как минимум из двух или четырех проводов, называются квадрифилярными или бифилярными, а те, в которых используется только один спиральный провод, называются монофилярными. Спиральные компоненты используются для реализации широкополосных функций.  

Сложенные монополи

Этот тип монопольной мачтовой антенны-радиатора в основном используется радиовещательными станциями AM в качестве передающей антенны в средневолновом диапазоне. Система заземления этой антенны, состоящая из подземных проводов, в основном крепится к мачте или вертикальному металлическому стержню. Проще говоря, мачта окружена вертикальными проводами, которые электрически соединены в верхней части. Металлическое кольцо у основания мачты просто соединяет эти провода, а питающая линия передатчика соединяется между кольцом и землей. Когда АМ-радиостанция делит башню с другими антеннами, например с антеннами FM-вещания, это идеальный вариант.

Укороченные монополи с нагрузочными катушками

Когда ограниченное пространство не позволяет использовать полноразмерную антенну, особенно на низких частотах, "укороченный монополь с нагрузочной катушкой" представляет собой вертикальную антенну (монополь), которая физически короче типичной четвертьволновой конструкции. Однако при добавлении индуктора (нагрузочной катушки) последовательно с ее основанием, антенна резонирует на нужной частоте, эффективно "удлиняя" ее электрически и позволяя ей работать на меньшей физической длине. Это сделано для сохранения резонанса при экономии места.  

Согласование импеданса  

Антенна эффективно передает энергию между излучающим устройством и линией передачи за счет согласования импеданса. Согласование импеданса для монопольных антенн обычно включает в себя изменение длины излучающего элемента или добавление таких элементов, как настроечные шлейфы, балуны или согласующие сети. Чтобы антенна работала как можно эффективнее в предполагаемом диапазоне частот, она должна быть изготовлена с согласованием импеданса для среды конечного пользователя. Максимальная дальность действия, низкое энергопотребление, меньший нагрев и надежный поток данных - вот результаты оптимальной эффективности. Чтобы гарантировать передачу максимальной мощности от радиочастотной цепи к антенне с минимальным отражением назад, входной импеданс антенны должен быть установлен на 50 Ом.

Нужна ли монопольной антенне заземляющая плоскость?  

Нет, в монопольных антеннах, работающих на частотах ниже 20 MHz, плоскостью земли обычно является Земля; в этом случае антенна представляет собой вертикальную мачту, установленную на земле и электрически изолированную от нее изолятором. Фидерная линия подключена к заземлению у основания антенны с одной стороны и к мачте с другой. Для уменьшения сопротивления заземления в передающих антеннах часто используется радиальная сеть заглубленных проводов, идущих наружу от оконечного устройства, расположенного вблизи основания антенны. Для радиовещания в СЧ и НЧ диапазонах такая конструкция используется в передающих антеннах с мачтовым излучателем. Т-образная и зонтичная антенны являются примерами монополей с емкостной верхней нагрузкой, которые используются для повышения эффективности и излучаемой мощности, поскольку мачта антенны электрически короткая на низких частотах, что приводит к низкому сопротивлению излучения.

Искусственные плоскости заземления используются для того, чтобы антенна могла быть установлена над землей, поскольку на частотах VHF и UHF размер необходимой плоскости заземления меньше. Четвертьволновая хлыстовая антенна с плоскостью земли, состоящей из трех или четырех четвертьволновых длинных проводов или стержней, которые излучают горизонтально или диагонально от ее основания, соединенного с землей со стороны фидерной линии. Это распространенный тип монопольной антенны, используемой на этих частотах для установки на мачтах или конструкциях. Металлическая поверхность корпуса самолета или крыши автомобиля является отличной плоскостью земли на гигагерцовых частотах. Антенны для сотовых телефонов в автомобилях состоят из коротких хлыстов, установленных на крыше, а антенны для связи в самолетах часто состоят из короткого проводника в аэродинамическом обтекателе, выдвигающемся из фюзеляжа. Такая антенна называется лопастной. 

К монопольным антеннам также относятся антенны с резиновыми дудками и четвертьволновыми хлыстами, используемые в портативных FM-радиостанциях и рациях. Заземленная сторона передатчика в этих портативных устройствах просто подключена к заземлению на его печатной плате; антенна не имеет эффективной плоскости заземления. Комбинация антенны и заземления может работать скорее как асимметричная дипольная антенна, чем как монополь, поскольку заземление печатной платы часто меньше, чем антенна. Простой плоскостью заземления могут быть руки и тело человека, держащего их в руках.

Диаграмма направленности излучения монопольной антенны  

Для того чтобы четко определить функцию и направленность антенны, диаграмма направленности излучения - это представление волнового фронта излучения или приема антенны, которое определяет ее силу. При излучении мощности антенны затрагиваются как дальние, так и ближние области. Для любой антенны диаграмма направленности излучения может быть представлена в виде функции радиального расстояния и углового положения.
Благодаря всенаправленной диаграмме направленности излучения монопольная антенна излучает электроэнергию во всех направлениях, расположенных вертикально по отношению к ней. Благодаря спаду излучения до нуля на вершине оси антенны, излучаемая мощность антенны изменяется в зависимости от угла возвышения. Она излучает поляризованные радиоволны в вертикальном направлении.

Плотность излучаемой мощности на заданной высоте прямо пропорциональна радиальному расстоянию линии от источника при любом угле возвышения. В пределах плотности мощности, сравнимой с четвертьволновым монополем и изотропной по децибелам, радиальная ось изменяется.

Каково назначение монопольной антенны? (Приложения)  

Монопольные антенны используются в самых разных сферах, включая портативные устройства и системы, устанавливаемые на транспортные средства. Благодаря своей универсальности и достаточно низкой стоимости производства они являются желаемым вариантом для производителей, которые хотят добавить качественные устройства беспроводной связи без значительного увеличения их размеров или изменения внешнего вида.

Прикладное применение монопольных антенн обеспечивает стабильную и надежную работу для самых разных клиентов - от поставщиков навигационных услуг до людей, пользующихся услугами смартфонов. Их фундаментальная простота не уменьшает их мощности, а, наоборот, подчеркивает элегантность хорошо продуманной системы, которая последовательно и эффективно обеспечивает точную передачу.

• Монопольные антенны используются в различных отраслях, включая космическую науку, радарные технологии, биомедицинские исследования и т.д.
• Монополь обычно используется в качестве резонансной антенны: его стержень действует как открытый резонатор, особенно для радиоволн, и колеблется за счет стоячих волн напряжения и тока по его длине. Поэтому выбранная длина радиоволны является единственным фактором, определяющим длину антенны.
• Системы беспроводной связи широко используют этот вид антенн.
• Для носимых приложений создана и используется низкопрофильная пентагональная монопольная антенна.
• Эта антенна широко используется в портативных AM/FM радиоприемниках, автомобилях и т.д.
• В двухдиапазонных, многодиапазонных и сверхширокополосных (UWB) приложениях используются монопольные антенны, которые невероятно эффективны, недороги и низкопрофильны.

Монопольная антенна в сравнении с дипольной антенной  

Хотя и монопольные, и дипольные антенны относятся к резонансным типам, они различаются по конструкции и применению:  

• Монопольная антенна использует только один полюс или проводящий элемент и состоит из прямого проводящего стержня, расположенного вертикально на реальной плоскости земли. Дипольная антенна, с другой стороны, передает или принимает радиочастотную энергию с помощью двух полюсов или проводящих элементов, разделенных в центре.
• Дипольная антенна использует синтетическую плоскость земли, образованную симметричными элементами излучателя, в то время как монопольная антенна зависит от плоскости земли, а внешняя жила коаксиального кабеля выступает в качестве опорной.
• Всенаправленная диаграмма направленности излучения монопольной антенны обеспечивает равномерное покрытие горизонтальной плоскости. С другой стороны, излучающие элементы дипольной антенны, которые находятся в фазе 180° с внутренним и внешним проводниками коаксиального кабеля, обеспечивают вертикально-симметричную диаграмму направленности излучения.
• В то время как монопольные антенны доступны в ограниченном количестве форм и разновидностей, дипольные широко используются и существуют в широком разнообразии.

Преимущества и недостатки  

Преимущества  

Монопольные антенны являются предпочтительным вариантом для многих приложений беспроводной связи, поскольку они обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими типами антенн. Они отличаются простотой использования, доступностью и эффективностью при передаче и приеме сигналов, что гарантирует их незаменимость для работы самых разных устройств.

• Компактный размер и дизайн - они известны своей простой конструкцией. Благодаря этой простоте их легче встраивать в такие гаджеты, как носимые устройства, смартфоны и автомобильные навигационные системы. В отличие от более сложных типов антенн, монопольные могут эффективно работать, не требуя больших площадей или сложных конструкций. Благодаря небольшим размерам производителям удается сохранить портативность и элегантность устройств, не жертвуя качеством сигнала.

• Высокое качество сигнала - В городских условиях, где многолучевые помехи могут серьезно повлиять на качество сигнала, монопольные антенны весьма эффективны. Благодаря своей естественной способности снижать уровень шума и поддерживать сильный сигнал, они обеспечивают надежную связь для пользователей, перемещающихся в сложных городских условиях.

• Экономичность - в отличие от более сложных антенн, их простая конструкция исключает необходимость использования дорогостоящих материалов и трудоемких производственных процедур. Благодаря своей экономичности монопольные антенны являются предпочтительным выбором для производителей, стремящихся создавать высококачественные и недорогие устройства беспроводной связи.

• Высокая производительность - благодаря выгодным диаграммам направленности излучения и пропускной способности монопольные антенны работают заметно лучше. Они могут эффективно передавать и принимать сигналы со спутников с незначительными потерями, гарантируя надежные и точные географические данные.

• Эффективная передача - реактивный импеданс монопольной антенны сравнительно высок во всем диапазоне частот. Вы можете изменить этот импеданс без ущерба для чувствительности, установив активный усилитель с высоким входным сопротивлением.

Недостатки  

• Плохое излучение - когда монопольная антенна излучает одинаково во всех направлениях вдоль горизонтальной плоскости, это означает, что энергия распределяется равномерно. Поэтому сила сигнала в каком-либо одном направлении не очень велика, хотя эта всенаправленная функция полезна для приложений, требующих широкого охвата.

• Помехи - Близко расположенные металлические предметы и земля могут вызывать отражения сигнала, которые мешают прохождению основного сигнала. Эти отражения могут привести к приему или передаче сигналов в неожиданной поляризации (как вертикальной, так и горизонтальной), что может ухудшить качество сигнала и вызвать многолучевые помехи.

• Необходимость плоскости заземления - монопольные антенны требуют плоскости заземления, которая обычно пропорциональна рабочей длине волны. Это может привести к появлению больших и громоздких наземных плоскостей для низких частот, что делает их сложными для развертывания в условиях ограниченного пространства или на небольших устройствах.

• Ошибки калибровки - калибровка монопольных антенн в экранированных камерах может быть затруднена, поскольку их импедансы могут отличаться на порядки. Измерения, выполненные слишком близко к плоскости земли или кончику антенны, скорее всего, будут неточными.

Применение в системах связи  

Для обеспечения надежного соединения в беспроводной сети связи необходимы монопольные антенны. Для обеспечения надежной связи эти антенны необходимы, поскольку они могут принимать и отправлять сигналы в горизонтальном направлении на 360 градусов. В городских условиях, где препятствия могут помешать прохождению сигнала, эта функция особенно полезна.

• Монопольные антенны сегодня являются важнейшей частью разработки и эксплуатации систем GNSS/GPS благодаря своей простой конструкции и доступности. Признав их важную функцию в беспроводной связи, мы сможем использовать потенциал для дальнейшего развития геолокационных сервисов, повышая их надежность и доступность для пользователей по всему миру.

• Они также используются для трансляции эфирного телевизионного сигнала благодаря простоте эксплуатации и эффективным схемам излучения. Эти антенны гарантируют надежную передачу сигнала в дома и на предприятия, особенно в районах, где отсутствует спутниковая или кабельная связь.

• Поскольку монопольные антенны могут передавать сигналы равномерно во всех горизонтальных направлениях, они часто используются в башнях для передачи AM/FM. Благодаря всенаправленному охвату радиопередачи могут эффективно охватывать большую аудиторию как в городах, так и в сельской местности.

Заключение  

В заключение следует отметить, что благодаря простоте использования, эффективности и универсальности монопольные антенны остаются одним из основных компонентов коммуникационных технологий. Широкий спектр их применения, от радиовещания до современных беспроводных сетей, и историческая актуальность подчеркивают их значение в развитии технологий. Их преимущества делают их неоценимыми в быстро развивающейся сфере коммуникаций. Из этой статьи пользователи смогут понять, что такое монопольная антенна и каковы ее конструктивные особенности, а также сравнить плюсы и минусы и области применения, чтобы сделать ваши технологические решения еще лучше.