Основы хлыстовой антенны: Что вы должны знать

Узнаваемые по тонкому стержню/проволоке, антенны-хлысты получили свое название благодаря гибкому движению, напоминающему хлыст, которое они демонстрируют при ударе. Несмотря на простоту внешнего вида, эти антенны используются в широком спектре приложений - от портативных радиоприемников до современных систем связи. Своими корнями уходящие в далекие времена радиосвязи, хлыстовые антенны с тех пор играют важную роль в области беспроводной связи.

Эта статья посвящена изучению уникальных характеристик, типов, вариантов использования и технологических аспектов хлыстовых антенн, которые выделяют их в качестве незаменимых в сфере беспроводной связи. Кроме того, она призвана дать ключевые указания, которые следует учитывать при выборе и установке антенны, чтобы обеспечить ее оптимальную работу.

Введение в антенны-растяжки

Хлыстовая антенна появилась в процессе разработки портативной системы радиосвязи во время Второй мировой войны. Потребность в надежном и компактном устройстве связи в значительной степени способствовала материализации современной конструкции хлыстовой антенны. Впоследствии эти усовершенствования привели к широкому распространению хлыстовых антенн в портативных радиочастотных (РЧ) системах гражданского применения в послевоенный период, что произвело революцию в персональной и коммерческой связи.

Являясь одним из основных элементов систем радиочастотной связи, хлыстовая антенна обычно представляет собой тонкий гибкий стержень/провод, нижний конец которого подключен к передатчику или приемнику. Поскольку антенна установлена вертикально, она действует как сигналы излучающие во все стороны в горизонтальной плоскости, за исключением его конической мертвой зоны.

В основном используется в высокочастотный (Хлыстовые антенны бывают разной длины: короткие используются в паре с портативными радиостанциями и рациями, а более длинные устанавливаются на крышах домов и радиомачтах, служа в качестве антенны базовых станций.

Конструкция и строение хлыстовой антенны

Основная структура хлыстовой антенны состоит из прямого гибкого провода или стержня, обычно изготовленного из проводящего материала, такого как сталь или алюминий. Однако для таких устройств, как портативные радиостанции, она может быть выполнена в виде ряда взаимосвязанных металлических трубок, которые могут быть убраны, когда не используются.

Элементы типичной антенны включают в себя,

1.  Токопроводящая жила:

Одножильный / многожильный провод из нержавеющей стали, стали с медным покрытием или алюминия.

2.  Защитная оболочка

Гибкая резиновая или пластиковая оболочка, помимо защитной поверхности, обеспечивает:

• Изоляция, предотвращающая случайный контакт с токопроводящим элементом.

• В некоторых случаях это повышает гибкость антенны.

Однако эта особенность присуща, в основном, хлыстовым антеннам, работающим в неблагоприятных условиях.

3.  Базовый разъем:

С его помощью антенна крепится к радиостанции или монтажному оборудованию. Обычно используются резьбовые шпильки, разъемы BNC или SMA в зависимости от области применения.

4.  Загрузочная катушка:

Хлыстовые антенны, предназначенные для компактного применения, включают в себя нагрузочную катушку вблизи основания. Эта катушка увеличивает эффективную электрическую длину антенны без увеличения ее физического размера.

Длина антенны - еще одно важное ограничение при проектировании антенн. Длина антенны соответствует длине волны ее рабочего диапазона частот. Более длинные антенны используются для низких частот (таких как ВЧ и УКВ), а более короткие - для высоких частот. Длина варьируется от 1/10 длины волны до 5/8 длины волны, а наиболее популярной является 1/4 длины волны.

Однако некоторые короткие хлыстовые антенны используют такие методы, как нагрузочные катушки или емкостные колпаки, чтобы увеличить электрическую длину без увеличения физической длины по практическим соображениям.

Тип материала, из которого изготовлена антенна, влияет на проводимость, вес и коррозионную стойкость антенны, в конечном итоге определяя ее производительность и долговечность. Некоторые часто используемые типы материалов включают,

• Сталь:

Сталь обладает отличным сочетанием прочности и долговечности, что делает ее надежным выбором.

• Алюминий:

Сочетание хорошей проводимости и малого веса делает его популярным выбором для портативных устройств.

• Стекловолокно:

Благодаря сочетанию прочности, гибкости и устойчивости к атмосферным воздействиям он чаще всего используется для длинных хлыстов, устанавливаемых на транспортные средства и конструкции.

Типы хлыстовых антенн

Монопольная хлыстовая антенна

Это самый простой и широко распространенный тип антенны. Она состоит из одного прямого проводника, установленного перпендикулярно плоскости земли (металлический кузов автомобиля или система проводов с противовесом, которая выступает в качестве второй половины антенной системы). Популярности антенны способствует ее:

• Простая и экономичная конструкция
• Типичная длина четверти волны
• Всенаправленная диаграмма направленности излучения в горизонтальной плоскости

Монопольные хлыстовые антенны особенно эффективны в таких приложениях, как автомобильные радиостанции, портативные трансиверы и базовые станции, требующие широкой зоны покрытия, где размер не является существенным ограничением.

Антенна для резиновой утки

Это укороченная и гибкая версия монопольной хлыстовой антенны. Специально разработанная для портативности и долговечности, она обладает следующими особенностями:

• Компактный размер, обычно значительно короче четверти длины волны
• Заключен в резиновую или пластиковую оболочку для защиты и гибкости
• Нагрузочная катушка, встроенная для компенсации уменьшенной длины

Хотя антенны типа "резиновая утка" отличаются превосходной портативностью и прочностью, это является компромиссом между их эффективностью и компактными размерами. Однако для многих портативных приложений, таких как портативные устройства типа раций, портативные радиостанции и некоторые Wi-Fi роутеры, этот компромисс является приемлемым, учитывая значительное улучшение удобства использования и долговечности.

Антенна с пружинным креплением

Пружинные антенны специально разработаны для работы в условиях, где есть риск подвергнуться физическим нагрузкам или ударам. Ее отличительная особенность - гибкое пружинное основание - позволяет антенне изгибаться и возвращаться в исходное положение, что делает ее пригодной для поддержания стабильной работы в сложных условиях, где жесткая антенна может выйти из строя или часто смещаться.

Антенна на пружине широко используется в автомобильных системах, особенно во внедорожниках и строительной технике, где требуется значительная прочность и устойчивость к повреждениям от столкновений или низко расположенных препятствий.

Устанавливаемая на транспортное средство хлыстовая антенна

Этот тип антенн специально разработан с учетом аэродинамики, устойчивости к ветру и погодным условиям и простоты монтажа на автомобилях, грузовиках и других транспортных средствах. Их уникальные особенности включают:

• Разнообразные варианты крепления, такие как магнитные крепления, крепления со сквозным отверстием и крепления на клипсах
• Механизмы наклона или складывания для работы в помещениях с низкой высотой

Зачастую они длиннее портативных антенн, что способствует лучшей работе на более низких частотах. Эти антенны в основном используются для CB-радиостанций, любительских радиостанций и систем связи автопарка.

Телескопическая хлыстовая антенна

Эти антенны имеют ряд взаимосвязанных трубок, которые позволяют регулировать их длину, что делает их пригодными для работы в нескольких диапазонах. Их отличительные особенности включают:

• Возможность выдвигать и задвигать на разную длину
• Компактность делает их идеальными для хранения и транспортировки

Регулируемость телескопических антенн позволяет изменять их длину в зависимости от диапазона частот, что делает их особенно полезными в портативных коротковолновых приемниках, сканерных радиостанциях и телевизионных антеннах, работающих в широком диапазоне частот.

Хлыстовая антенна

Антенны Stubby представляют собой ультракомпактные версии антенн, что делает их идеальным кандидатом для приложений, критичных к размерам. Она характеризуется:

• Чрезвычайно короткая длина
• Сильно нагруженная индуктивность, компенсирующая его малую длину

В первую очередь эти хлыстовые антенны используются для работы в диапазонах UHF и более высоких частот и чаще всего применяются в современных смартфонах, устройствах Bluetooth и некоторых видах тактического радиооборудования.

Несмотря на то, что гибкие антенны отличаются непревзойденной компактностью, они имеют самый низкий КПД среди всех типов антенн. Однако этот недостаток перевешивается значительным уменьшением размеров, которое они обеспечивают во многих высокочастотных приложениях бытовой электроники.

Диапазон частот и области применения

Си-Би радиостанции (26.965 - 27.405 MHz)

Радиостанция Citizens Band (CB) - одно из самых известных применений хлыстовых антенн. Работающие в кроссоверном диапазоне HF/VHF, CB-радиостанции широко используются в:

• Автотранспортная отрасль за общение между водителями
• Любители внедорожников для координации деятельности
• Экстренная связь во время стихийных бедствий
• Местные бизнес-операции для координации действий команды на короткие сроки

Хлыстовые антенны CB обычно длиннее из-за более низкого частотного диапазона, часто около 102 дюймов (2,6 м) для полноволновых антенн. Однако распространены и более короткие, нагруженные антенны для более практичной установки в автомобиле.

Диапазон УКВ (30 - 300 MHz)

Хлыстовые антенны имеют широкий спектр применения, который относится к диапазону очень высоких частот (VHF). Некоторые из них включают

• Морская УКВ-радиостанция (156 - 174 MHz): Используется для связи между кораблями и берегом
• FM-вещание (88 - 108 MHz): Несмотря на то, что они не используются для передачи, многие портативные FM-радиостанции используют хлыстовые антенны для приема.
• Аварийные службы: Полиция, пожарные и скорая помощь часто используют УКВ-диапазоны с установленными на транспортных средствах отклоняющимися антеннами.

Хотя хлыстовые антенны, работающие в УКВ-диапазоне, обычно короче антенн СВ-диапазона, они все равно достаточно длинные, чтобы быть заметными на автомобилях или портативных устройствах.

Диапазон UHF (300 MHz - 3 GHz)

Антенны Whip Antennas также применяются в диапазоне сверхвысоких частот (UHF), в котором работают многие современные беспроводные технологии. Некоторые из вариантов их использования включают:

• Сотовые сети (700 MHz - 2,6 GHz): В мобильных телефонах часто используются внутренние антенны типа "хлыст".
• Wi-Fi (2,4 GHz и 5 GHz): Небольшие отклоняющиеся антенны используются во многих маршрутизаторах и устройствах с поддержкой Wi-Fi.
• GPS (1.57542 GHz): Для GPS-приемников в автомобилях или наружном оборудовании.
• Телевизионное вещание в диапазоне UHF (470 - 890 MHz): Несмотря на то, что они не используются для передачи, многие портативные телевизоры используют телескопические антенны-хлысты для приема.

Хлыстовые антенны UHF обычно намного короче, чем хлыстовые антенны VHF, часто всего несколько дюймов в длину, что делает их идеальными для создания компактных устройств.

IoT и беспроводные сенсорные сети

Интернет вещей (IoT) и беспроводные сенсорные сети полагаются на эффективные и компактные антенны для обеспечения бесперебойной связи. Работающие в основном в диапазонах UHF и HF, эти технологии часто используют отклоняющиеся антенны благодаря их эффективности, размерам и экономичности. К числу распространенных вариантов использования относятся:

• LoRaWAN: Работая на таких частотах, как 433 MHz, 868 MHz и 915 MHz (в зависимости от региона), LoRaWAN использует небольшие отклоняющиеся антенны для обеспечения связи на большом расстоянии с низким энергопотреблением.
• Zigbee и Bluetooth: Обычно работающие в ISM-диапазоне 2,4 GHz, эти протоколы выигрывают от использования отклоняющихся антенн в компактных надежных устройствах для связи на коротких расстояниях.
• NB-IoT и LTE-M: Решения IoT на базе сотовой связи, работающие в лицензированных диапазонах, часто используют отклоняющиеся антенны для поддержания надежного соединения при минимальном энергопотреблении.

Специализированные приложения

Хлыстовые антенны также используются в узкоспециализированных областях, некоторые из их специализированных применений включают в себя:

• Военные коммуникации: В тактических радиостанциях используются надежные отклоняющиеся антенны, предназначенные для работы в различных частотных диапазонах, что обеспечивает надежную и устойчивую связь.
• Аэрокосмическая промышленность: В авиационных системах связи используются отклоняющиеся антенны, которые благодаря своей аэродинамической конструкции обеспечивают эффективную передачу данных в условиях воздушных и ветровых помех.
• Погодные станции: Системы удаленного мониторинга погоды часто зависят от антенн, передающих данные об окружающей среде на большие расстояния.

Преимущества антенн типа "хлыст

Хлыстовые антенны обладают рядом преимуществ, которые делают их популярными в самых разных областях применения.

Простота и экономичность:

• Простая конструкция делает их легкими в производстве.
• Относительно недорогие по сравнению с другими типами антенн.

Всенаправленная диаграмма направленности излучения:

• Идеально подходит для мобильных приложений, где часто меняется ориентация.
• Эффективна для передачи и приема сигнала с нескольких направлений.

Долговечность и устойчивость к погодным условиям:

• Простая конструкция делает их устойчивыми к воздействию факторов окружающей среды.
• Можно легко защитить от непогоды с помощью защитных покрытий или оболочек.
• Варианты с пружинным креплением обеспечивают отличную устойчивость к физическим нагрузкам.

Низкое визуальное воздействие:

• Тонкий профиль делает их менее заметными, чем многие другие типы антенн.
• Можно легко скрыть или интегрировать в существующие конструкции.

Portability:

• Легкие и удобные для транспортировки, особенно телескопические версии.
• Идеально подходит для полевых операций и мобильных систем связи.

Недостатки хлыстовых антенн

Несмотря на то, что хлыстовые антенны обладают значительным количеством преимуществ, они также имеют определенные ограничения, такие как:

Ограниченный выигрыш: Всенаправленная диаграмма направленности излучения хлыстовой антенны приводит к снижению коэффициента усиления по сравнению с направленными антеннами, что делает ее менее пригодной для дальней связи "точка-точка".

Восприимчивость к шуму: Поскольку антенна может принимать помехи со всех направлений, для работы в шумных радиочастотных средах потребуется дополнительная фильтрация.

Ограничения по длине: Для низкочастотных приложений требуются более длинные антенны, что может быть нецелесообразно. Кроме того, укороченные конструкции хлыстовых антенн идут на компромисс между эффективностью и размером.

Зависимость от наземной плоскости: Производительность антенны в значительной степени зависит от адекватной плоскости заземления, поэтому неправильное заземление может привести к неэффективной и неадекватной работе.

Ограниченная мощность: Тонкий профиль может ограничивать мощность, что делает его непригодным для использования в мощных передающих устройствах.

Хлыстовая антенна против дипольной антенны

Хлыстовые и дипольные антенны - одни из самых распространенных типов антенн. Их различия в структуре, размерах и функциональных возможностях позволяют использовать их в разных случаях. Ниже приводится сравнение ключевых характеристик, подчеркивающих их различия.

Характеристика	Хлыстовая антенна	Дипольная антенна
Структура	Одиночный элемент с заземляющей плоскостью	Два симметричных элемента
Размер	Обычно длиной в четверть волны	Обычно длиной в полволны
Плоскость земли	Требуется заземляющая плоскость	Не требует заземляющей плоскости
Диаграмма направленности излучения	Всенаправленный по азимуту (горизонтальная плоскость)	Восьмерка в азимуте
Импеданс	Обычно 30-50 Ом (с плоскостью заземления)	Близко к 70 Ом
Приложения	Мобильная связь, портативные устройства	Стационарные установки, широкополосные приложения
Простота установки	Как правило, их легче устанавливать, особенно в мобильных приложениях	Требуется больше места и зачастую вспомогательные конструкции

Антенна-хлыст против антенны-заглушки 

Антенны Stubby, являясь компактной альтернативой обычным хлыстовым антеннам, обладают уникальными преимуществами, когда размер и долговечность являются приоритетными. Поэтому, несмотря на сходство между этими двумя типами, существуют различия, обусловленные их конструктивными особенностями. Ниже приведено сравнение хлыстовых и штыревых антенн с указанием их уникальности.

Характеристика	Хлыстовая антенна	Удлиненная антенна
Размер	Варьируется от нескольких дюймов до нескольких футов	Как правило, всего несколько дюймов в длину
Диапазон частот:	Может быть рассчитан на широкий диапазон частот	Обычно используется для высоких частот (UHF и выше).
Эффективность	В целом более эффективны, особенно на низких частотах	Менее эффективен из-за электрически малой длины.
Пропускная способность:	Часто имеет более широкую полосу пропускания	Как правило, более узкая полоса пропускания
Приложения:	Универсальный, используется в различных областях	Используется в основном там, где важна компактность (например, в портативных устройствах).
Долговечность:	Может быть более восприимчивым к физическим повреждениям из-за длины	Как правило, более прочные благодаря компактным размерам
Эстетика:	Более заметны и могут повлиять на эстетику устройства	Менее навязчивый, лучше подходит для изящных устройств

Нужна ли хлыстовой антенне заземляющая плоскость?

Для полноценной работы хлыстовой антенны необходима плоскость земли. Основные требования к плоскости заземления следующие:

• Электрический баланс:

Поскольку хлыстовая антенна представляет собой более или менее половину дипольной антенны, плоскость земли выступает в роли ее "недостающей половины". Это создает эффективное зеркальное отражение антенны, поддерживая электрический баланс и эффективную работу.

• Диаграмма направленности излучения:

Правильная плоскость земли обеспечивает всенаправленную диаграмму направленности излучения в горизонтальной плоскости без искажений, которые могут привести к неравномерному уровню сигнала и снижению зоны покрытия.

• Согласование импеданса:

Плоскость заземления помогает хлыстовой антенне достичь правильного входного импеданса, обеспечивая эффективную передачу энергии, которая в противном случае может привести к потере сигнала и снижению производительности антенны.

Типы наземных плоскостей, связанных с отклоняющимися антеннами, можно классифицировать как естественные и искусственные наземные плоскости.

Естественные плоскости земли включают кузова автомобилей, металлические крыши, а иногда и саму Землю, если она используется в качестве отражающей поверхности.

Искусственные плоскости заземления - это, прежде всего, радиальные провода, металлические диски или другие проводящие поверхности, которые создают эффективную плоскость заземления в стационарных установках.

При отсутствии обычной плоскости заземления в качестве эффективной плоскости заземления можно использовать следующие альтернативные варианты,

• Контрпоясные провода:

Радиальные провода, расположенные вокруг основания антенны, обеспечивают функциональную замену плоскости заземления.

• Загрузка катушек:

Катушки индуктивности электрически удлиняют антенну, компенсируя отсутствие плоскости заземления, однако это приводит к небольшому снижению характеристик антенны.

• Антенны без наземной плоскости (NGP):

Это специально разработанные антенны, которые минимизируют зависимость от плоскости земли.

Хорошо подготовленная плоскость земли обеспечивает оптимальную работу отклоняющей антенны. Поэтому понимание ее важности и доступных альтернатив необходимо для обеспечения надежной и эффективной связи в различных приложениях.

Установка и монтаж

Правильно установленная антенна обеспечивает ее оптимальную работу в течение длительного времени. Ниже приводится ряд соображений, которые необходимо учитывать при установке и монтаже антенны.

1. Расположение

• Место с минимальными физическими препятствиями обеспечивает лучшее распространение сигнала.
• Также следует отметить, что размещение антенны вблизи других антенн, линий электропередач или крупных металлических предметов может вызвать радиочастотные помехи.

2. Способы монтажа

• Магнитные крепления: Это быстрые и переносные типы креплений, которые подходят для временных установок, но менее надежны при работе на высоких скоростях или в суровых условиях.
• Постоянные крепления: Эти крепления требуют сверления монтажной поверхности, что делает их устойчивым вариантом для длительного использования.
• Накладные крепления: Эти крепления особенно полезны в качестве временных, их можно легко прикрепить без каких-либо изменений на монтажной поверхности.

3. Соображения, касающиеся плоскости земли

• Обеспечьте отличный электрический контакт между антенной и плоскостью заземления.
• При установке на неметаллических поверхностях для имитации эффекта заземления следует использовать искусственные заземляющие плоскости, например, металлические листы или радиальные провода.

4. Прокладка кабеля

• Используйте высококачественный коаксиальный кабель с малыми потерями, чтобы свести к минимуму потери сигнала.
• Следите за тем, чтобы кабель был как можно короче, и избегайте резких изгибов, которые могут ухудшить сигнал.

6. Соображения безопасности

• Избегайте установки вблизи воздушных линий электропередач или низко висящих препятствий, особенно если речь идет о высоких антеннах.
• Убедитесь, что антенна надежно закреплена, чтобы предотвратить ее отсоединение во время движения или при неблагоприятных погодных условиях.

7. Настройка и тестирование

• После установки используйте измеритель соотношения стоячих волн (SWR) для измерения характеристик антенны и, соответственно, точной настройки длины или положения антенны, если это необходимо для достижения оптимальных значений SWR и эффективной работы.

Заключение

В динамичном ландшафте беспроводных коммуникаций важную роль играют антенны типа "хлыст", предлагающие универсальные решения для широкого спектра приложений. Несмотря на тонкую и простую конструкцию, эти антенны являются незаменимыми компонентами благодаря своей адаптивности, экономичности и простоте обслуживания, что делает их неотъемлемой частью современных систем связи. Их способность работать в различных средах и частотных диапазонах еще больше подчеркивает их практическую значимость.

Несмотря на некоторые ограничения, такие как зависимость от плоскости земли и ограниченный коэффициент усиления, плетеные антенны продолжают доказывать свою актуальность. Их непревзойденная надежность, простота и гибкость гарантируют бесперебойное подключение устройств и поддерживают инновации в бесчисленных приложениях - от традиционных радиосистем до развивающихся технологий IoT, - укрепляя их место в развивающемся мире беспроводных технологий.