Monopolinės ir dipolio antenos yra vienos iš plačiausiai naudojamų spinduliuojančių struktūrų belaidžio ryšio sistemose. Nepaisant paprastų formų, jie pasižymi skirtingu elektriniu elgesiu, montavimo reikalavimais ir našumo kompromisais. Norint pasirinkti tinkamą anteną faktinėms ryšio programoms, reikia suprasti, kaip šios antenos veikia ir kaip jas veikia tokie veiksniai kaip įžeminimo plokštumos, poliarizacija ir varža.
Kas yra monopolinė antena?
Monopolinė antena yra vienas laidus spinduliavimo elementas, sumontuotas virš laidžios įžeminimo plokštumos. Paprastai jis įgyvendinamas kaip vertikalus strypas arba pėdsakas ir veikia naudojant įžeminimo plokštumą kaip srovės atskaitos ir grįžtamąjį kelią. Monopolinės antenos paprastai projektuojamos kaip ketvirčio bangos ilgio radiatoriai.
Dipolio antenos supratimas
Dipolio antena susideda iš dviejų vienodų laidžių elementų, išdėstytų simetriškai ir tiekiamų centre. Bendras ilgis paprastai yra maždaug pusė darbinės bangos ilgio. Dipoliai yra subalansuotos antenos, kurioms veikti nereikia išorinės įžeminimo plokštumos.
Monopolinių ir dipolio antenų struktūra ir veikimas
Dipolio struktūra ir veikimas
Dipolio antena susideda iš dviejų laidininkų, besitęsiančių priešingomis kryptimis nuo centrinio tiekimo taško. Kai varoma kintamąja srove, išilgai laidininkų susidaro stovinčios įtampos ir srovės bangos. Šios kintančios srovės sukuria elektrinius ir magnetinius laukus, kurie sklinda kaip elektromagnetinė spinduliuotė.
Pusės bangos ilgio dipolis veikia kaip rezonansinė struktūra su nuspėjamu srovės pasiskirstymu. Jis sukuria simetrišką spinduliuotės modelį, kurio maksimali spinduliuotė yra statmena antenos ašiai ir nulinė išilgai ašies. Kadangi jis yra subalansuotas ir savarankiškas, jo elgesys yra stabilus, kai jis pastatytas atokiau nuo laidžių objektų.
Monopolio struktūra ir veikimas
Monopolinė antena paprastai susideda iš vieno laidininko, esančio virš laidžios įžeminimo plokštumos. Daugumoje praktinių konstrukcijų tai yra ketvirčio bangos ilgio radiatorius. Įžeminimo plokštuma atspindi elektromagnetinius laukus ir sukuria virtualų trūkstamos antenos pusės vaizdą. Dėl to ketvirčio bangos ilgio monopolis elgiasi panašiai kaip pusės bangos ilgio dipolis, veikiantis virš atspindinčio paviršiaus.
Monopoliai tiekiami asimetriškai, o įžeminimo plokštuma veikia kaip grįžtamosios srovės kelias. Spinduliuotė yra įvairiakryptė horizontalioje plokštumoje, bet apsiriboja sritimi virš žemės plokštumos, sukeldama vertikalią asimetriją. Monopolio elektrinės savybės labai priklauso nuo įžeminimo plokštumos dydžio, laidumo ir orientacijos.
Monopolinių ir dipolio antenų palyginimas
| Funkcija | Monopolinės antenos | Dipolio antenos |
|---|---|---|
| Struktūra | Vienas spinduliuojantis elementas virš įžeminimo plokštės | Du simetriški elementai, tiekiami centre |
| Radiacijos modelis | Įvairiakryptis horizontalioje plokštumoje; Uždaryta virš žemės plokštumos | Simetriškas raštas su didžiausia spinduliuote statmena antenos ašiai |
| Pelnas | Gali pasiekti ~5–6 dBi su pakankamai didele įžeminimo plokštuma | Paprastai ~2–3 dBi pusės bangos dipoliui |
| Pralaidumas | Priklauso nuo dizaino; gali būti siauros arba išplėstos naudojant rankovių konstrukcijas arba derančius tinklus | Priklauso nuo dizaino; Pralaidumą galima padidinti naudojant sulankstytus dipolius arba derinimo metodus |
| Efektyvumas | Labai priklauso nuo įžeminimo plokštės dydžio ir kokybės | Paprastai aukštas ir stabilus, kai izoliuotas nuo netoliese esančių laidininkų |
| Antžeminis lėktuvas | Būtina; tiesiogiai veikia varžą ir spinduliuotę | Nebūtina |
| Pašarų tipas | Nesubalansuotas (pvz., bendraašis kabelis) | Reikalingas subalansuotas pašaras arba balunas |
| Montavimo jautrumas | Jautrus montavimo vietai ir įžeminimui | Mažiau jautrus aplinkinėms konstrukcijoms |
| Dydis | Kompaktiškas ir lengvai integruojamas | Didesnis fizinis ilgis |
| Dizaino lankstumas | Lengvai integruojamas į PCB, važiuokles ir transporto priemones | Galima sulenkti, sulankstyti arba konfigūruoti pagal konkrečius poliarizacijos poreikius |
Monopolinių ir dipolio antenų taikymas
• Transliavimas (AM/FM): Dideli vertikalūs monopoliniai bokštai dažniausiai naudojami AM transliavimui, nes Žemė veikia kaip efektyvi įžeminimo plokštuma, leidžianti efektyviai skleisti tolimojo nuotolio žemės bangas. FM transliacija dažnai naudoja aukštyje sumontuotus dipolio masyvus, kad būtų galima kontroliuoti spinduliuotės modelius ir valdyti poliarizaciją.
• Mobilusis ryšys: Ketvirčio bangos monopoliai yra plačiai naudojami transporto priemonėse ir rankiniuose įrenginiuose, kur važiuoklė arba PCB yra žemės atskaitos taškas. Dėl kompaktiško dydžio ir paprasto integravimo jie idealiai tinka išmaniesiems telefonams, daiktų interneto įrenginiams ir įterptosioms sistemoms.
• Palydovinės ir kosmoso sistemos: Dipolio ir kryžminio dipolio konfigūracijos dažniausiai naudojamos, kai reikalingi nuspėjami spinduliuotės modeliai ir poliarizacijos kontrolė. Dvigubai poliarizuotos arba apskritai poliarizuotos dipolio struktūros padeda sušvelninti signalo išblukimą dėl orientacijos pokyčių.
• Belaidis LAN ir prieigos taškai: išorinės maršrutizatoriaus antenos dažnai yra rankovių dipoliai arba spausdinti dipoliai, skirti didesniam pralaidumui ir stabiliai patalpų aprėpčiai. PCB integruotos monopolijos yra paplitusios kompaktiškuose vartotojų įrenginiuose, kur erdvė yra ribota.
Monopolinių ir dipolio antenų poliarizacijos charakteristikos
Poliarizacija apibūdina spinduliuojamos bangos elektrinio lauko orientaciją. Tiek monopolinės, tiek dipolio antenos paprastai sukuria linijinę poliarizaciją pagal jų fizinę orientaciją.
Vertikaliai sumontuotos monopolinės antenos sukuria vertikalią poliarizaciją, kuri puikiai tinka antžeminėms mobiliojo ryšio sistemoms. Dipolio antenos suteikia didesnį lankstumą, nes jas galima montuoti vertikaliai arba horizontaliai, kad būtų pasiekta norima poliarizacija. Kryžminės dipolio konfigūracijos gali užtikrinti dvigubą poliarizaciją ir pagerinti našumą kelių takų aplinkoje.
Monopolinių ir dipolio antenų elektrinis našumas
Įvesties varža ir derinimas
Įvesties varža tiesiogiai veikia galios perdavimo efektyvumą. Pusės bangos ilgio dipolio laisvoje erdvėje varža yra maždaug 73 omai, todėl jį gana lengva suderinti su standartinėmis perdavimo linijomis. Ketvirtadalio bangos ilgio monopolis virš idealios žemės plokštumos turi maždaug 36,5 omų varžą ir dažnai reikalauja varžos suderinimo.
Derinimo metodai, tokie kaip LC tinklai, ketvirčio bangos transformatoriai ir derinimo grandinės, naudojami siekiant sumažinti atspindžius, padidinti pralaidumą ir apsaugoti siųstuvus.
Radiacijos efektyvumas
Dipolio antenos paprastai išlaiko aukštą spinduliuotės efektyvumą dėl subalansuotos struktūros ir nepriklausomybės nuo išorinių laidininkų. Montuojant atokiau nuo didelių laidžių objektų, jų veikimas išlieka stabilus ir nuspėjamas.
Kaip aptarta 3.2 skyriuje, monopolio efektyvumas yra glaudžiai susijęs su įžeminimo plokštės kokybe. Kompaktiškuose įrenginiuose su ribotu įžeminimu nuostoliai ir srovės disbalansas gali sumažinti efektyvumą. Dažnai galite sutikti su šiuo kompromisu, kad pasiektumėte mažesnį dydį ir lengvesnę integraciją.
Našumo matavimas
Praktinėse sistemose antenos veikimas vertinamas naudojant tokius parametrus kaip įtampos stovinčios bangos santykis (VSWR) ir S11 (grįžtamasis nuostolis). Šie matavimai rodo, kaip efektyviai energija perduodama iš perdavimo linijos į anteną.
Gerai suderinto dipolio grąžos nuostoliai paprastai yra geresni nei -10 dB rezonanso metu, atitinkantys VSWR žemiau 2:1. Monopolinės antenos gali rodyti didesnius S11 svyravimus, priklausomai nuo įžeminimo plokštumos sąlygų. Dažnai galite naudoti vektorinius tinklo analizatorius (VNA), kad išmatuotumėte varžos atitikimą ir optimizuotumėte antenos derinimą galutinėje montavimo aplinkoje, nes faktinės montavimo sąlygos daro didelę įtaką rezultatams.
Išvada
Monopolinės ir dipolio antenos turi aiškių pranašumų, priklausomai nuo dizaino apribojimų ir taikymo tikslų. Monopoliai pasižymi kompaktiškomis, antžeminėmis sistemomis, o dipoliai užtikrina subalansuotą veikimą ir nuspėjamą veikimą. Išnagrinėję jų veikimą, priklausomybę nuo įžeminimo plokštumos, efektyvumą ir atitikimo reikalavimus, galite priimti pagrįstus antenų pasirinkimus, kurie optimizuoja patikimumą, aprėptį ir bendrą belaidžio ryšio sistemos veikimą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kuri antena yra geresnė naudoti patalpose: monopolis ar dipolis?
Dipolio antenos paprastai yra geresnės naudoti patalpose, nes jos nepriklauso nuo įžeminimo plokštumos ir užtikrina labiau nuspėjamą veikimą, kai dedamos atokiau nuo sienų, metalinių daiktų ir elektroninių prietaisų.
Ar monopolinė antena gali veikti be įžeminimo plokštumos?
Monopolinė antena gali spinduliuoti be tinkamos įžeminimo plokštumos, tačiau našumas žymiai pablogės. Sumažėjęs efektyvumas, varžos neatitikimas ir iškraipyti spinduliuotės modeliai yra įprasti be tinkamos žemės nuorodos.
Kodėl monopolinės antenos dažnai rodo didesnį stiprinimą nei dipolio antenos?
Monopolinės antenos sutelkia spinduliuotę į viršutinę pusę erdvės virš įžeminimo plokštumos, efektyviai padidindamos stiprinimą, palyginti su dipoliais, kurie simetriškai spinduliuoja visomis kryptimis statmenai antenos ašiai.
Kaip antenos aukštis veikia monopolio ir dipolio veikimą?
Didesnis antenos aukštis paprastai pagerina aprėptį, nes sumažina žemės nuostolius ir kliūtis. Šis efektas ypač svarbus monopolinėms antenoms, kur aukštis taip pat turi įtakos žemės plokštumos sąveikai ir spinduliuotės efektyvumui.
Ar monopolinės ir dipolio antenos tinka šiuolaikiniams daiktų interneto įrenginiams?
Taip. Monopolinės antenos yra plačiai naudojamos kompaktiškuose daiktų interneto įrenginiuose dėl mažo dydžio ir PCB integracijos, o dipolio antenos pirmenybė teikiama išoriniuose arba šliuzų įrenginiuose, kur prioritetas yra efektyvumas ir nuoseklus veikimas.
