Штыревая антенна

Штыревая антенна на портативном FM-радиоприемнике

Штыревая антенна на машину

— Штыревая антенна это антенна, состоящая из прямого гибкого провода или стержня. Нижний конец штыря подключается к радиоприемнику или передатчику . Штыревая антенна представляет собой разновидность монопольной антенны . Антенна спроектирована так, чтобы быть гибкой, поэтому ее нелегко сломать, а название происходит от кнутоподобного движения, которое она совершает, когда ее потревожат. Штыревые антенны для портативных радиостанций часто состоят из ряда взаимосвязанных телескопических металлических трубок, поэтому их можно убирать, когда они не используются. Более длинные штыри, предназначенные для установки на транспортных средствах и сооружениях, состоят из гибкого стекловолоконного стержня вокруг проволочного сердечника и могут иметь длину до 11 м (35 футов).

Идеальная длина штыревой антенны определяется длиной волны радиоволн , с которыми она используется. Наиболее распространенным типом является четвертьволновой хлыст , длина которого примерно ⁠ 1/4 , но по конструкции ⁠ они могут Длина волны быть длиннее или короче, в отличие от компактных электрически коротких антенн. ⁠ 1/10 ⁠ длина волны , до ⁠ 5/8 ⁠ длина волны для улучшения направленности.

Штыри являются наиболее распространенным типом монопольной антенны и используются в более высоких частот HF , VHF и UHF радиодиапазонах . Они широко используются в качестве антенн для портативных радиоприемников, беспроводных телефонов , раций , FM-радиоприемников , бумбоксов и устройств с поддержкой Wi-Fi , а также крепятся к транспортным средствам в качестве антенн для автомобильных радиоприемников и радиостанций двусторонней связи для колесных транспортных средств и для самолетов. Более крупные версии, установленные на крышах, балконах и радиомачтах, используются в качестве базовых станций антенн для радиолюбителей и диспетчеров полиции, пожарных, скорой помощи, такси и других транспортных средств.

Диаграмма направленности

(слева) Три больших кнута из стекловолокна, закрепленных на мачте. (справа) Штырь из стекловолокна для любительских радиодиапазонов 2 м и 70 см.

Штыревая антенна представляет собой монопольную антенну и, как и вертикальный диполь, имеет всенаправленную диаграмму направленности , излучая равную радиомощность во всех азимутальных направлениях (перпендикулярно оси антенны), при этом излучаемая мощность падает с углом места до нуля на оси антенны. . Штыревые антенны длиной менее половины длины волны, включая обычную четвертьволновую штыревую антенну, имеют один основной лепесток , и при идеально проводящей заземляющей пластине под ним максимальная напряженность поля приходится на горизонтальные направления, монотонно падая до нуля на оси. При небольшом или несовершенно проводящем заземляющем слое или отсутствии под ним заземляющего слоя общий результат заключается в наклоне основного лепестка вверх, так что максимальная мощность больше не излучается горизонтально, а под углом в небо.

Антенны длиной более полуволны имеют диаграмму направленности, состоящую из нескольких конических «лепестков»; с максимумами излучения под несколькими углами места; чем больше электрическая длина антенны, тем больше лепестков имеет диаграмма направленности.

Вертикальный кнут излучает вертикально поляризованные радиоволны с вертикальным электрическим полем и горизонтальным магнитным полем.

Вертикальные штыревые антенны широко используются для ненаправленной радиосвязи на поверхности Земли, где направление на передатчик (или приемник) неизвестно или постоянно меняется, например в портативных FM- радиоприемниках, рациях и двусторонних радиоприемниках. радиоприемники в транспортных средствах. Это связано с тем, что они передают (или принимают) одинаково хорошо во всех горизонтальных направлениях, излучая при этом мало радиоэнергии в небо, где она тратится впустую.

Длина

Штыревые антенны обычно проектируются как резонансные антенны; стержень действует как резонатор для радиоволн, от его концов отражаются стоячие волны напряжения и тока. Поэтому длина стержня антенны определяется длиной волны ( $\lambda$) используемых радиоволн. Наиболее распространенная длина составляет примерно четверть длины волны ( ${\tfrac {1}{4}}\lambda$), называемый «четвертьволновым хлыстом» (хотя его часто укорачивают за счет использования нагрузочной катушки ; см. Электрически короткие хлыстики ниже). Например, обычные четвертьволновые штыревые антенны, используемые в FM-радиоприемниках в США, имеют длину примерно 75 см (2,5 фута), что составляет примерно четверть длины радиоволн в FM-радиодиапазоне , который составляет от 2,78 до 3,41 м. (от 9 до 11 футов) в длину.

Полуволновые хлысты ( ${\tfrac {1}{2}}\lambda$ длинные), которые имеют больший коэффициент усиления , и кнуты волны пять восьмых ( ${\tfrac {5}{8}}\lambda$ long), которые имеют максимальное горизонтальное усиление, достижимое монополем, также являются распространенными длинами.

Коэффициент усиления и радиационная стойкость

Усиление и входное сопротивление антенны зависят от длины штыревого элемента по сравнению с длиной волны, а также от размера и формы используемого заземляющего слоя (если таковой имеется). Четвертьволновая вертикальная антенна, работающая на идеально проводящей бесконечной земле, будет иметь коэффициент усиления 5,19 дБи и сопротивление излучения около 36,8 Ом . Однако этот коэффициент усиления никогда не достигается в реальных антеннах, если диаметр заземления не превышает несколько длин волн. 2 дБи более характерно для штыря с заземляющим слоем ${\tfrac {1}{2}}\lambda ~.$ Кнуты, установленные на транспортных средствах, используют металлическую обшивку автомобиля в качестве заземления. В портативных устройствах обычно не предусмотрена явная заземляющая плоскость, и заземляющая сторона линии питания антенны просто подключается к земле (общей) на печатной плате устройства. Таким образом, радио само по себе служит элементарной наземной платой. Если шасси радио ненамного больше самой антенны, комбинация штыря и радио работает скорее как асимметричная дипольная антенна, чем как несимметричная антенна . Коэффициент усиления будет несколько ниже, чем у диполя или четвертьволнового штыря с заземляющим слоем соответствующего размера.

Штыри, не установленные на самой радиостанции, обычно питаются по коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом или 75 Ом. В передающих антеннах импеданс антенны должен быть согласован с фидерной линией для максимальной передачи мощности.

Полуволновая штыревая антенна (длина ${\tfrac {1}{2}}\lambda$) имеет несколько более высокий коэффициент усиления, чем четвертьволновой штырь, но у него есть узел тока в точке питания у основания стержня, поэтому он имеет очень высокий входной импеданс. Если бы антенна была бесконечно тонкой, антенна имела бы бесконечное входное сопротивление, но конечная ширина дает типичным практическим полуволновым антеннам сопротивление 800–1500 Ом. Обычно они подаются через согласующий трансформатор импеданса или четвертьволновую согласующую секцию шлейфа (например, J-образную антенну ). Преимущество состоит в том, что, поскольку он действует как диполь, ему не требуется земляной слой.

Максимальное усиление по горизонтали монопольной антенны достигается на длине пять восьмых длины волны. ${\tfrac {5}{8}}\lambda$ так что это также популярная длина для кнутов. Однако на такой длине диаграмма направленности разделена на горизонтальный лепесток и небольшой второй лепесток под углом 60°, поэтому излучение под большим углом плохое. Входное сопротивление около 40 Ом.

Антенна наземной плоскости

Антенны наземной плоскости

В штыревой антенне, не установленной на проводящей поверхности, например, на мачте, отсутствие отраженных радиоволн от плоскости земли приводит к тому, что лепесток диаграммы направленности наклоняется вверх к небу, поэтому в горизонтальном направлении излучается меньшая мощность. направления, нежелательные для наземной связи. Кроме того, несбалансированный импеданс монопольного элемента вызывает возникновение радиочастотных токов в опорной мачте и на внешней стороне проводника заземляющего экрана коаксиальной линии связи, в результате чего эти конструкции излучают радиоволны, что обычно оказывает вредное воздействие на диаграмму направленности.

Для предотвращения этого при стационарных штырях, установленных на конструкциях, часто используют искусственную «заземляющую плоскость», состоящую из трех или четырех стержней длиной в четверть волны, соединенных с противоположной стороной питающей линии, идущих горизонтально от основания штыря. Это называется наземной антенной . Эти несколько коротких проводных элементов служат для приема тока смещения от ведомого элемента и возврата его к заземляющему проводнику линии передачи, заставляя антенну вести себя так, как будто под ней находится непрерывная проводящая плоскость.

Сопротивление излучения четвертьволновой заземляющей антенны с горизонтальными заземляющими проводами составляет около 22 Ом, что плохо соответствует фидерной линии коаксиального кабеля , а главный лепесток диаграммы направленности все еще наклонен вверх к небу. Часто (см. изображения) стержни заземления наклонены вниз под углом 45 градусов, что приводит к снижению основного лепестка диаграммы направленности, поэтому большая часть мощности излучается в горизонтальных направлениях и увеличивает входное сопротивление для сопротивлением 50 Ом хорошо подходит для стандартного коаксиального кабеля . Для соответствия коаксиальному кабелю сопротивлением 75 Ом концы заземляющей пластины можно повернуть вниз или использовать сложенный элемент с монопольным приводом.

Электрически короткие кнуты

Резиновая антенна-уточка , распространенный тип электрически короткой штыря, на портативном CB-приемопередатчике УВЧ . Со снятой резиновой оболочкой (слева) .

Чтобы уменьшить длину штыревой антенны и сделать ее менее громоздкой, дроссель ( нагрузочную катушку к ней часто последовательно добавляют ). Это позволяет сделать антенну намного короче обычной длины в четверть волны и при этом оставаться резонансной за счет уравновешивания емкостного реактивного сопротивления короткой антенны. Это называется электрически коротким хлыстом . Змеевик добавляется у основания хлыста (так называемый хлыст с базовой загрузкой) или иногда в середине (хлыст с центральной загрузкой). В наиболее широко используемой форме, резиновой антенне-уточке , нагрузочная катушка интегрирована с самой антенной путем изготовления хлыста из узкой спирали пружинистой проволоки. Спираль распределяет индуктивность по длине антенны, улучшая диаграмму направленности, а также делает ее более гибкой. Другая альтернатива, иногда используемая для укорачивания антенны, - это добавление на конце «емкостной шляпы», металлического экрана или излучающих проводов. Однако все эти электрически короткие штыри имеют меньший коэффициент усиления , чем четвертьволновые штыри полной длины.

Многодиапазонная работа возможна с катушками примерно на половине или одной трети и двух третях, которые не сильно влияют на антенну на самом нижнем диапазоне, но создают эффект сложенных диполей на более высоком диапазоне (обычно ×2 или ×3 частота).

На более высоких частотах питающий коаксиальный кабель может идти вверх по центру трубки. Изолированное соединение трубки и штыря питается от коаксиального кабеля, а нижний конец трубки, куда входит коаксиальный кабель, имеет изолированное крепление. Этот тип вертикального штыря представляет собой полный диполь и поэтому не требует заземления. Обычно он работает лучше на расстоянии нескольких длин волн над землей, отсюда и ограничение обычно микроволновыми диапазонами.

Галерея изображений

Штыревая антенна для мобильного телефона с базовой нагрузочной катушкой на автомобиле

Коллекция раций с электрически короткими хлыстами. Блоки на концах и маленький на переднем плане имеют антенны типа «резиновая уточка».

Штыревая антенна на портативном AM/FM-приемнике

Привязной кнут из стекловолокна на военном джипе

См. также

• Антенная система тактического жилета
• Waves (Juno) (использует две штыревые антенны для одного из датчиков)
• ПОЛЯ используются четыре штыревые антенны (на солнечном зонде Parker )