SEMINARSKI RAD

Monopol antene

Student: Katarina Pandžić Split, lipanj 2009.

Kratka monopol antena

Kada je prisutna uzemljena ravnina kao na slici, antena se može analizirati pomoću teorije

preslikavanja. Kombinacija antena/preslikana antena (?) ima isti dijagram zračenja kao i

kratki dipol. Dvije velike razlike između ova dva su:

- Moment struje monopola je upola manji u usporedbi sa dipolom.

- Monopol ne zrači u donjem poluprostoru, ali zrači dva puta veću snagu u gornjem

poluprostoru.

Snaga zračenja je prepolovljena i otpor zračenja je upola manji u usporedbi sa dipolom, kada

promatramo po duljini l. Za monopole, duljina antene iznad zemlje h=l/2 je mnogo važnija od

same duljine l kada promatramo otpor zračenju:

Ukupna snaga je izračena u gornjoj hemisferi, što znači dvostruko veću gustoću snage u

svim smjerovima u usporedbi sa kratkim ili idealnim dipolom sa istom ulaznom snagom.

Usmjerenost ovakve antene će biti dva puta veća u usporedbi sa prethodna dva dipola.

ground

lh

I0

1

D (kratki monopol)= 2 *(1.5) = 3

Poluvalni dipol

Polje poluvalnog dipola, sa pretpostavljenom sinusnom raspodjelom struje kao na slici, se

može prikazati tako da zamislimo antenu kao skup malih idealnih dipola. Jedina razlika je ta

što se faza struje ne može pretpostaviti konstantnom (raspodjela struje mora biti poznata

prije određivanja ostalih parametra antene) i udaljenost do točke promatranja P se može

razlikovati na različitim lokacijama na anteni.

Dijagram zračenja

Koristeći pretpostavku sinusne raspodjele struje, amplituda električnog polja oko dipola se

može prikazati kao:

Usmjerenost

Usmjerenost ovakve antene nije puno veća u usporedbi sa kratkim dipolom.

D(poluvalnog dipola)=1.64 ,

λ/2

I0

2

ekvivalentno 2.16dB.

Odmah je jasno da nema neke velike razlike između dobitka poluvalnog dipola i kratkog

dipola. Tako gledajući, nema nekog smisla da se koriste poluvalni dipoli budući da je kratki

dipol manji, jeftiniji i praktičniji. No popularnost poluvalnog dipola jest u njegovoj velikoj i

rezonantnoj ulaznoj impedanciji, što je glavni problem kod kratkog dipola.

Slično, usmjerenost četvrtvalnog monopola se može prikazati :

D(četvrtvalni monopol) = 2.16 + 3 = 5.16 dBi

Veoma često se dobitak i usmjerenost navode pomoću poluvalnog dipola, budući da je on

fizički ostvariv, za razliku od izotropne antene. Dobitak se može direktno mjeriti uspoređujući

snagu signala primljenu od poluvalnog dipola sa snagom od test antene.

Ulazna impedancija

Ulazna impedancija za tanke poluvalne dipole je

Prema tome ova antena je nešto duža nego li je potrebno za rezonanciju. Ako skratimo

antenu za 2% možemo ostvariti rezonancije. Kao i ranije, četvrtvalni monopol ima upola

manju ulaznu impedanciju u usporedbi sa poluvalnim dipolom.

Relativno velike vrijednosti otpora zračenja ovih antena čine prijenos energije lakšim, te

čine da antene nemaju gubitaka kada su korišteni dobri vodiči!

3

Usporedba dipol-unipol

Budući da se električki kratak dipol pretežno upotrebljava pri nižim frekvencijama (do 30

MHz), za koje se mora upotrebljavati vertikalna polarizacija zbog relativne dobro vodljivosti

tla, on se u pravilu zamjenjuje unipolom.

Unipol ima asimetrično napajanje i predstavlja zapravo polovicu dipola iznad vodljive plohe.

Uz jednaku struju na stezaljkama dipola i unipola, polje je u gornjem poluprostoru jednako u

oba slučaja. To znači da unipol zrači pola snage ekvivalentnog dipola (L=2H), pa je otpor

zračenja :

Reaktivna komponenta impedancije unipola ima kapacitativni karakter i može se izraziti

jednadžbom:

,

uz

Valni otpor u jednadžbi (gore) razlikuje se od onoga koji bi se dobio teoretski, ali se ta

poluempirijska formula mnogo bolje slaže s izmjerenim vrijednostima. Faktor iskorištenja

unipola malen je, jer se u njegovoj blizini javljaju gubitci zbog nedovoljne vodljivosti tla. Osim

toga, radi poništavanja kapacitativne reaktancije treba unipolu dodati u seriju zavojnicu, koja

svojim gubitcima smanjuje ukupni faktor iskorištenja., tako da ukupni otpor gubitaka može biti

čak i veći od otpora zračenja. Gubitci u tlu mogu se smanjiti tako da se oko antene u tlu

4

ukopaju dobro vodljive metalne trake u obliku radijalne mreže. Međutim, ne mogu se izbjeći

gubici u zavojnici ili četveropolima za prilagođenje.

Osim lošeg faktora iskorištenja, u vrlo kratkom odašiljačkom unipolu pojavljuje se

ograničenje maksimalno zračene snage, diktirane probojnim naponom. Naime, zbog malog

otpora zračenja (Rz<<X a ) struja je na stezaljkama unipola

A zračena snaga:

Prema tome potrebni su visoki naponi da se postigne veća zračena snaga.

Da bi se uz istu visinu unipola povećala njegova efektivna visina, treba raspodjelu struje što

je više moguće približiti konstantnoj raspodjeli.

Metode pobuđivanja unipola

Kada se upotrebljava vertikalna polarizacija koristi se unipol. Redovito se uzima da je

ploha za uzemljenje kružnog oblika, s tim da joj je promjer barem pola valne duljine, ili veći.

Za promjere veće od 10 valnih duljina utjecaj dimenzije plohe za uzemljenje na impedanciju

unipola je zanemariv. Odstupanje impedancije unipola s plohom za uzemljenje promjera d u

odnosu na impedanciju unipola iznad beskonačne plohe iznosi

Za veće promjere utjecaj plohe za uzemljenje se može zanemariti, al je znatan njezin utjecaj

na dijagram zračenja. Dok je za beskonačnu plohu maksimum zračenja u horizontalnom

smjeru, dotle je uz konačnu plohu maksimum pod nekim kutom u odnosu na horizontalu. Kut

elevacije može se približno dobiti pomoću izraza

5

Blisko indukcijsko polje

(1)

(2)

Gore navedene jednadžbe sadrže članove koji pripadaju trima različitim vrstama čiji

članovi opadaju s trećom, drugom i prvom potencijom recipročne vrijednosti polumjera

udaljenosti. Za dio prostora vrlo blizu strujnom elementu (r << λ) najznačajniji članovi su oni s

najvišim potencijama od r. Ako pišemo iznos dipolnog momenta :

,

Budući da je r << λ, dobivamo iz (1) i (2) približne izraze za polje u bližoj zoni:

,

Usporedimo li reducirani izraz za električno polje u blizini dipola s izrazom za polje statičkog

električnog dipola, uočit ćemo potpunu podudarnost. Slično ćemo uočiti potpunu

podudarnost reduciranog izraza za magnetsko polje titrajućeg dipola i izraza za polje

istosmjernog strujnog elementa računatog po Biot-Savartovu zakonu. Polje u bliskoj zoni je

prema tome kvazistatičko, a nazivamo ga indukcijsko polje ili blisko polje. Treba istaknuti

činjenicu da su električno i magnetsko polje u tom području pomaknuti u fazi za 90˚, tako da

ne postoji tijek srednje djelatne elektromagnetske energije. Postoji samo tijek srednje

reaktivne energije:

6

r << λ

7