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Konstruktionsprinzipien für Monopolantennen: Wie kann die Wellenlänge zur Leistungsoptimierung genutzt werden?
Eine Monopolantenne ist eine Hochfrequenzantenne, die aus einem geraden, stabförmigen Leiter besteht, der normalerweise vertikal auf einer leitenden Oberfläche, einer sogenannten Grundfläche, montiert ist. Die Sende- und Empfangssignale dieses Antennentyps werden über die Verbindung zwischen dem unteren Ende der Monopolantenne und der Massefläche übertragen. Im Vergleich zur Dipolantenne verfügt die Monopolantenne über eine einzigartige Funktionsweise und ein eigenes Konstruktionsprinzip. Um die Leistung der Monopolantenne zu maximieren, ist die Wahl der Wellenlänge ein entscheidender Faktor.
Die Länge eines Monopols bestimmt direkt seine Leistung bei der Übertragung einer bestimmten Frequenz, die eng mit der erwarteten Radiowellenlänge zusammenhängt.
Monopolantennen sind in der Regel als Viertelwellenlängenantennen ausgelegt, das heißt, ihre Länge beträgt etwa ein Viertel der Wellenlänge der gewünschten Radiowellen. Bei Rundfunkanwendungen ist jedoch auch das Acht-Fünftel-Wellenlängen-Design beliebt, da diese Länge die abgestrahlte Leistung maximiert. Bei beiden Längen ist die Leistung der Antenne für eine effiziente Nutzung aus unterschiedlichen Winkeln optimiert, insbesondere bei terrestrischer Übertragung.
Historischer HintergrundDie Erfindung der Monopolantenne geht auf das Jahr 1895 zurück, als Guglielmo Marconi historische Experimente im Bereich der Funkkommunikation durchführte. Bei diesen frühen Experimenten verwendete Marconi zwei identische horizontale Drähte als Dipolantennen. Er stellte fest, dass er weiter senden konnte, indem er den Sender mit einem in der Luft hängenden Draht verband und das andere Ende erdete. Entfernung. Daher wird die Monopolantenne auch Marconi-Antenne genannt.
Strahlungsmuster
Ebenso wie der vertikal aufgehängte Dipol weist der Monopol ein omnidirektionales Strahlungsmuster auf, d. h. die Energie wird in allen Azimutwinkeln gleichmäßig abgestrahlt, wobei die Menge der abgestrahlten Energie mit dem Höhenwinkel variiert. Im Zenit auf der Antennenachse sinkt die Strahlung auf Null.
Das einzigartige Merkmal der Monopolantenne besteht darin, dass sie einen stärkeren Einfluss auf das Strahlungsmuster vom Boden aus hat, weshalb bei der Konstruktion die Bodeneigenschaften berücksichtigt werden müssen.
Technisch kann man sich das Prinzip einer Monopolantenne so vorstellen, dass die untere Hälfte einer vertikalen Dipolantenne durch eine vertikale leitende Ebene (Grundebene) ersetzt wird. Auf einer unendlichen und leitfähigen Grundebene zeigt eine solche Struktur ein Strahlungsmuster, das mit dem der oberen Hälfte einer Dipolantenne identisch ist. Für den Designer ist das Verständnis dieser grundlegenden Strahlungseigenschaften ein wichtiger Schritt bei der Optimierung der Monopolantenne.
Verstärkung und Eingangsimpedanz
Da ein Monopol nur nach oben strahlt, kann seine Verstärkung als etwa doppelt so hoch wie die eines Dipols angesehen werden und seine Strahlungsimpedanz beträgt nur die Hälfte der eines Dipols. Beispielsweise hat eine Viertelwellen-Monopolantenne einen Gewinn von ungefähr 5,2 dBi und eine Strahlungsimpedanz von ungefähr 36,5 Ohm. Bei dieser Konstruktion ist die Eingangsimpedanz eindeutig rein resistiv, ihre reaktive Natur zeigt jedoch bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Reaktionen, wenn die Antennenlänge variiert.
In der Praxis wirkt sich die Verwendung unterschiedlicher Arten künstlicher oder natürlicher Masseflächen erheblich auf die Leistung und Verstärkung der Antenne aus.
Mit zunehmender Antennenlänge wird der Einfluss des Metallleiters immer größer, was wiederum für die Verstärkung des übertragenen Signals eine immer größere Bedeutung hat. Bei den meisten Anwendungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation oder des Rundfunks berücksichtigen die Entwickler diese Faktoren sorgfältig, um sicherzustellen, dass die Monopolantenne bei der angegebenen Frequenz ihre Betriebseffizienz maximiert.
Typen von Monopolantennen
Monopolantennen werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, von Übertragungen unter 20 MHz bis hin zu Kommunikationssystemen mit höheren Frequenzen. Zu den traditionellen Designs gehören Vertikalantennen, T-Antennen und Schirmantennen zur Verbesserung von Verstärkung und Effizienz. Da bei VHF- und UHF-Frequenzen die erforderliche Massefläche kleiner wird, werden künstliche Masseflächen immer häufiger eingesetzt. Mit solchen Konstruktionen ist der Betrieb der Antenne in der Luft möglich.
Mit der Weiterentwicklung der Wireless-Technologie sind Variationen von Monopolantennen entstanden, wie beispielsweise die invertierte F-Antenne in Mobilgeräten, wodurch sich ihr Anwendungsspektrum weiter erweitert.
Auch heute noch sind Monopolantennen eine Schlüsselkomponente in der drahtlosen Kommunikation, von einfachen tragbaren Radios bis hin zu komplexen drahtlosen Netzwerksystemen, wodurch diese Technologie ihre einzigartigen Vorteile unter Beweis stellen kann. Doch können wir bei zukünftigen Wireless-Technologien weiterhin Innovationen im Design und in der Leistung von Monopolantennen erwarten, um den sich entwickelnden Anforderungen gerecht zu werden?
