Μονόπολη Κεραία : Σχεδιασμός, Εργασία, Τύποι & Εφαρμογές της

Ένας πρωτοπόρος του ραδιοφώνου ονόματι «Guglielmo Marconi» εφηύρε μια μονοπολική κεραία το 1895 και κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το έτος 1896 κατά τη διάρκεια των πρώτων ιστορικών πειραμάτων του στη ραδιοεπικοινωνία. Αυτή η κεραία λοιπόν είναι γνωστή και ως κεραία Marconi. Αυτό είναι το μισό του α διπολική κεραία διατεταγμένα πάνω από ένα αγώγιμο επίπεδο εδάφους. Έτσι, η μονοπολική κεραία τετάρτου κύματος είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος όπου αυτή η κεραία είναι περίπου το 1/4 του μήκους κύματος ραδιοκυμάτων. Αυτά τα κεραίες χρησιμοποιούνται σε δίκτυα Διαδικτύου και κινητές επικοινωνίες. Έτσι, αυτό το άρθρο εξετάζει μια επισκόπηση του α μονοπολική κεραία – εργασία με εφαρμογές.

Ορισμός μονοπολικής κεραίας

Ένας τύπος κεραίας ραδιοφώνου που περιλαμβάνει έναν ευθύγραμμο αγωγό σχήματος ράβδου που είναι τοποθετημένος κάθετα πάνω από ένα επίπεδο γείωσης είναι γνωστός ως μονοπολική κεραία. Αυτή η κεραία είναι μια απλή και μονοκαλωδιακή κεραία, που χρησιμοποιείται κυρίως τόσο για μετάδοση όσο και για λήψη σημάτων, τόσο ευρέως χρησιμοποιούμενη σε συστήματα ασύρματων επικοινωνιών.

Σε μια μονοπολική κεραία, η ράβδος αγωγού λειτουργεί σαν ανοιχτός συντονιστής κυρίως για ραδιοκύματα & ταλαντώνεται με κύματα στάσιμης τάσης και ρεύματος στο μήκος της. Το μήκος της κεραίας απλά καθορίζεται ανάλογα με το επιθυμητό μήκος κύματος ραδιοκυμάτων. Το εύρος συχνοτήτων της μονοπολικής κεραίας είναι από 1,7-2 GHz, με μέσο κέρδος 3,7 dBi.

Σχεδιασμός μονόπολης κεραίας

Μια μονοπολική κεραία είναι το ½ (το μισό) μιας διπολικής κεραίας που είναι σχεδόν τοποθετημένη στην κορυφή κάποιου τύπου επιπέδου γείωσης. Έτσι, αυτή η κεραία είναι τοποθετημένη σε ένα άπειρο επίπεδο γείωσης με μήκος «L» όπως φαίνεται παρακάτω. Με τη θεωρία εικόνας, τα πεδία στο επίπεδο γείωσης μπορούν να βρεθούν μέσω της κεραίας μέσα στον ελεύθερο χώρο που φαίνεται στο δεύτερο διάγραμμα. Αυτή είναι απλώς μια διπολική κεραία με δύο φορές το L (μήκος) μιας μονοπολικής κεραίας.

Στο πρώτο σχήμα, τα πεδία στο επίπεδο γείωσης είναι ίσα με τα πεδία. Τα πεδία της μονοπολικής κεραίας κάτω από το επίπεδο γείωσης σε αυτό το σχήμα είναι μηδενικά. Η κατευθυντικότητα της μονοπολικής κεραίας σχετίζεται άμεσα με μια διπολική κεραία. Εάν η κατευθυντικότητα μιας διπολικής κεραίας με μήκος 2L είναι D1, τότε η κατευθυντικότητα της μονοπολικής κεραίας με μήκος «L» θα έχει D1+3 που σημαίνει ότι η κατευθυντικότητα της μονοπολικής κεραίας είναι διπλάσια από την κατευθυντικότητα της διπολικής κεραίας. Ο κύριος λόγος για αυτό είναι μόνο επειδή δεν λαμβάνει χώρα ακτινοβολία κάτω από το επίπεδο γείωσης. Έτσι, η κεραία διπλασιάζεται αποτελεσματικά ως «οδηγία».

Αρχή εργασίας μονοπολικής κεραίας

Η αρχή λειτουργίας μιας μονοπολικής κεραίας είναι: όταν η ισχύς τροφοδοτείται σε ένα μονόπολο, τότε ακτινοβολείται ομοίως προς όλες τις κατευθύνσεις κάθετα προς το μήκος της κεραίας πάνω από το επίπεδο γείωσης στο οποίο είναι τοποθετημένη. Το σχέδιο ακτινοβολίας αυτής της κεραίας είναι πανκατευθυντικό, επομένως ακτινοβολεί με ισοδύναμη ισχύ προς όλες τις κατευθύνσεις σε ορθή γωνία προς την κεραία. Η ακτινοβολούμενη ισχύς από την κεραία αλλάζει με τη γωνία ανύψωσης μέσω της πτώσης της ακτινοβολίας στο μηδέν στην κορυφή στον άξονα της κεραίας.

Μοτίβο ακτινοβολίας μονοπολικής κεραίας

Το μοτίβο ακτινοβολίας είναι η αναπαράσταση της εκπομπής ή λήψης μετώπου κύματος της κεραίας για να προσδιοριστεί η ισχύς της έτσι ώστε να μπορεί κανείς να αναγνωρίσει εύκολα τη λειτουργία και την κατευθυντικότητα της κεραίας.

Όταν η ισχύς εκπέμπεται από την κεραία, τότε έχει επίδραση σε περιοχές μακρινού και κοντινού πεδίου. Το μοτίβο ακτινοβολίας μπορεί να απεικονιστεί γραφικά ως συνάρτηση γωνιακής θέσης & ακτινικής απόστασης από οποιαδήποτε κεραία. Το σχέδιο ακτινοβολίας της μονοπολικής κεραίας φαίνεται παρακάτω.

Το σχέδιο ακτινοβολίας της μονοπολικής κεραίας είναι πανκατευθυντικό, επομένως εκπέμπει ίση ισχύ σε όλες τις κατευθύνσεις που είναι κάθετες προς τη μονοπολική κεραία. Η ακτινοβολούμενη ισχύς της κεραίας αλλάζει με τη γωνία ανύψωσης από την ακτινοβολία πτώσης στο μηδέν στην κορυφή στον άξονα της κεραίας. Εκπέμπει κατακόρυφα πολωμένα ραδιοκύματα.

Στο παραπάνω διάγραμμα, τα κατακόρυφα μοτίβα ακτινοβολίας τριών μονοπολικών γραφημάτων κεραίας με διαφορετικά μήκη είναι τοποθετημένα πάνω από ένα εντελώς αγώγιμο έδαφος.

Η ακτινική απόσταση της γραμμής από την πηγή σε οποιαδήποτε γωνία ανύψωσης είναι απλώς ανάλογη με την πυκνότητα ακτινοβολούμενης ισχύος σε αυτό το υψόμετρο. Ο ακτινωτός άξονας ρυθμίζεται εντός της πυκνότητας ισχύος που είναι σε σχέση με το μονόπολο ενός τετάρτου κύματος και ισότροπο ντεσιμπέλ. Έτσι, το μονοπολικό κύμα τεταρτοκύματος μπλε χρώματος 0,25λ έχει ένα μοντέλο ίσο με το υψηλότερο μισό ενός σχεδίου διπολικής κεραίας. Το πράσινο μονόπολο μισού κύματος 0,5 λ ακτινοβολεί περισσότερη ισχύ εντός οριζόντιων κατευθύνσεων. Η υψηλότερη οριζόντια ακτινοβολία της μονοπολικής κεραίας μπορεί απλά να επιτευχθεί σε μήκος του κόκκινου χρωματικού κύματος με 0,625λ.

Το σχέδιο ακτινοβολίας σε μήκη μισού μήκους κύματος πάνω από 0,5λ χωρίζεται σε δύο λοβούς μέσω ενός δεύτερου κωνικού λοβού που κατευθύνεται προς τον ουρανό. Το υψηλότερο στα 0,625λ συμβαίνει επειδή, σε υψηλές γωνίες, η ακτινοβολία αντίστροφης φάσης των δύο λοβών ακυρώνει συμπιέζοντας περισσότερη ισχύ στον κατακόρυφο λοβό.

Τύποι μονόπολων κεραιών

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μονόπολων κεραιών όπως μαστίγιο, ελικοειδής, λαστιχένιο τυχαίο σύρμα, ομπρέλα, ψυγείο ιστού, ανεστραμμένο-L, κεραία T, επίπεδο γείωσης, διπλωμένο μονόπολο & ανεστραμμένο-F που αναλύονται παρακάτω.

Κεραία μαστίγιο

Η κεραία μαστίγιο είναι ένας τύπος μονόπολης κεραίας και είναι πολύ εύκαμπτη ώστε να μην σπάει απλά. Το όνομα αυτής της κεραίας προήλθε από την κίνηση που μοιάζει με μαστίγιο που εμφανίζεται κάποτε διαταραγμένη. Αυτή η κεραία περιλαμβάνει απλώς μια ευθεία εύκαμπτη ράβδο ή σύρμα και το κάτω μέρος αυτής της κεραίας συνδέεται απλώς με τον πομπό ή τον δέκτη ραδιοφώνου.

Για φορητά ραδιόφωνα, αυτές οι κεραίες συχνά σχεδιάζονται με ένα σετ αλληλοσυνδεόμενων μεταλλικών σωλήνων, έτσι ώστε να μπορούν να τραβηχτούν προς τα πίσω όταν δεν χρησιμοποιούνται. Τα μακρύτερα μαστίγια έχουν σχεδιαστεί κυρίως για να τοποθετούνται σε οχήματα καθώς και σε κατασκευές που έχουν σχεδιαστεί με μια εύκαμπτη ράβδο από υαλοβάμβακα περίπου έναν πυρήνα σύρματος και μπορεί να έχουν μήκος έως και 11 μέτρα. Το τέλειο μήκος αυτής της κεραίας μπορεί να προσδιοριστεί μέσω του μήκους κύματος των ραδιοκυμάτων.

Αυτές είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μονοπολικές κεραίες στις μπάντες ραδιοφώνου HF, UHF & VHF. Αυτά χρησιμοποιούνται ευρέως για ραδιόφωνα FM, ασύρματα τηλέφωνα, ραδιόφωνα χειρός, συσκευές με δυνατότητα Wi-Fi, walkie-talkies και boom boxes. Αυτά συνδέονται με οχήματα για ραδιόφωνα αυτοκινήτου καθώς και ραδιόφωνα διπλής κατεύθυνσης για οχήματα και αεροσκάφη.

Ελικοειδής Κεραία

Μια ελικοειδής κεραία περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα ή παραπάνω αγώγιμα σύρματα τα οποία είναι τραυμένα σε μορφή έλικα. Όταν μια ελικοειδής κεραία σχεδιάζεται με ένα ελικοειδές καλώδιο, τότε αυτή η κεραία είναι γνωστή ως μονόκλωνη, ενώ οι κεραίες που έχουν σχεδιαστεί με τουλάχιστον 2 ή 4 καλώδια μέσα σε μια έλικα ονομάζονται τετράπλευρη/διφιλική. Ανατρέξτε σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με - Ελικοειδής Κεραία .

Τυχαία καλωδιακή κεραία

Μια τυχαία συρμάτινη κεραία περιλαμβάνει ένα μακρύ καλώδιο που αιωρείται πάνω από το έδαφος όπου το σύρμα είναι ίσιο ή μπορεί να τεντωθεί εμπρός-πίσω ανάμεσα σε τοίχους ή δέντρα μόνο και μόνο για να βγει το επαρκές καλώδιο στον αέρα. Λόγω της τεράστιας μεταβλητότητας στη δομή της κεραίας, η απόδοση μπορεί να αλλάξει από τη μια επιδιόρθωση στην άλλη.

Οι κεραίες τυχαίας καλωδίωσης χρησιμοποιούνται ευρέως ως κεραίες λήψης στις ζώνες μικρού μήκους, μεσαίου και μεγάλου κύματος, και αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται ως κεραίες εκπομπής σε αυτές τις ζώνες κυρίως για σταθμούς έκτακτης ανάγκης ή προσωρινούς εκπομπές, μικρούς εξωτερικούς χώρους και σε μέρη όπου οι πιο μόνιμες κεραίες δεν μπορούν να τοποθετηθεί.

Λαστιχένια Ducky Κεραία

Η λαστιχένια ducky κεραία είναι μια κοντή μονοπολική κεραία που λειτουργεί αρκετά ως κεραία μαστίγιου με βάση. Αυτή η κεραία περιλαμβάνει ένα στενό ελατηριωτό σύρμα σε σχήμα έλικας που κλείνει μέσα σε ένα πλαστικό ή λαστιχένιο περίβλημα για να προστατεύει την κεραία. Αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε εύχρηστο ραδιοεξοπλισμό χειρός σε συχνότητες UHF & VHF.

Αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται σε διάφορες φορητές συσκευές ραδιοφώνου, όπως walkie-talkies, σαρωτές φορητούς πομποδέκτες και όπου η ασφάλεια και η ευρωστία έχουν προτεραιότητα πάνω από την ηλεκτρομαγνητική απόδοση. Αυτή η κεραία είναι πολύ ευέλικτη και κατάλληλη για χειροκίνητη λειτουργία, ιδιαίτερα όταν φοριέται στον ιμάντα σε σύγκριση με πρώην άκαμπτες κεραίες τηλεσκοπικού τύπου.

Καλοριφέρ ιστού

Το ψυγείο ιστού είναι ένας τύπος μονοπολικής κεραίας. Αυτός είναι ένας πύργος ακτινοβολίας ή ραδιοιστός όπου ενεργοποιείται η μεταλλική κατασκευή και λειτουργεί ως κεραία. Συνήθως χρησιμοποιείται για τη μετάδοση κεραιών που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες εντός των ζωνών MF & LF, ιδιαίτερα για ραδιοφωνικούς σταθμούς εκπομπής AM. Η βάση αυτής της κεραίας είναι συνήθως τοποθετημένη σε ένα μη αγώγιμο στήριγμα για να την προστατεύει από το έδαφος.

Κεραία σε σχήμα ομπρέλλας

Μια κεραία ομπρέλα είναι μια συρμάτινη μονοπολική κεραία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κεραίες εκπομπής κάτω από 1 MHz στις ζώνες LF, MF & κυρίως VLF σε αρκετά χαμηλές συχνότητες που είναι αδύνατο ή πρακτικό να κατασκευαστεί μια μονοπολική κεραία πλήρους μεγέθους τετάρτου κύματος. Το εξωτερικό άκρο κάθε ακτινωτού σύρματος έχει κλίση προς τα κάτω από την κορυφή της κεραίας και συνδέεται με ένα σχοινί στήριξης μέσω ενός μονωτή που είναι συνδεδεμένος στη γη. Τα ακτινωτά καλώδια θα κάνουν αυτή την κεραία τη γιγάντια ομπρέλα με συρμάτινο πλαίσιο.

Τ-κεραία

Μια κεραία T είναι μια μονοπολική κεραία ραδιοφώνου η οποία είναι επίσης γνωστή ως κεραία επίπεδης κορυφής ή κεραία T. Αυτή η κεραία περιλαμβάνει ένα ή πάνω οριζόντια καλώδια τα οποία ισορροπούν μεταξύ δύο ραδιοιστών διαφορετικά κτίρια και προστατεύονται στα άκρα από αυτά. Ένα οριζόντιο καλώδιο συνδέεται απλώς στη μέση των οριζόντιων καλωδίων, κρέμεται πολύ κοντά στο έδαφος και συνδέεται με τον πομπό (ή τον δέκτη). Οι κεραίες T χρησιμοποιούνται συνήθως στις ζώνες MF, LF, VLF και βραχέων κυμάτων. Αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται ευρέως ως κεραίες εκπομπής κυρίως για ερασιτεχνικούς ραδιοφωνικούς σταθμούς, σταθμούς εκπομπής μεσαίων και μακρών κυμάτων AM. Για ακρόαση βραχέων κυμάτων, αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται ως κεραίες λήψης.

Διπλωμένη Unipole κεραία

Αυτό είναι ένα είδος μονοπολικής κεραίας καλοριφέρ ιστού που χρησιμοποιείται κυρίως ως κεραία εκπομπής εντός της ζώνης μεσαίου κύματος για ραδιοφωνικούς σταθμούς AM. Αυτή η κεραία περιλαμβάνει κυρίως έναν ιστό ή μια κατακόρυφη μεταλλική ράβδο συνδεδεμένη στο σύστημα γείωσης της που περιλαμβάνει θαμμένα καλώδια. Ο ιστός περικλείεται απλώς από κατακόρυφα καλώδια που συνδέονται ηλεκτρικά στην κορυφή του ιστού. Αυτά τα καλώδια συνδέονται απλώς με έναν μεταλλικό δακτύλιο κοντά στη βάση του ιστού και η ισχύς τροφοδοσίας της γραμμής τροφοδοσίας από τον πομπό συνδέεται μεταξύ του δακτυλίου και του εδάφους. Αυτή η κεραία είναι η καλύτερη επιλογή κάθε φορά που ένας ραδιοφωνικός σταθμός AM μοιράζεται έναν πύργο με άλλες κεραίες, όπως κεραίες εκπομπής FM.

Αντεστραμμένη Κεραία F

Μια κεραία ανεστραμμένου F χρησιμοποιείται κυρίως σε συχνότητες μικροκυμάτων και UHF στην ασύρματη επικοινωνία. Περιλαμβάνει μια μονοπολική κεραία που εκτείνεται παράλληλα σε επίπεδο γείωσης και γειώνεται στο ένα άκρο. Αυτή η κεραία τροφοδοτείται από ένα μεσαίο σημείο από την απόσταση του γειωμένου άκρου. Αυτή η κεραία είναι πιο συμπαγής, επιτρέποντάς της να εκπέμπει ισχύ αποτελεσματικά, κ.λπ. Αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ασύρματες συμπαγείς συσκευές χειρός. Αυτά χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές περιοχές δοκιμών σε εφαρμογές τηλεμετρίας.

Μονόπολη Κεραία Vs Διπολική Κεραία

Η διαφορά μεταξύ της μονοπολικής κεραίας και της διπολικής κεραίας συζητείται παρακάτω.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

ο Πλεονεκτήματα μονοπολικής κεραίας περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι μονόπολες κεραίες είναι πολύ απλές στην κατασκευή και την εγκατάσταση
• Αυτά είναι στιβαρά και δεν είναι ακριβά στην κατασκευή τους.
• Αυτή η κεραία έχει μια αρκετά υψηλή αντιδραστική αντίσταση πάνω από το μεγαλύτερο μέρος του εύρους συχνοτήτων της.
• Όταν αυτή η κεραία μακραίνει και οι απώλειες γείωσης μειώνονται, τότε η απόδοση της κεραίας βελτιώνεται.
• Μια μονοπολική κεραία κατακόρυφου τύπου χρησιμοποιείται για οποιαδήποτε συχνότητα μικρότερη από το 2/3 του μήκους κύματος.
• Αυτές είναι απλές πανκατευθυντικές κεραίες που χρησιμοποιούν λιγότερο χώρο σε σύγκριση με μια σειρά από κεραίες τροχών που είναι τοποθετημένες η μία πάνω στην άλλη.
• Αυτές οι κεραίες χειρίζονται τις επικοινωνίες εντός οποιασδήποτε διαδρομής εκτός από κάθετα πάνω από την κεραία.
• Οι τυπωμένες μονόπολες κεραίες χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω πολλών πλεονεκτημάτων όπως το χαμηλό κόστος, το χαμηλό προφίλ, η απλή κατασκευή, το μικρότερο βάρος και ο συνδυασμός με άλλες ενεργές συσκευές.

ο μειονεκτήματα μονοπολικής κεραίας περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Έχει κακή ακτινοβολία προς όλες τις κατευθύνσεις επειδή ακτινοβολεί ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.
• Αυτά είναι ακριβά.
• Οι αντανακλάσεις σημάτων μπορεί να προκληθούν από μεταλλικά αντικείμενα και το έδαφος, επομένως μπορεί να λαμβάνετε σήματα πολωμένα τόσο κάθετα όσο και οριζόντια.
• Οι περιορισμοί σχεδιασμού και μεγέθους που απαιτούνται για ένα επίπεδο γείωσης σε αυτήν την κεραία είναι συχνά περιοριστικοί.
• Το σχέδιο ακτινοβολίας αυτής της κεραίας εξαρτάται κυρίως από την κατεύθυνση του επιπέδου γείωσης.

Εφαρμογές

ο χρήσεις/εφαρμογές μονοπολικής κεραίας αε περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι μονοπολικές κεραίες χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς όπως η διαστημική επιστήμη, η τεχνολογία ραντάρ, η βιοϊατρική, η έρευνα κ.λπ.
• Το μονόπολο χρησιμοποιείται συχνά ως κεραία συντονισμού, όπου η ράβδος αυτής της κεραίας λειτουργεί ως ανοιχτός συντονιστής, ιδιαίτερα για ραδιοκύματα και κυμαίνεται μέσω στάσιμων κυμάτων ρεύματος και τάσης σε όλο το μήκος του. Έτσι, τα μήκη της κεραίας προσδιορίζονται απλώς από το προτιμώμενο μήκος κύματος ραδιοκυμάτων.
• Αυτός ο τύπος κεραίας χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα ασύρματης επικοινωνίας.
• Μια μονοπολική κεραία με πενταγωνικό μοντέλο χαμηλού προφίλ έχει σχεδιαστεί και χρησιμοποιείται για εφαρμογές που φοριούνται.
• Αυτή η κεραία χρησιμοποιείται ευρέως σε αυτοκίνητα, φορητά ραδιόφωνα AM ή FM κ.λπ
• Μια πολύ αποδοτική, χαμηλού κόστους και χαμηλού προφίλ μονοπολική κεραία χρησιμοποιείται σε εφαρμογές διπλής ζώνης, πολλαπλών ζωνών και UWB (υπερευρείας ζώνης).

Έτσι, αυτό είναι μια επισκόπηση μιας μονοπολικής κεραίας – εργασία, τύποι με εφαρμογές. ο χαρακτηριστικά μονοπολικής κεραίας εξαρτώνται κυρίως από το επίπεδο γείωσης και τη γεωμετρία του ψυγείου. Αυτές οι κεραίες χρησιμοποιούνται εκτενώς σε διάφορους τομείς όπως η επιστήμη του διαστήματος, η τεχνολογία ραντάρ, τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας και η βιοϊατρική έρευνα λόγω πολλών πλεονεκτημάτων όπως το χαμηλότερο κόστος, το χαμηλό προφίλ, το ελαφρύ, η εύκολη κατασκευή και ο συνδυασμός μέσω άλλων ενεργών συσκευών. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι μια διπολική κεραία;