Monopólus (antenna)

A monopólus aszimmetrikus táplálású sugárzó, vagyis a betáplálás egyik pontja a sugárzó talppontja, a másik pont pedig a sugárzóra merőleges vezetősík talppont alatti pontja. A vezetősík lehet maga a talaj, de lehet mesterséges vezetősíkot is kiképezni, ami a monopólus talppontja alól induló radiális vezetőkből áll. Belátható, hogy az antenna hatásfokát nagyban befolyásolja a vezetősík minősége.

A monopólust, mint nyílt rezgőkört a következőképp képzelhetjük el:

az induktív komponenst a sugárzó hosszából származtatjuk, mivel az egyenes vezetőnek van induktivitása. Továbbá a vezetősíkban indukálódott visszáram is vezetőn jön vissza, aminek szintén van induktivitása.
a kapacitív összetevőt a monopólus és a vezetősík között létrejövő szórt kapacitás adja, vagyis ha nyitott kondenzátorként fogjuk fel a monopólust, akkor a kondenzátor egyik fegyverzete a monopólus felülete, a másik fegyverzet pedig a vezetősík felülete.
rezisztív összetevők: a vezetősík és a monopólus ellenállása, sugárzási ellenállás, veszteségi ellenállás

Belátható, hogy pontos kiszámítása meglehetősen számításigényes, hiszen minél pontosabb értéket akarunk számolni, annál több részre kell felbontanunk rendszert. Gyakorlatban bevált módszer, ha egy effektív hosszt, illetve magasságot használunk a számításokhoz.

Méretezése, tulajdonságai

Rezonancia a monopóluson

A monopólus akkor van rezonanciában, ha a hossza megegyezik a talppontjára kapcsolt váltófeszültség hullámhosszának negyedével, vagy annak egész számú többszörösével.

$h_{R}=kn{\frac {\lambda }{4}}$

hR – rezonáns hossz (m)
λ – a talppontba táplált váltófeszültség hullámhossza
n – egész szám
k – rövidítési tényező

Hatásos magasság

$h_{eff}={\frac {tan{\frac {\beta h}{2}}}{\beta }}$

h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága
h – a monopólus hosszúsága
λ – a monopólusba táplált váltófeszültség hullámhossza
β – hullámtényező

A hatásos magasság akkor csökken ilyen mértékben, ha a monopólus alatti vezetősík nem rezonáns méretű. Ha mesterséges földelősíkot használunk, ami rezonáns méretű, akkor sokkal kisebb mértékben csökken a hatásos magasság.

A monopólus kapacitása

$C_{0}={\frac {111}{2ln{{\biggl (}{\frac {2h_{eff}}{r}}{\biggr )}}}}$

$C=hC_{0}$

r – a monopólusvezető sugara (m)
h – a monopólus hosszúsága (m)
h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
C₀ – a monopólus méterenkénti kapacitása (pF/m)
C – a monopólus kapacitása (pF)

A monopólus induktivitása

$L_{0}=0.2ln{{\biggl (}{\frac {2h_{eff}}{r}}{\biggr )}}$

$L=hL_{0}$

r – a monopólusvezető sugara (m)
h – a monopólus hosszúsága (m)
h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
L₀ – a monopólus méterenkénti induktivitása (μH/m)
L a monopólus induktivitása (μH)

A monopólus hullámimpedanciája

$Z_{0}={\sqrt {\frac {L}{C}}}$

L – a monopólus induktivitása (H)
C – a monopólus kapacitása (F)
Z₀ – a monopólus hullámimpedanciája (Ω)

A monopólus által keltett térerősség a monopólustól d távolságra

$E={\frac {120\pi I_{0}h_{eff}}{d\lambda }}$

I₀ – talpponti áramerősség (A)
h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
d – a monopólus és a mérési hely közötti távolság (m)
λ – az üzemi hullámhossz (m)
E – a térerősség (mV/m)

A monopólus sugárzási ellenállása

$R_{S}=1579{\biggl (}{\frac {h_{eff}}{\lambda }}{\biggr )}^{2}$

λ – a monopólusra kapcsolt váltóáram hullámhossza (m)
h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
R_S – a sugárzási ellenállás (Ω)

^[1]

Feszültség és áramviszonyok a λ/4 hosszúságú monopóluson

Ha λ/4 hosszúságú monopólust λ hullámhossznak megfelelő frekvenciájú váltóárammal megtápláljuk, akkor kialakul a áramhas és a feszültségcsús. Ekkor van a monopólus rezonanciában.

A monopólus vezetőn a talpponttól távolodva egyre nagyobb feszültséget mérhetünk, a legnagyobb feszültséget a monopólus betáplálással ellentétes végén mérhetjük.

Az árammal fordított a helyzet, az áram a talppont közelében a legnagyobb, attól távolodva csökken, a monopólus végén pedig már nem folyik áram.

Különböző hosszúságú monopólusok rezonanciára hangolása

Különböző, a rezonáns hossztól eltérő monopólusok különböző elektromos helyettesítőképpel modellezhetőek.

A monopólus tökéletes rezgőkörként csak λ/4 és λ/2 hosszúságúra méretezve működik.

A λ/2 méretű monopólusok párhuzamos rezgőkörként működnek, tehát nagy ellenállást képviselnek, így nagy feszültséggel kell megtáplálni. A feszültségcsúcs itt a talpponton van, a monopólus közepén 0V van, és a monopólus betáplálással átellenes végén a betáplálási ponttól fázisban 180°-kal eltolt feszültségcsúcs alakul ki. Az áramhas a monopólus közepén van. A félhullámú monopólus a gyakorlatban nem terjedt el, mivel a negyedhullámú monopólushoz képest jóval költségesebb a megvalósítása, és a nyeresége nem sokkal nagyobb, mint a negyedhullámúé. A monopólusok antennanyeresége és iránykarakterisztikája leginkább az 5/8 λ méretben a legoptimálisabb, költségesebb fadingmentes rendszereknél inkább ezt a méretet igyekeznek közelíteni.

A hosszabbítotekercs

A λ/4 méretet csökkentve egyre inkább eltűnik az induktív komponens, a monopólus egyre inkább kapacitásként működik. Minél inkább rövidül, az iránykarakterisztikája annál inkább közelíti az izotróp jelleget. Ilyen rövidített antennákat a gyakorlatban is használnak, egyrészt abból a megfontolásból, hogy izotróp jellegű, másrészt meg a hosszabb hullámokhoz költséges lenne rezonáns méretű antennát telepíteni. Ahhoz, hogy ez a rövid monopólus antennaként használható legyen, a talppont és a tápkábel közé egy hosszabbítótekercset kell beiktatni, amivel pótoljuk az elveszett induktivitást. Ez a hozzápótolt induktivitás veszteségként jelenik meg, minél nagyobb induktivitást kell pótolni, annál nagyobb veszteség keletkezik.

A beiktatandó hosszabbítotekercs induktivitása a következőképp számolható:

$L_{h}={\frac {\lambda Z_{0}}{1886}}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}$

λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
h – a monopólus hossza (m)
Z₀ – a monopólus hullámellenállása (Ω)
L_h – a beiiktatandó hosszabbítótekercs induktivitása (μH)

A rövidítőkondenzátor

A negyedhullámú monopólus hosszát növelve növekszik a monopólus induktív komponense, ami nem sugárzási ellenállásként jelenik meg, hanem reaktív veszteségként. Ezt az induktív jellegű reaktív veszteséget egy megfelelő kapacitású kondenzátorral lehet ellensúlyozni, amit a monopólus talppontja és a földpont közé kapcsolunk. A rövidítőkondenzátor kapacitását az alábbi képlettel számolhatjuk ki:

$C_{r}={\frac {530\lambda }{Z_{0}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}}}$

λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
h – a monopólus hossza (m)
Z₀ – a monopólus hullámellenállása (Ω)
C_r – a rövidítőkondenzátor kapacitása (pF)

Az kondenzátorral történő rövidítés is veszteségként jelenik meg, így használata nem elterjedt, mivel egy hosszabb, költségesebben telepített monopólust ily módon lerövidíteni nem észszerű megoldás. Az amatőrrádiózásban van jelentősége, olyan esetben, ha például a 80 m-es amatőrsávra készített monopólust a 60 m-es amatőrsávon is használni szeretnénk.

Monopólusok iránykarakterisztikái

A monopólus hosszának növelésével növekszik a monopólusok hatásos felülete, ennek következtében a nyereségük is növekszik. A rövid monopólusok kvázi-izotróp jellegűek, minél inkább hosszabbítjuk, annál kisebb szögben sugározzák ki az elektromágneses hullámokat.

Az iránykarakterisztika szempontjából a legoptimálisabb méret az 5/8 λ, innen tovább növelve megjelennek felfelé irányuló mellékágak, így a főirányban már kisebb energia sugárzódik ki (egészhullámú méretre növelve a monopólust a főág meg is szűnik, 45°-os magassági szögbe lesz körsugárzó).

Monopólusból kialakított, gyakorlatban használt antennák

Általánosságban elmondható, hogy monopólusból leginkább függőleges polarizációval sugárzó, körsugárzó antennákat készítenek. A kézirádiók antennáinál és a zsebrádiók, táskarádiók botantennáinál vagy teleszkópantennáinál lehetséges, hogy a monopólus vizszintes irányban van megdöntve, ilyenkor vízszintes polaritású iránysugárzóként viselkedik.

Egyelemes monopólusok

λ/4 hosszúságnál rövidebb monopólus

botantenna, teleszkópantenna
flexibilis antennák, "gumiantenna"
NYÁK-ra maratott antenna

λ/4 hosszúságú monopólus

ground-plane, triple-leg
botantenna

λ/4-nél hosszabb monopólus

Blaw-knox
5/8-os körsugárzó
botantenna

Többelemes monopólusok

emeletes körsugárzó
koax-kolineár

Források

K. Andrae, F. W. Fussnegger, O. Kronjäger, G. Lesche, W. Lichthardt, O. Morgenroth, W. Müller, K. Rothammel, E. Schneller, K. H. Schubert.szerk.: Hans Joachim Fischer: Rádióamatőrök kézikönyve – Kézi- és segédkönyv rövidhullámú adó- és vevőamatőrök számára [archivált változat] (djvu) (magyar nyelven), Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ETO 621.396.72, 621.396.6.029.55/62 [1960] (1962). Hozzáférés ideje: 2024. március 22. [archiválás ideje: 2020. március 7.] „Eredeti mű: AMATEURFUNK, Verlag Sport und Technik, Berlin, 1960”

Jegyzetek

↑ id. mű, 377.o., 10 Antennák, Rüdenberg-féle egyenlet

[1] . mű, 377.o., 10 Antennák, Rüdenberg-féle egyenlet

[1]