Antena biczowa - Whip antenna

Antena biczowa na samochodzie

Anten biczowych jest antena składa się z prostego drutu lub elastycznego pręta. Dolny koniec bata jest połączony z odbiornikiem lub nadajnikiem radiowym . Antena została zaprojektowana tak, aby była elastyczna, aby nie pękała łatwo, a nazwa pochodzi od ruchu przypominającego bicz , który wykazuje, gdy jest zakłócony. Anteny biczowe do radiotelefonów przenośnych są często wykonane z szeregu zazębiających się metalowych rurek teleskopowych, dzięki czemu można je schować, gdy nie są używane. Dłuższe, przeznaczone do montażu na pojazdach i konstrukcjach, są wykonane z elastycznego pręta z włókna szklanego wokół rdzenia drutu i mogą mieć długość do 11 m (35 stóp). Długość anteny biczowej zależy od długości fal radiowych, z którymi jest używana. Najpopularniejszym typem jest bicz ćwierćfalowy , który ma długość około jednej czwartej długości fali . Baty są najczęstszym typem anteny jednobiegunowej i są używane w pasmach radiowych wyższych częstotliwości HF , VHF i UHF . Są szeroko stosowane jako anteny do ręcznych radiotelefonów, telefonów bezprzewodowych , krótkofalówek , radia FM , boom boxów i urządzeń obsługujących Wi-Fi i są mocowane do pojazdów jako anteny do radia samochodowego i radia dwukierunkowego dla pojazdów kołowych i samolotów. Większe wersje montowane na dachach, balkonach i masztach radiowych są wykorzystywane jako anteny stacji bazowych dla radioamatorów i policji, straży pożarnej, pogotowia ratunkowego, taksówek i innych dyspozytorów pojazdów.

Charakterystyka promieniowania

Trzy duże baty z włókna szklanego zamontowane na maszcie.

Bicz z włókna szklanego do amatorskich pasm radiowych 2m i 70cm, z promieniami płaszczyzny uziemienia

Antena biczowa jest anteną jednobiegunową i podobnie jak dipol pionowy ma dookólną charakterystykę promieniowania , promieniującą równą moc radiową we wszystkich kierunkach azymutalnych (prostopadle do osi anteny), przy czym moc promieniowana spada przy kącie elewacji do zera na osi anteny . Anteny biczowe o długości mniejszej niż połowa długości fali, w tym zwykły bicz ćwierćfalowy, mają pojedynczy główny płat , a pod nim doskonale przewodząca płaszczyzna uziemienia maksymalne natężenie pola jest w kierunkach poziomych, opadając monotonicznie do zera na osi. W przypadku małej lub niedoskonale przewodzącej płaszczyzny uziemienia lub braku płaszczyzny uziemienia pod nią, ogólny wynik jest taki, że główny listek jest przechylony do góry, tak że maksymalna moc nie jest już emitowana poziomo, ale pod kątem w niebo.

Anteny dłuższe niż połowa długości fali mają wzory składające się z kilku stożkowych „płatków”; z maksimami promieniowania pod kilkoma kątami elewacji; im dłuższa elektryczna długość anteny, tym więcej płatków ma wzór.

Pionowy bicz emituje fale radiowe o polaryzacji pionowej , przy czym pole elektryczne jest pionowe, a pole magnetyczne poziome.

Anteny pionowe biczowe są szeroko stosowane do bezkierunkowej komunikacji radiowej na powierzchni Ziemi, gdzie kierunek do nadajnika (lub odbiornika) jest nieznany lub stale się zmienia, na przykład w przenośnych odbiornikach radiowych FM , krótkofalówkach i dwukierunkowych radia w pojazdach. Dzieje się tak dlatego, że transmitują (lub odbierają) równie dobrze we wszystkich kierunkach poziomych, jednocześnie emitując niewielką energię radiową w niebo, gdzie jest marnowana.

Długość

Anteny biczowe są zwykle projektowane jako anteny rezonansowe ; pręt działa jak rezonator dla fal radiowych, z falami stojącymi napięcia i prądu odbijanymi tam iz powrotem od jego końców. Dlatego długość pręta antenowego zależy od długości fali ( ) użytych fal radiowych. Najpopularniejsza długość to w przybliżeniu jedna czwarta długości fali ( ), zwana „biczem ćwierć fali” (chociaż często skracana przez użycie cewki ładującej ; patrz bicze krótkie elektrycznie poniżej). Na przykład, powszechne anteny biczowe ćwierćfalowe używane w radiach FM w USA mają długość około 75 cm (2,5 stopy), co stanowi mniej więcej jedną czwartą długości fal radiowych w paśmie radia FM , które mają długość od 2,78 do 3,41 m (9 do 11 stóp) długości. ${\ Displaystyle \ lambda}$${\ Displaystyle \ lambda /4}$

Bicze półfalowe ( długie), które mają większe wzmocnienie , oraz bicze pięcio-ósmej fali ( długie), które mają maksymalne wzmocnienie poziome osiągalne przez monopol, są również powszechnymi długościami. ${\ Displaystyle \ lambda /2}$${\ Displaystyle 0,625 \ lambda}$

Wzmocnienie i odporność na promieniowanie

Antena pionowa ćwierćfalowa działająca przeciwko doskonale przewodzącej nieskończonej ziemi będzie miała wzmocnienie 5,19 dBi i rezystancję promieniowania około 36,8  Ω . Jednak ten zysk nigdy nie jest osiągany w rzeczywistych antenach, chyba że płaszczyzna uziemienia ma średnicę wielu długości fal. 2 dBi jest bardziej typowe dla bata z płaszczyzną uziemienia . Baty montowane na pojazdach wykorzystują metalową powłokę pojazdu jako płaszczyznę uziemienia. W urządzeniach przenośnych zwykle nie ma wyraźnej płaszczyzny uziemienia, a strona uziemienia linii zasilającej anteny jest po prostu podłączona do uziemienia na płytce drukowanej urządzenia. Dlatego samo radio i prawdopodobnie ręka użytkownika służy jako podstawowa płaszczyzna uziemienia. Jeśli obudowa radiotelefonu jest mniejsza niż sama antena, połączenie bicza i radia często działa bardziej jako asymetryczna antena dipolowa niż jako antena monopolowa . Wzmocnienie ucierpi nieco w porównaniu z metalicznym dipolem półfalowym lub biczem z dobrze zdefiniowaną płaszczyzną uziemienia. ${\ Displaystyle \ lambda /4}$

Bicze nie zamontowane na samym radiu są zwykle zasilane kablem koncentrycznym o impedancji 50 lub 75 omów. W antenach nadawczych impedancja anteny musi być dopasowana do linii zasilającej, aby zapewnić maksymalny transfer mocy.

Antena biczowa półfalowa (długość ) ma nieco większe wzmocnienie niż bicz ćwierćfalowy, ale ma węzeł prądowy w punkcie zasilania u podstawy pręta, więc ma bardzo wysoką impedancję wejściową. Gdyby była nieskończenie cienka, antena miałaby nieskończoną impedancję wejściową, ale skończona szerokość daje typowe bicze półfalowe o impedancji 800–1500 Ω. Są one zwykle zasilane przez transformator dopasowujący impedancję lub sekcję dopasowującą ćwierćfalową końcówkę ( antena J-biegunowa ). Zaletą jest to, że ponieważ działa jak dipol, nie potrzebuje płaszczyzny uziemienia. ${\ Displaystyle \ lambda /2}$

Maksymalne poziome wzmocnienie anteny monopolowej osiąga się przy długości pięciu ósmych długości fali, więc jest to również popularna długość biczy. Jednak na tej długości wzór promieniowania jest podzielony na poziomy płatek i mały drugi płat pod kątem 60°, więc promieniowanie pod dużym kątem jest słabe. Impedancja wejściowa wynosi około 40 Ω. ${\ Displaystyle 0,625 \ lambda}$

Antena naziemna

Anteny naziemne

W antenie biczowej nie zamontowanej na powierzchni przewodzącej, takiej jak zamontowana na maszcie, brak odbitych fal radiowych od płaszczyzny uziemienia powoduje, że listek wzorca promieniowania jest pochylony ku niebu, przez co mniej mocy jest wypromieniowywane w poziomie kierunki, niepożądane dla komunikacji naziemnej. Również niezrównoważona impedancja elementu jednobiegunowego powoduje powstawanie prądów RF w maszcie nośnym i na zewnątrz przewodu uziemiającego przewodu koncentrycznego. Aby temu zapobiec, przy nieruchomych biczach montowanych na konstrukcjach często stosuje się sztuczną „płaszczyznę uziemienia” składającą się z trzech lub czterech prętów o długości ćwierć fali, połączonych z przeciwną stroną linii zasilającej, rozciągających się poziomo od podstawy bicza. Nazywa się to anteną naziemną . Te kilka krótkich elementów przewodowych służy do odbierania prądu przesunięcia z napędzanego elementu i zwracania go do przewodu uziemiającego linii transmisyjnej, dzięki czemu antena zachowuje się tak, jakby miała pod sobą ciągłą płaszczyznę przewodzącą.

Rezystancja promieniowania ćwierćfalowej anteny uziemiającej z poziomymi przewodami uziemiającymi wynosi około 22 Ω, co jest kiepskim dopasowaniem do linii zasilającej kablem koncentrycznym , a główny płat charakterystyki promieniowania jest nadal pochylony w kierunku nieba. Często (patrz zdjęcia) pręty płaszczyzny uziemienia są pochylone w dół, co skutkuje obniżeniem głównego płata wzorca promieniowania, dzięki czemu więcej mocy jest wypromieniowywane w kierunkach poziomych i zwiększa impedancję wejściową dla dobrego dopasowania do standardu 50- kabel koncentryczny ohm . Aby dopasować 75-omowy kabel koncentryczny, końce płaszczyzny uziemienia można obrócić w dół lub można użyć złożonego elementu napędzanego jednobiegunowo.

Bicze elektrycznie krótkie

Gumy Ducky anteny , co jest pospolitym rodzajem elektrycznie krótkim batem na ręcznym UHF CB urządzenia nadawczo-odbiorczego. Z usuniętą gumową osłoną (po lewej) .

Aby zmniejszyć długość anteny biczowej, aby była mniej uciążliwa, często dodaje się do niej szeregowo cewkę indukcyjną ( cewka ładująca ). Dzięki temu antena może być znacznie krótsza niż normalna długość ćwierć fali i nadal być rezonansowa , poprzez eliminację reaktancji pojemnościowej krótkiej anteny. Zwój jest dodawany u podstawy bata (nazywany batem obciążonym podstawą) lub czasami w środku (bicz obciążony centralnie). W najszerzej stosowanej formie, gumowej antenie typu ducky , cewka ładująca jest zintegrowana z samą anteną, tworząc bicz z wąskiej spirali sprężystego drutu. Spirala rozprowadza indukcyjność na całej długości anteny, poprawiając charakterystykę promieniowania, a także czyni ją bardziej elastyczną. Inną alternatywą czasami używaną do skracania anteny jest dodanie na końcu „czapki pojemnościowej”, metalowego ekranu lub przewodów promieniujących. Jednak wszystkie te elektrycznie krótkie bicze mają mniejsze wzmocnienie niż bicz ćwierćfalowy o pełnej długości.

Praca wielopasmowa jest możliwa z cewkami na około połowę lub jedną trzecią i dwie trzecie, które nie wpływają zbytnio na antenę w najniższym paśmie, ale tworzą efekt ułożonych dipoli w wyższym paśmie (zwykle ×2 lub ×3 częstotliwość).

Przy wyższych częstotliwościach (2,4 GHz, ale istnieją wojskowe bicze na pasmo 50 MHz do 80 MHz i są standardem dla radia SINCGARS w zakresie 30-88 MHz), koncentryczny przewód zasilający może iść w górę środka rury. Izolowane złącze rury i bicza jest zasilane z kabla koncentrycznego, a dolny koniec rury, do którego wchodzi kabel koncentryczny, ma izolowane mocowanie. Ten rodzaj pionowego bicza jest pełnym dipolem i dlatego nie wymaga płaszczyzny uziemienia. Na ogół działa lepiej na kilku długościach fal nad ziemią, stąd ograniczenie zwykle do pasm mikrofalowych.

Uszkodzenia anteny pojazdu

Anteny biczowe w pojazdach mogą zostać uszkodzone przez automatyczne myjnie samochodowe, zwłaszcza te, które używają wirujących szczotek do ścierania brudu z zewnętrznej części karoserii. Ponieważ szczotki muszą mieć kontakt z powierzchnią pojazdu, mogą wygiąć lub całkowicie odłamać anteny biczowe. Generalnie zaleca się wyjęcie lub schowanie tych anten, aby szczotki nie miały kontaktu, lub właściciel pojazdu powinien używać wyłącznie myjni automatycznej z „bezdotykowym” strumieniem spryskiwacza.

Galeria obrazów

Antena biczowa do telefonu komórkowego z cewką ładującą w samochodzie.

Kolekcja krótkofalówek z elektrycznymi krótkimi biczami. Jednostki na końcach i małe na pierwszym planie mają anteny typu „gumowa kaczka”

Antena biczowa FM na przenośnym odbiorniku

Bat z włókna szklanego na uwięzi na wojskowym jeepie

Zobacz też

• System antenowy kamizelki taktycznej
• Waves (Juno) (używa dwóch anten biczowych dla jednego ze swoich czujników)
• POLA (Wykorzystuje cztery anteny biczowe w sondzie Parker Solar Probe )

Bibliografia