Monopólus antenna készítése 868MHz-re

A legegyszerűbb és egyben a legegyszerűbb antenna konstrukció. Kialakítása egy darab egyenes rúd, vagy vezeték, mely a földhöz képest merőelegesen áll. Az antenna fontos része a megfelelő méretű földelő felület is, így az egyenesen álló rész mellett ennek a kialakítására is figyelmet kell fordítani. Kíváncsi voltam, hogy mit lehet kihozni egy ilyen nagyon egyszerű felépítésű antennából, így építettem egyet és megmértem a jellemzőit.

Minimális költségráfordítást igényel az elkészítése és a legegyszerűbb anyagokból felépíthető. Mivel a cél leginkább csak az antenna kipróbálása volt, így a műhelyben fellelhető alkatrészekre hagyatkoztam. Ennek a konstrukciónak így, ebben a formában különösebb felhasználási célja nem lesz. Természetesen, kicsit profibb kivitelezés esetén, esetleg valamilyen burkolattal ellátva valószínűleg megállná a helyét, akár kültérre telepítve is.

Elmélet

Ezt az antennatípust Guglielmo Marconi fedezte fel és szabadalmaztatta 1896-ban. Ennek okán ezt a fajta antennát Marconi antennának is hívják. Marconi elmélete szerint a Heinrich Hertz féle dipólantennákkal szemben az ő megoldásának előnye abban van, hogy míg a dipólus antenna két azonos hosszúságú vezetőből áll, addig a monopólus antenna szerkezetileg csak a dipólus egyik felét valósítja meg, a másik félnek pedig a földet használja. Kísérletei szerint ezzel a megoldással nagyobb távolságokra volt képes jelet továbbítani.

Míg nagyobb méretű és teljesítményű adótornyok esetében megvalósítható a földhöz kapcsolás, addig kis méretben erre ritkán van lehetőség. Utóbbi esetben a földfelületet fémlemezből valósítják meg. Ehhez sokszor kihasználják az áramköri kártyához közvetlenül kapcsolódó antennáknál az áramköri kártya GND felületét. Monopólus antennák előfordulnak áramköri kártyára nyomtatott változatban is. Az így készült antennák geometriai kialakítása mindig pontosan reprodukálható és nagy példányszámú gyártásuk is költséghatékony. Mobilkommunikációs eszközökben elterjedten alkalmazott az invertált F antenna, mely a L monopólus egy módosított változata. Az ilyen antennákat a kedvezőbb illesztés miatt nem a végénél táplálják meg, hanem erre egy közbenső pontot használnak. Na de vissza az eredeti monopólushoz.

Méretezés

A monopólus hossza frekvenciafüggő. Minden antennát adott frekvencia vételére terveznek. A frekvencia ismeretében meghatározható a jel hullámhossza. A hullámhossz ismeretében pedig tudjuk méretezni az antennát. A monopólusokat általában ½ hullámhosszra tervezik, de mivel az antennának csak az egyik fele áll ki a föld síkjából, míg másik fele a föld, így a hullámhossz felét is el kell még felezni, azaz a kiálló rész csak ¼ hullámhossz hosszúságú lesz.

Én 868MHz-re készítettem az antennámat. Ebben az esetben egy teljes hullám hossza 345,38302mm, ¼ hullámhossz pedig 86,345755mm.

Az antennámhoz a következő anyagokat használtam fel:

  • 1,7mm átmérőjű tömör rézvezeték (villanyszereléshez használatos)
  • Forrasztható SMA csatlakozó (később N csatlakozóra cseréltem a nagyobb stabilitás érdekében)
  • Derékszög rögzítőelem
  • Néhány csavar, kötegelő és farúd az árbócra szerelés demonstrálásához
  • VNA

Hozzávalók

A méretek ismeretében kiegyenesítettem, lecsupaszoltam, majd levágtam a szükséges hosszúságú rézdarabot. A képen látható derékszög rögzítőelemet kifúrtam, majd beszereltem a forrasztható SMA csatlakozót a furatba. A derékszög elemet ezután kötegelővel egy rúd végére erősítettem.

SMA csatlakozás

Elvégeztem a forrasztást az SMA csatlakozónál és gyakorlatilag majdnem elkészült az antenna. Mivel a derékszög elem nem biztosít elegendő földfelületet, ami az antenna másik felét alkotja, így ki kellett alakítani a megfelelő földelést is. Mivel az antenna egy árbóc tetején fog állni, nyilván nem kapcsolható direktben össze a földdel. Ha az árbóchoz kapcsolom, ami érintkezésben lehet a földdel, akkor az árbóc is az antenna részévé fog válni. Ráadásul esetemben fa árbócon került kialakításra az antenna, így ez semmi esetre sem lehet opció. Ilyen kor van az, hogy az antenna számára mesterségesen kell kialakítani a föld oldalt. Erre alkalmazható megfelelő területű sík fémlemez, de alkalmazott módszer az is, mikor több un. Földelő tagot szerelnek az antenna „talpára”, melyek azonos kialakításúak a felfelé álló elemmel, csak épp a föld irányába néznek és általában 135 fokos szöget zárnak be a függőleges elemmel.

A derékszögű rögzítőelemen volt elegendő furat gyárilag, így két furathoz rögzítettem 1-1 rézpálcát, melyeket a föld síkjához képest 45 fokban meghajlítottam lefelé.

Behangolás

Az elkészült szerkezeten elvégeztem az első mérést, melyet szándékosan széles spektrumban tettem azért, hogy látható legyen pár érdekesség.

Felharmonikusok1

Az ábra egy 0-3GHz-es tartományt mutat. Ezen jól látszik, hogy az antennám nem csak 868MHz környékén rendelkezik majd optimálishoz közeli tulajdonságokkal, hanem jóval több frekvencián is. Ezek az un. felharmonikus frekvenciák.
Mivel a monopólus hosszát szándékosan nagyobbra hagytam, így jóval az általam megcélzott érték alá esett a rezonanciapont is. Ez jelen esetben 637MHz körüli értéken áll, illetve látható, hogy pl. 1105MHz-en is kifejezetten jól használható lenne az antennám, hiszen azon a ponton is jók a tulajdonságai.

Felharmonikusok2

Felharmonikusok2 táblázat

Szűkítve kicsit a mérési tartományt pontosabban látszik a megcélzott frekvenciapont, illetve az egyel felette lévő felharmonikusa. Amikor kizárólag egy frekvenciasávban szeretnénk rádiójeleket forgalmazni, akkor az ilyen felharmonikus pontok nemkívánatosak. Vétel esetén könnyen megeshet, hogy egy másik jelforrásból kapott jel képes lehet elnyomni annak a frekvenciának a jelét, melyen tervszerűen forgalmazunk. Mivel a felharmonikusok a hullámtermészet részei, sajnos egy ilyen egyszerű antenna esetében nem lehet velük mit kezdeni. Ha az elektronika oldalán sávszűrőket alkalmazva szándékosan tudjuk rontani a hasznos frekvenciasávon kívül eső jeleket, akkor elérhető, hogy csak a hasznos frekvencián érkező jelek kerüljenek további felhasználásra.

Az antenna hosszának megfelelő mértékű csökkentésével sikerült elérni, hogy a 637MHz-es pont 868MHz-hez kerüljön. Miután ez megtörtént, következett a földelés beállítása. Ez már csak nagyon minimális elhangolást eredményezett, viszont sokkal inkább befolyásolta az antenna teljesítményét. Megfelelő földelés mellett tovább növelhető az érzékenység, az antenna jobb hatásfokkal fog működni. Az alábbi ábrán egy már egész jó beállítás látható.

Monopole beállítva

Monopole beállítva táblázat

Alapfrekvencia 868,027MHz, visszatérési veszteség -18,23dB. Az SWR érték pedig 1,28:1. Nem azt mondom, hogy egy csúcs beállítás, mert lehetne még mit javítani rajta, viszont ezt a kísérletet csupán tapasztalatszerzés céljából végeztem el, így nem volt célom tökéletesre hangolni ezt az antennát.

Monopole1

Monopole2

Felhasznált irodalom: