Monopool of Marconi-antenne
 
 
Een monopoolantenne is een type radioantenne dat bestaat uit een rechte, staafvormige geleider, vaak loodrecht gemonteerd op een geleidend oppervlak, het zogenaamde grondvlak. De stroom van de zender wordt aangelegd, of bij ontvangstantennes wordt de uitgangssignaalspanning
naar de ontvanger afgenomen, tussen de monopool en het grondvlak.
 
 
Eén kant van de voedingslijn naar de zender of ontvanger is verbonden met
het onderste uiteinde van het monopoolelement, en de andere kant is verbonden met het grondvlak, dat de aarde kan zijn. Dit staat in contrast
met een dipoolantenne, die bestaat uit twee identieke staafgeleiders, waarbij
de stroom van de zender tussen de twee helften van de antenne wordt aangelegd. De monopoolantenne is wiskundig verwant aan de dipool.
 
De verticale monopool is een omnidirectionele antenne met een lage
versterking van 2-5 dBi en straalt het grootste deel van zijn vermogen uit in horizontale richtingen of onder lage elevatiehoeken. Veelvoorkomende typen monopoolantennes zijn de zweepantenne, de rubberen eendantenne, de parapluantenne, de omgekeerde L- en T-antenne, de omgekeerde F-antenne, de gevouwen unipoolantenne, de maststraler en de grondvlakantenne.
 
De monopoolantenne wordt meestal gebruikt als resonantieantenne; de ​​staaf fungeert als een open resonator voor radiogolven en oscilleert met staande spannings- en stroomgolven over de gehele lengte. De lengte van de antenne wordt daarom bepaald door de golflengte van de radiogolven waarmee deze wordt gebruikt. De meest voorkomende vorm is de kwartgolfmonopool,
waarbij de antenne ongeveer een kwart van de golflengte van de radiogolven lang is.
 
Monopolen korter dan een kwart golflengte, elektrisch korte monopolen genoemd, worden ook veel gebruikt omdat ze compacter zijn. Monopolen met een lengte van vijfachtste (5/8 = 0,625) van een golflengte komen ook veel voor, omdat een monopool bij deze lengte een maximale hoeveelheid vermogen in horizontale richting uitstraalt. Een capacitief belaste of topbelaste monopool is een monopoolantenne met horizontale geleiders, zoals draden of van aarde geïsoleerde afschermingen, die aan de bovenkant van het monopoolelement zijn bevestigd om het uitgestraalde vermogen te vergroten. Grote, bovenaan belaste monopoolantennes, de T-antenne, de omgekeerde L-antenne en de parapluantenne worden gebruikt als zendantennes op langere golflengten, in de LF- en VLF-banden.
 
De monopoolantenne werd in 1895 uitgevonden door radiopionier Guglielmo Marconi; daarom wordt ze ook wel de Marconi-antenne genoemd, hoewel Alexander Popov haar onafhankelijk van elkaar ongeveer in dezelfde periode uitvond.
 
Soorten en toepassingen
 
Vanwege hun omnidirectionele stralingspatroon worden verticale monopoolantennes vaak gebruikt in aardse radiocommunicatiesystemen waarbij
 de richting naar de zender of ontvanger onbekend is of constant verandert, zoals radio-uitzendingen, mobiele portofoons, bakens en draadloze apparaten zoals mobiele telefoons en wifi-netwerken, omdat ze een gelijk radiovermogen in alle horizontale richtingen uitstralen, maar weinig vermogen de lucht in, waar het verloren zou gaan. De kwartgolfmonopool is de kleinste resonante antenne, waardoor het een efficiënte straler is;
het wordt beschouwd als de meest gebruikte antenne ter wereld.
 
Maststraler van AM-radiostation, Guam
 
Amateurradio-kooi-T-antenne in Riverhead,
op een frequentie van 1,5 MHz, 1922.  
 
Amateur omgekeerde L-antenne voor kortegolfontvangst
 
Grote monopolen zijn de belangrijkste zendantennes die worden gebruikt in de lagere frequenties onder de 3 MHz, de MF-, LF- en VLF-banden, omdat de radiovoortplantingsmodus die in deze banden wordt gebruikt, grondgolven, een verticaal gepolariseerde antenne met goede horizontale stralingseigenschappen vereist. Bij deze frequenties wordt de aarde zelf gebruikt als aardvlak van de antenne. De meest voorkomende antenne is
de maststraler, een verticale mast die op de grond is gemonteerd maar er elektrisch van is geïsoleerd. Deze masten zijn ongeveer een zesde tot vijfachtste golflengte hoog.  
 
 
VLF-flattopantenne bij radiostation Grimeton, Zweden 
 
Trideco paraplu-antenne, VLF-militaire radiostation Anthorn, UK
Eén kant van de voedingslijn van de zender is verbonden met de geleidende metalen mast die als stralingselement dient, en de andere kant met
een aardverbinding die bestaat uit een radiaal netwerk van ingegraven draden die vanuit een aansluiting aan de voet van de antenne naar buiten lopen. Dit ontwerp wordt gebruikt voor AM-radio-uitzendantennes in de MF- en LF-banden. Een andere variant is de gevouwen unipoolantenne.
Bij lagere frequenties in de LF- en VLF-band zijn de hoogste antennemasten die praktisch gebouwd kunnen worden elektrisch kort, aanzienlijk
korter dan een kwart golflengte. Eenvoudige monopolen van deze lengte zijn inefficiënt vanwege hun zeer lage stralingsweerstand. Om de
efficiëntie en het uitgestraalde vermogen te verhogen, worden daarom capacitief topbelaste monopolen gebruikt, zoals de omgekeerde
L-antenne, de T-antenne en de paraplu-antenne. 
 
Monopoolantennes met hogere frequentie
 
Bij hogere frequenties in de VHF- en UHF-banden is de benodigde grootte van het grondvlak kleiner, waardoor kunstmatige metalen grondvlakken van gaas of staven worden gebruikt om de antenne boven de grond te kunnen monteren. Een veelvoorkomend type voor montage op masten of stationaire constructies is de grondvlakantenne, bestaande uit een kwartgolfslingerantenne met een grondvlak van 3 of 4 draden of staven van een kwartgolflengte lang die horizontaal of diagonaal vanuit de basis uitstralen en verbonden zijn met de grondzijde van de voedingslijn. Een andere variant is de discone-antenne, die opvalt door zijn zeer brede bandbreedte. Bij frequenties boven de 30 MHz vormt een carrosserie van een
auto of vliegtuig een geschikt grondvlak, waardoor slingerantennes voor portofoons en mobiele telefoons op autobumpers of daken worden gemonteerd, en communicatieantennes voor vliegtuigen vaak bestaan ​​uit een korte geleider in een aerodynamische stroomlijnkap die uit de
romp steekt; dit wordt een bladantenne genoemd.
 
VHF - UHF Portofoon  
 
FM radio 
 
GSM auto antenne 
 
Glasfiber antenne 
 
Conische antenne 
 
Bij hogere frequenties in de VHF- en UHF-banden is de benodigde grootte van het grondvlak kleiner, waardoor kunstmatige metalen grondvlakken van gaas of staven worden gebruikt om de antenne boven de grond te kunnen monteren. Een veelvoorkomend type voor montage op masten
of stationaire constructies is de grondvlakantenne, bestaande uit een kwartgolfslingerantenne met een grondvlak van 3 of 4 draden of staven van
een kwartgolflengte lang die horizontaal of diagonaal vanuit de basis uitstralen en verbonden zijn met de grondzijde van de voedingslijn. Een andere variant is de discone-antenne, die opvalt door zijn zeer brede bandbreedte. Bij frequenties boven de 30 MHz vormt een carrosserie van een auto
of vliegtuig een geschikt grondvlak, waardoor slingerantennes voor portofoons en mobiele telefoons op autobumpers of daken worden
gemonteerd, en communicatieantennes voor vliegtuigen vaak bestaan ​​uit een korte geleider in een aerodynamische stroomlijnkap die uit de romp steekt; dit wordt een bladantenne genoemd. 
 
Ground plane antenne 
 
WiFi Router 
 
De kwartgolf-zweepantennes en rubberen eendantennes die gebruikt worden bij draagbare radio's zoals walkie-talkies en draagbare FM-radio's in de VHF- en UHF-banden zijn ook monopoolantennes. Bij deze draagbare apparaten heeft de antenne geen effectief aardingsvlak; de aardingszijde van de zender of ontvanger is gewoon verbonden met de chassis-aarding op de printplaat. Omdat deze "aardings"geleiders
niet groter zijn dan het element zelf, functioneert de antenne meestal meer als een asymmetrische dipool dan als een monopoolantenne 
 
Een veelgebruikt type monopoolantenne in draadloze apparaten en mobiele telefoons die op microgolffrequenties werken, is de omgekeerde F-antenne (IFA). Het monopoolelement is in een L-vorm gebogen, parallel aan het aardingsgebied op de printplaat, zodat het compact genoeg is om in de behuizing van het apparaat
te passen; de antenne kan van koperfolie op de printplaat zelf worden gemaakt.  
 
Om de impedantieaanpassing met het voedingscircuit te verbeteren, wordt de antenne parallel gevoed, de voedingslijn is verbonden met een tussenliggend punt langs het element en de basis van het element is geaard. Veel varianten van deze antenne worden gebruikt in draagbare apparaten, zoals multibandversies en meanderantennes.  
 
De ontwikkeling van Marconi's monopoolantenne vanuit Hertz' dipoolantenne. 
 
De monopoolantenne werd in 1895 uitgevonden en in 1896 gepatenteerd door radioondernemer Guglielmo Marconi tijdens zijn eerste
experimenten met radiocommunicatie. Hij begon met het gebruik van dipoolantennes, uitgevonden door Heinrich Hertz, bestaande uit twee
identieke horizontale draden die eindigden in metalen platen, en door zijn mentor Augusto Righi, bestaande uit vier metalen vonkbollen, maar hij
kon niet verder zenden dan ongeveer een halve mijl. Hij ontdekte door experimenten dat als in plaats van de dipool de ene kant van de zender-
en ontvangeraansluitingen verbonden was met een draad die aan een boven de grond hangende metalen plaat was bevestigd, en de andere
kant met een in de aarde begraven geleider, hij over langere afstanden kon zenden. Hij concludeerde dat de plaat overbodig was en dat een hangende draad voldoende was. De monopool wordt ook wel een Marconi-antenne genoemd, hoewel Alexander Popov deze onafhankelijk
van elkaar ongeveer gelijktijdig uitvond voor zijn bliksemdetectieontvanger. 
 

Afneeldimg-1 
 

Afbeelding-2 
 

Afbeelding-3 
 
4:  Marconi's eerste monopoolzender
5:  Een van Marconi's vroege monopoolantennes bij zijn zendstation in Poldhu, Cornwall, 1900, bestaande uit een kleine metalen plaat die aan
     een houten arm hangt, met een lange draad die naar de zender in het gebouw loopt.
6:  Vroege verticale antennes. (A) Marconi ontdekte dat het ophangen van de metalen plaat, het "capaciteitsgebied", hoog boven de grond het
     bereik vergrootte. (B) Hij ontdekte dat een eenvoudige, verhoogde draad net zo goed werkte. (C-F) Onderzoekers ontdekten dat meerdere
     parallelle draden een betere manier waren om de capaciteit te vergroten. "Kooiantennes" (E-F) verdeelden de stroom gelijkmatiger over
   de draden, waardoor de weerstand afnam.
 
Vóór Marconi experimenteerden verschillende uitvinders met draadloze communicatie tussen verticale antennes, hoewel ze geen praktisch
systeem ontwikkelden. In oktober 1866 demonstreerde Mahlon Loomis communicatie tussen twee geaarde draadantennes van 183 meter, ondersteund door vliegers op bergtoppen die 22 kilometer van elkaar verwijderd waren. Wanneer een van de antennedraden een geaard contact raakte, genereerden de atmosferische elektrische stromen erin blijkbaar radiogolven die stromen in de andere draad induceerden, die werden gedetecteerd door een gevoelige galvanometer. Vanaf 1882 gebruikte Amos Dolbear ook geaarde verticale draadantennes tijdens zijn
ontwikkeling van een aardingstelefoon, maar zijn systeem lijkt te hebben gewerkt door elektrostatische inductie in plaats van radiogolven,
en in 1895 had hij slechts afstanden van 1/4 mijl bereikt. Een rechtszaak waarin Marconi werd beschuldigd van inbreuk op Dolbears draadloze patenten uit 1882 en 1886 werd in 1901 afgewezen. In 1885 patenteerde Thomas Edison een systeem voor havencommunicatie tussen verticale torens aan wal en verticale draden die aan de mast van een schip hingen, maar dit werkte ook door middel van elektrostatische inductie en werd nooit uitgeprobeerd. 
 
Afbeelding-7
 
Afbeelding-8
 
In de primitieve vonkzenders die in Marconi's tijd werden gebruikt, diende de antenne, naast het uitstralen van de radiogolven, ook als resonator die de oscillerende stromen genereerde die de frequentie
en dus de golflengte van de golven bepalen. Marconi's nieuwe antenne functioneerde als een kwartgolfmonopool die uitstraalde
met een golflengte van ongeveer vier keer zijn hoogte.
Deze langere antenne vergrootte de golflengte aanzienlijk,
 waardoor de frequentie van Marconi's zender daalde van de VHF-
en UHF-banden die werden gegenereerd door Hertz' antennes, die niet verder dan de horizon konden zenden, naar de MF-band.
 
7: De zendantenne van Marconi in Poldhu, Verenigd Koninkrijk,
    waarmee hij in 1901 het eerste transatlantische radiocontact
    tot stand bracht; een 160 voet hoge, waaiervormige
    monopoolantenne met 50 draden.
 
8: De transatlantische zender van Fessenden uit 1906 in
    Brant Rock, Massachusetts, een vroege maststraler.
 
Deze langere antenne vergrootte de golflengte aanzienlijk, waardoor de frequentie van Marconi's zender daalde van de VHF- en UHF-banden die werden gegenereerd door Hertz' antennes, die niet verder dan de horizon konden zenden, naar de MF-band. Bovendien zond hij verticaal gepolariseerde radiogolven uit, in plaats van de horizontaal gepolariseerde golven die door de Hertz-antenne werden geproduceerd. Langere radiogolven hebben minder verzwakking met de afstand. Deze langere, verticaal gepolariseerde golven zouden zich kunnen voortplanten als grondgolven die de kromming van de aarde kunnen volgen, en zouden ook kunnen reflecteren op de ionosfeer (het zogenaamde 'skip'- of hemelgolfmechanisme), en zo voorbij de visuele horizon kunnen reizen. Dit verklaart het toegenomen bereik.
 
Marconi, die zichzelf in de natuurkunde had bijgeschoold, begreep dit destijds niet; hij ontdekte slechts een empirische relatie tussen
antennehoogte en transmissieafstand. Hij schreef de eerste berekening in 1897 toe aan professor Moisè Ascoli uit Rome, die aantoonde dat de antenne straalde met een golflengte van vier keer de hoogte. Een integraalvergelijking voor de stroom in draadantennes werd in 1897 afgeleid
door Henry Pocklington, die liet zien dat de stroom ongeveer een sinusvormige staande golf was. Rond 1898 gebruikte André Blondel de
beeldtheorie om aan te tonen dat de monopool hetzelfde stralingspatroon had als een verticale dipoolantenne met tweemaal de lengte.
Een nuttigere versie van de Pocklington-vergelijking, de Hallen-vergelijking, werd vanaf 1938 afgeleid door Erik Hallén.
Deze integraalvergelijkingen vormen het uitgangspunt in moderne analyses van monopolen en worden numeriek opgelost in moderne computerprogramma's voor antennesimulatie. 
 
Multidraads monopoolantennes die gebruikt werden tijdens het radiotelegrafietijdperk, 1900-1920. 
 
Tijdens het radiotelegrafietijdperk, de eerste twee decennia van de radio van 1900 tot de jaren twintig, maakten radiocommunicatiesystemen
gebruik van lange golflengten boven de 200 meter (frequenties onder de 1,5 MHz), in de MF-, LF- en VLF-banden. Monopolen waren de
belangrijkste antennes die werden gebruikt. Bij de langere golflengten die werden gebruikt voor communicatie over lange afstanden,
waren de hoogste antennemasten die praktisch konden worden gebouwd veel korter dan de resonantielengte, een kwart golflengte.
Monopolen van deze lengte zijn inefficiënt; vanwege hun lage stralingsweerstand van 5 tot 20 ohm ging een groot deel van het zendvermogen verloren in de aardingsweerstand. De belangrijkste techniek die bekend is om het uitgestraalde vermogen te verhogen, was het toevoegen van geleiders aan de bovenkant van de antenne, om de capaciteit naar aarde en daarmee de antennestroom te vergroten. Marconi en anderen ontwikkelden enorme, capacitief aan de bovenkant belaste monopoolantennes met meerdere draden die efficiënter waren op deze frequenties,
zoals de harpantenne, de omgekeerde kegelantenne, de omgekeerde L-antenne, de T-antenne en de parapluantenne. Dit waren de belangrijkste antennes in deze periode, en de laatste drie zijn nog steeds de belangrijkste zendantennes die op deze lage frequenties worden gebruikt.
Toen de radio-uitzendingen in de MF-band in het begin van de jaren twintig van de vorige eeuw begonnen, was de typische zendantenne
de T-antenne. Hiervoor waren twee masten, een groot stuk land en de stromingen in de masten verstoorden het stralingspatroon. 
 
Afbeelding-9 
 
Afbeelding-10 
 
Afbeelding-11 
 
Afbeelding-12 
 
9: Marconi zendantenne met omgekeerde kegelvorm, 64 meter (210 ft), Poldhu, Verenigd Koninkrijk, gebouwd in 1902.
10: Een omgekeerde L-antenne, ook wel "triatische" of "platte" antenne genoemd, is een monopoolantenne die gebruikt wordt
      in radiotelegrafiestations voor lange afstanden op frequenties onder de 50 kHz, uitgevonden door Marconi in 1904.
11: Paraplu-antenne van een radiotelegraafstation nabij Newcastle, Verenigd Koninkrijk, in 1910.
12: T-antenne van radiostation WBZ, 833 kHz, Springfield, MA, gebouwd in 1921.
 
Twee artikelen die in 1924 door Stuart Ballantine werden gepubliceerd, leidden tot de invoering van de enkelmast-monopoolstraler.
In één artikel werd de stralingsweerstand van een verticale monopoolantenne boven een perfect grondvlak afgeleid. Hij ontdekte dat de stralingsweerstand toenam tot een maximum bij een lengte van een halve golflengte, waardoor een mast van ongeveer die lengte een ingangsimpedantie had die veel hoger was dan de grondweerstand. Dit verminderde het deel van het zendvermogen dat verloren ging in het grondsysteem, waardoor de noodzaak voor capacitieve topbelastingen verdween. In een tweede artikel uit hetzelfde jaar toonde hij aan dat de hoeveelheid vermogen die horizontaal werd uitgestraald in grondgolven een maximum bereikte bij een masthoogte van 5/8 golflengte (.625λ \lambda )Door deze ontdekkingen leidden de nadelen van de T-antenne er in 1930 toe dat omroepen de halfgolfmaststralerantenne in de middenfrequentieband gingen gebruiken. Tegelijkertijd werden radiale draadgrondsystemen ontwikkeld om grondverliezen te verminderen. 
 
De opkomst van draagbare radio's in de jaren vijftig en zestig, zoals de transistorradio en de walkie-talkie, die mogelijk werden gemaakt door
de uitvinding van de transistor in 1947, stimuleerde de ontwikkeling van compacte monopoolantennes hiervoor, zoals de intrekbare
kwartgolfantenne en de rubberen eendantenne. 
 
Elementaire beschrijving van de werking
 
Een monopoolantenne, net als de dipoolantenne waarvan ze is afgeleid, is een resonantieantenne; ze zendt niet alleen radiogolven uit en
ontvangt ze, maar fungeert ook als een elektrische resonator. Wanneer de radiofrequente wisselstroom die op het voedingspunt wordt
aangelegd, zich in de buurt van een van haar resonantiefrequenties bevindt, wordt er, naast het uitstralen van vermogen als radiogolven, energie
in de antenne opgeslagen als oscillerende elektrische stromen, staande golven genaamd. Het voordeel hiervan is dat de opgeslagen energie
groter is dan de energie die per cyclus door de zender aan de antenne wordt toegevoerd (of in een ontvangstantenne de energie die uit de radiogolven wordt geabsorbeerd), waardoor het grootste deel van de stroom in de antenne te danken is aan deze opgeslagen energie.
Als gevolg hiervan is de antennestroom bij resonantie groter dan de stroom wanneer de antenne op andere frequenties wordt aangestuurd.
Het door een antenne uitgestraalde radiogolfvermogen is evenredig met het kwadraat van de antennestroom, dus een antenne die op een resonantiefrequentie wordt gevoed, straalt veel meer vermogen uit dan dezelfde antenne die met dezelfde spanning op een andere frequentie
wordt gevoed. Een antenne absorbeert alleen het volledige ingangsvermogen van de voedingslijn wanneer deze in resonantie verkeert.
 
De verticale geleider gedraagt ​​zich enigszins als een aftakking van een transmissielijn, die aan de bovenkant open is. De oscillatiemodi zijn
analoog aan de mechanische oscillaties van een elastische balk die aan één uiteinde is verankerd De stroom en spanning langs het element zijn sinusgolven. De stroom in het antenne-element kaatst heen en weer tussen de uiteinden, en de twee gelijke maar tegengestelde stroomgolven interfereren om een ​​staande golf te vormen. De staande golf heeft een stroomknoop aan de bovenkant en een knoop of een buik aan de
onderkant. Door deze randvoorwaarden is de monopool resonant (heeft een zuiver resistieve ingangsimpedantie) op een lengte van een kwart golflengte of veelvouden daarvan.
 
Bij de gebruikelijke kwartgolfmonopoolantenne fungeren het bovenste uiteinde van de verticale staaf en het grondvlak als condensatorplaten
met tegengestelde ladingen, die energie opslaan in een elektrisch veld, terwijl het midden van de staaf fungeert als een inductor die energie
opslaat in een magnetisch veld. De gehele antenne gedraagt ​​zich dus als een serie-resonante afgestemde schakeling. Als de bovenkant van de
staaf aan het begin van de cyclus negatief geladen is en het grondvlak positief geladen, begint de stroom vanuit het grondvlak omhoog door de
staaf te vloeien, waardoor een circulair magnetisch veld rond de staaf ontstaat. De negatieve lading aan de bovenkant en de positieve lading op
het grondvlak nemen af ​​totdat ze nul bereiken. De stroom blijft echter lopen, omdat de inductantie van de staaf veranderingen in de stroom tegenwerkt. De stroom begint de bovenkant van de staaf positief en het grondvlak negatief te laden. Volgens de wet van Faraday komt de
energie die nodig is om deze ladingsscheiding te creëren van het magnetische veld, dat afneemt. Uiteindelijk, wanneer het magnetische veld nul bereikt, stopt de stroom met omgekeerde ladingen: de bovenkant van de staaf is positief geladen en het grondvlak negatief. Vervolgens begint
de stroom in de tegenovergestelde richting te vloeien, langs de staaf naar beneden, waardoor een magnetisch veld ontstaat dat in de tegenovergestelde richting cirkelt, totdat de ladingen weer van polariteit veranderen, met de bovenkant van de staaf negatief en het aardvlak
positief. Deze oscillatie herhaalt zich voortdurend, waarbij de energie afwisselend wordt opgeslagen in het elektrische veld en het magnetische
veld tijdens elke halve cyclus van de aangelegde wisselstroom.
 
De meeste van deze gekoppelde, oscillerende elektrische en magnetische velden zijn nabijheidsvelden (ook wel reactieve of inductievelden
genoemd) die energie opslaan in de ruimte rond de antenne. Sommige velden verlaten echter de antenne en verspreiden zich als
elektromagnetische golven, oftewel radiogolven, die energie met zich meevoeren. Het uitgestraalde vermogen wordt geleverd door het
inkomende vermogen van de voedingslijn. Door dit vermogensverlies gedraagt ​​een antenne zich alsof er een weerstand, de stralingsweerstand, aanwezig is op het voedingspunt.
 
Als gevolg hiervan gedraagt ​​een monopool zich elektrisch als een afgestemd circuit met verliezen; over het algemeen heeft deze zowel
elektrische weerstand als reactantie op het voedingspunt. De ingangsweerstand bestaat uit twee componenten: de stralingsweerstand
(normaal gesproken het grootste deel) en de verliesweerstand als gevolg van ohmische verliezen in de antennegeleider en het aardvlak.
Bij resonantie is de ingangsimpedantie alleen deze zuivere weerstand; bij andere frequenties heeft deze naast de weerstand ook reactantie,
en dus een hogere impedantie.
 
Een zendantenne absorbeert al het vermogen dat op het voedingspunt wordt aangelegd alleen als de impedantie ervan is aangepast aan die van
de voedingslijn van de zender. Dit betekent dat de weerstand van de antenne en de lijn gelijk moeten zijn en de reactantie van de antenne en
de lijn tegengesteld. Als de impedantie niet is aangepast, wordt een deel van het zendvermogen van de voedingslijn teruggekaatst naar de zender, wat een hoge SWR veroorzaakt, met als gevolg een lager rendement en mogelijk oververhitting van de zender of de lijn, of vonkvorming.
Op dezelfde manier zal een ontvangstantenne alleen een maximale hoeveelheid radiovermogen naar de ontvanger overbrengen als de
impedantie ervan is aangepast aan die van de lijn.
 
Aardvlak
De meeste monopolen hebben een geleidend oppervlak onder de verticale staaf, een aardvlak, dat is verbonden met de aardzijde van de
voedingslijn. Het aardvlak is een integraal onderdeel van de antenne; het heeft twee functies. Ten eerste reflecteert het de naar beneden
gerichte radiogolven van de staaf, waardoor het vermogen dat boven de grond wordt uitgestraald, toeneemt. Ten tweede fungeert het als een condensatorplaat, die de verplaatsingsstroom (wisselend elektrisch veld) van de staaf ontvangt en deze terugvoert naar de aardzijde van de voedingslijn. Zonder het aardvlak zouden er geïnduceerde stromen ontstaan ​​aan de buitenkant van de afschermingsgeleider van de voedingslijn,
die als extra antenne zouden fungeren.
 
Aardvlak
De stroom in het aardvlak is radiaal en is afwisselend naar en van de aardingsaansluiting aan de voet van de antenne gericht. Daardoor hebben
de radiogolven die door de stromen aan weerszijden van het vlak worden uitgestraald, ver van de antenne een tegengestelde fase en heffen
ze elkaar grotendeels op. Het vlak zelf straalt dus niet uit; het fungeert als een spiegel voor de radiogolven van de staaf.
 
Het elektrische veld is verticaal waar het het grondvlak binnendringt, identiek aan het veld van een verticale dipoolantenne in het symmetrievlak.
Als het grondvlak groot genoeg is, gedraagt ​​de antenne zich, vanwege de golven die ervan weerkaatsen, alsof er een spiegelbeeldantenne is die identiek is aan de monopool onder het vlak. De antennestaaf en zijn spiegelbeeld gedragen zich samen als een dipoolantenne met tweemaal de lengte, zodat een monopool boven een oneindig, perfect geleidend vlak een stralingspatroon heeft dat identiek is aan de bovenste helft van het patroon van een verticale dipool met tweemaal de lengte. Voor de kwartgolfmonopool gedraagt ​​de antenne zich als een halvegolfdipool.
Omdat de antenne zijn vermogen slechts in de helft van de ruimte van een dipoolantenne uitstraalt, is de versterking tweemaal
(of in decibels, 3 dB groter dan) de versterking van een equivalente dipool.
 
De werkelijke versterking en het stralingspatroon zijn afhankelijk van de grootte en geleidbaarheid van het grondvlak. Om als spiegel te
functioneren, moet het vlak zich minstens een halve golflengte van het monopoolelement uitstrekken. Laagfrequente monopoolzendantennes gebruiken de aarde zelf als grondvlak. Ze vereisen een goede verbinding met de aarde met een lage weerstand voor een goede efficiëntie,
aangezien de grond een aanzienlijke weerstand heeft die in serie staat met de antenne en zendvermogen verbruikt. Deze antennes gebruiken
een radiaal aardingssysteem dat bestaat uit vele blanke koperdraden die ondiep in de aarde zijn begraven en die vanuit een aardingsaansluiting
aan de basis van de antenne uitstralen, bij voorkeur tot een afstand van een kwart tot een halve golflengte.
 
Vanwege de ongebalanceerde impedantie van het grondvlak worden monopoolantennes meestal gevoed door een ongebalanceerde transmissielijn, meestal een coaxkabel.
 
Stroomverdeling op de antenne
 
Het berekenen van de stroomverdeling langs een dunne lineaire antenne, die het stralingspatroon en de elektrische eigenschappen bepaalt,
vereist het oplossen van de Maxwell-vergelijkingen voor de gekoppelde stroom, elektrische en magnetische velden aan het oppervlak van het element, aangedreven door het elektrische veld van de sinusvormige voedingsspanning van de zender die op het voedingspunt van de antenne
wordt aangelegd (of in een ontvangstantenne door de inkomende velden van de radiogolf). De integraalvergelijking van Pocklington (Henry Pocklington, 1897 of de integraalvergelijking van Hallen (Erik Hallén, 1938 geven de stroom op dunne cilindrische antennes. Over het algemeen is
een nauwkeurige berekening van de elektrische eigenschappen van een antenne wiskundig moeilijk, en worden computerprogramma's voor antennesimulatie zoals NEC meestal gebruikt.
 
Als het grondvlak een goede geleider is met een straal groter dan de hoogte van het element (wat in dit gedeelte wordt aangenomen), benadert
het een perfect oneindig grondvlak. In dat geval kunnen de stroom en straling worden berekend door de monopool en het vlak te vervangen door een verticale dipoolantenne met een tweemaal zo grote hoogte. Voor kleinere vlakken moet voor nauwkeurige resultaten ook rekening worden gehouden met resonanties in het grondvlak en breking aan de randen, waardoor ook de stroomverdeling in het vlak moet worden berekend.
 
Resonantiefrequenties en -lengtes
Een monopoolantenne is resonant (heeft een zuiver resistieve ingangsimpedantie, geen reactantie) bij een reeks frequenties, die afhankelijk zijn
van de lengte ervan. h. Deze zijn belangrijk omdat het gemakkelijker is om de transmissielijn aan de antenne aan te passen bij resonantie.
Om ze nauwkeurig te bepalen, moeten computerprogramma's voor antennesimulatie worden gebruikt. Voor de meeste monopool- en dipoolantennes waarbij het element niet overdreven dik is, worden de resonantiefrequenties echter vaak bij benadering berekend door de geleider
te beschouwen als een open transmissielijn met één draad (resonante stub). Net als bij een resonante stub is het faseverschil tussen de staande golven van stroom en spanning bijna 90°. Dit betekent dat de staande spanningsgolf een buik (maximum) heeft bij elke stroomknoop (minimum)
en een knoop (minimum) bij elke stroombuik (maximum).
Serie-resonanties
De voorwaarde voor resonantie in een monopool, analoog aan een trillende snaar, is dat wanneer de sinusvormige stroomgolf een rondreis
maakt van het ene uiteinde van het monopoolelement naar het andere en terug, de gereflecteerde golf in fase met de oorspronkelijke golf op
zijn beginpunt moet aankomen, zodat de twee golven elkaar versterken.
Parallelle resonanties
De monopool kan ook resoneren bij een tweede reeks lengtes, waarbij het onderste uiteinde van het element een stroomknoop (minimum) is
in plaats van een stroombuik (maximum). Het element heeft dus een knoop van de stroomstaande golf aan zowel de boven- als onderkant,
wat equivalent is aan een verticale dipoolantenne met eindvoeding (daarom noemen sommige bronnen deze antenne geen monopool.
De resonantiefrequenties kunnen worden berekend met een afleiding die vergelijkbaar is met die in de vorige sectie, maar het is gemakkelijker
om op te merken dat een staande golf een knoop heeft met tussenpozen van een halve golflengte. Daarom is de antenne resonant bij lengtes waarbij deze een halve golflengte lang is of een veelvoud daarvan.
Deze worden soms parallelle resonanties of antiresonanties genoemd, omdat de antenne zich gedraagt ​​als een parallel resonant (antiresonant) afgestemd circuit. Wanneer de antenne aan de onderkant wordt gevoed, heeft deze door de stroomknoop en de spanningsbuik daar een zeer
hoge ingangsweerstand, die moeilijk te berekenen is.[106] Voor een hypothetisch oneindig dun element zou deze oneindig zijn, waardoor er
geen ingangsstroom zou zijn. Voor een typisch monopool-element met een eindige dikte ligt deze rond de 700 - 3000 ohm, afhankelijk van de
dikte. De reactantie verandert ook zeer snel met de frequentie rond het resonantiepunt, waardoor de antenne een smallere bandbreedte heeft
dan bij de serieresonanties.
Om de impedantie voldoende te verlagen voor aanpassing aan een transmissielijn, moet een impedantieaanpassingscircuit of een shuntvoeding worden gebruikt. Een voordeel is dat, omdat het als een dipoolantenne fungeert, de stroom in het aardingssysteem laag is, waardoor aardingsverliezen worden geminimaliseerd; voor dunne antennes is een aardingsvlak zelfs helemaal niet nodig.
In de praktijk worden monopolen voornamelijk gebruikt bij de twee laagste resonantiefrequenties; waarbij het element een kwart (λ/4) golflengte lang is.De kwartgolfmonopool, of een halve (λ/2) golflengte lang, de halfgolfmonopool, omdat hun stralingspatronen bestaan ​​uit een
enkele lob in horizontale richting, loodrecht op de antenne-as. Hogere harmonischen worden weinig gebruikt omdat ze complexere
stralingspatronen hebben die bestaan ​​uit meerdere lobben die onder een hoek de lucht in gericht zijn met nullen (richtingen van minimale straling) ertussen, wat resulteert in locaties zonder ontvangst.
 
Soorten voedingspunten.
 
Omdat bij een resonante antenne de energie die de zender per cyclus aan de antenne levert klein is in vergelijking met de energie die in de
staande golf op de antenne is opgeslagen, kan de voedingsstroom op verschillende punten van de antenne worden aangelegd zonder het stroompatroon van de staande golf veel te veranderen; het stralingspatroon blijft hetzelfde. Het voordeel hiervan is dat de ingangsimpedantie op verschillende punten van de antenne verschillende waarden heeft, waardoor het mogelijk is de antenne aan te passen aan de karakteristieke impedantie van de voedingslijn zonder aanpassingsnetwerk, door het juiste voedingspunt te kiezen.
 
Serie-voedingspunt.
Dit is het meest voorkomende type, het type dat hierboven is besproken, waarbij de voedingslijn is aangesloten tussen de basis van de monopool
en het aardvlak. Voor de kwartgolfmonopool en oneven harmonischen is de ingangsimpedantie minimaal, namelijk 36,8 ohm. Voor de halfgolfmonopool is de impedantie zeer hoog, waardoor een aanpassingstransformator nodig is.
 
Shuntvoeding
Eén kant van de voedingslijn is verbonden met aarde en de andere kant met een punt langs het antenne-element, en de basis van het element is geaard. Het deel van het element tussen het voedingspunt en aarde fungeert als een kortgesloten stub. Omdat de impedantie nul is aan de basis
en continu toeneemt tot een zeer hoge waarde, 800 - 4000 ohm op een hoogte vande kwart golf, kan elke ingangsimpedantie tussen deze
waarden worden gerealiseerd door de juiste voedingshoogte op het element te kiezen.
 
Gamma-aanpassing
Een parallelle voeding met een condensator in de voedingslijn die is aangesloten op het element.
 
Gevouwen monopool
Een monopool kan ook aan de bovenkant worden gevoed door de basis van het element te aarden, er een parallelle geleider naast te monteren, deze aan de bovenkant te bevestigen en de voeding aan de onderkant aan te sluiten. Door hun nabijheid zijn de twee elementen gekoppeld, waardoor de stroom en spanning in beide gelijk zijn. De gevouwen monopool heeft een stralingsweerstand die vier keer zo groot is als die van
een monopool die aan de basis wordt gevoed.
 
Elektrisch korte monopolen
 
Een monopool die korter is dan de fundamentele resonantielengte van een kwart golflengte bij de werkfrequentie wordt elektrisch kort genoemd. Elektrisch korte monopolen worden veel gebruikt omdat ze compacter zijn en omdat constructiebeperkingen het bij lange golflengten onpraktisch maken om een ​​antennemast van een kwart golflengte hoog te bouwen. Zelfs een zeer korte staaf van een klein deel van een golflengte lang kan impedantie-aangepast worden aan een zender, zodat deze al het vermogen van de voedingslijn absorbeert. Naarmate de lengte echter afneemt, wordt de antenne uiteindelijk inefficiënt vanwege de lage stralingsweerstand.
 
Beneden een kwart golflengte neemt de stralingsweerstand van een monopool ongeveer af met het kwadraat van de verhouding tussen lengte
en golflengte.
 
De stralingsweerstand is slechts een deel van de voedingsweerstand bij de antenne-aansluitingen. Een monopoolantenne en het bijbehorende voedingssysteem hebben andere vermogensverliezen die zich manifesteren als extra weerstand in serie met de stralingsweerstand bij de zenderaansluitingen; ohmse weerstand van de metalen antenne-elementen, diëlektrische verliezen in isolatiematerialen, verliezen in de
voedingslijn, verliezen in de laadspoel die nodig is voor impedantieaanpassing, en met name resistieve verliezen in het aardingssysteem,
vaak de grootste verliesfactor bij laagfrequente monopoolantennes.
 
Naarmate de monopool korter wordt, neemt de stralingsweerstand af en wordt een groter deel van het zendvermogen gedissipeerd in de verliesweerstand. Basisgevoede mastantennes korter dan ongeveer 0,16 golflengte worden niet gebruikt, mdat de stralingsweerstand op die
lengte ongeveer 10 ohm bedraagt, 5 keer de typische weerstand van een ingegraven radiaal aardingssysteem, 2 ohm. Bij een aardingsantenne
zou dus meer dan 20% van het zendvermogen verloren gaan in de aardingsweerstand. In de VLF-band zijn de enorme, bovenaan belaste draadmonopolen die door megawatt-militaire zenders worden gebruikt vaak minder dan 0,01 golflengte hoog en hebben ze een
stralingsweerstand van minder dan 0,1 ohm. Zelfs met extreem lage weerstandsaardingssystemen zijn ze vaak slechts 15% tot 30% efficiënt.
 
Een ander nadeel van elektrisch korte monopoolantennes is dat naarmate de antenne korter wordt en de stralingsweerstand afneemt,
de capaciteit afneemt en dus de capacitieve reactantie toeneemt. De lage weerstand in combinatie met de capaciteit van de antenne en de
inductantie van de benodigde spoel geeft de antenne een hoge Q-factor; dit betekent dat de bandbreedte smal is, wat de datasnelheid die kan worden verzonden of ontvangen verlaagt. Antennes in de VLF-band hebben vaak een bandbreedte van slechts 50 tot 100 hertz.
De Chu-Harrington-limiet geeft de minimale Q-factor voor een kleine antenne.
 
Capacitief bovenaan belaste monopolen
 
Capacitieve "top hat" op de mast van een
AM-radiotoren in Hamersley, Australië
 
Om het uitgestraalde vermogen van een elektrisch korte monopool te vergroten, kan er capaciteit naar aarde aan de bovenkant worden toegevoegd door horizontale metalen geleiders, geïsoleerd van aarde, aan de bovenkant van het element te bevestigen. Dit wordt een top-loaded monopool genoemd. Dit resulteert in een verhoogde stroom in het verticale monopool-element, waardoor de capaciteit elke cyclus wordt opgeladen en ontladen. Omdat het door een monopool uitgestraalde vermogen evenredig is met het kwadraat van de stroom in het stralende element, verhoogt dit het uitgestraalde vermogen en dus de stralingsweerstand. Het ingegraven radiale draadaardingssysteem onder de antenne dient als de bodemplaat van de 'condensator'.
 
Mastantennes hebben soms een cirkelvormige structuur van radiale staven aan de
bovenkant van de mast; dit wordt een 'top hat' genoemd. Bij lagere frequenties in de
LF- en VLF-banden worden grotere topbelastingen gebruikt. De T-antenne bestaat uit een verticale draad die aan de onderkant wordt aangestuurd en omhoog loopt om aan te
sluiten op het midden van een horizontale topbelastingsdraad die aan beide uiteinden is geïsoleerd en wordt ondersteund door masten. Meerdere parallelle topbelastingsdraden kunnen worden gebruikt om de capaciteit te vergroten. De grootste topbelastingsantenne
is de parapluantenne, die bestaat uit een monopoolmastantenne met veel diagonale topbelastingsdraden die symmetrisch vanaf de bovenkant uitstralen en via isolatoren aan
de grond zijn verankerd. Om de hoge capacitieve reactantie te compenseren en de
antenne resonant te maken, is een grote belastingsspoel nodig in serie met de
voedingslijn aan de voet van de antenne.
 
Bij lage frequenties heeft de top-loaded monopoolantenne, vanwege de hoge capaciteit en lage stralingsweerstand, een zeer smalle bandbreedte.
Dit kan de breedte van de zijbanden beperken en daarmee de datasnelheid die kan worden verzonden. Hoogvermogen zendantennes in de
VLF-band hebben doorgaans een Q-factor van enkele honderden en bandbreedtes van minder dan 100 Hz. De energie die in de antenne is opgeslagen, afwisselend als een elektrostatisch veld in de top-load en een magnetisch veld in de laadspoel, is honderden keren groter dan de
energie die per cyclus door de zender wordt aangevoerd. De spanning aan de uiteinden van de top-load draden is zeer hoog, Q-factor maal
de voedingsspanning, en kan honderden kilovolt bedragen, waardoor een zeer goede isolatie noodzakelijk is. De antenne moet met behulp
van een variometerspoel op resonantie met de zender worden afgestemd.
 
Bronnen: Wikipedia-en,