Dipólová anténa: Co to je? (A typy antén)

Co je to dipólová anténa?

Dipólová anténa (známá také jako doublet nebo dipólová anténa) je definována jako typ vysokofrekvenční (RF) antény, která se skládá ze dvou vodivých prvků, jako jsou tyče nebo dráty. Dipól je některá z odrůd antén, které vytvářejí vyzařovací diagram blížící se vyzařovacímu diagramu elementárního elektrického dipólu. Dipólové antény jsou nejjednodušším a nejpoužívanějším typem antén.

„Dipól“ znamená „dva póly“, proto se dipólová anténa skládá ze dvou stejných vodivých prvků, jako jsou tyče nebo kovové dráty. Délka kovových drátů je přibližně polovina maximální vlnové délky (tj. ) ve volném prostoru při pracovní frekvenci.

Tento drát nebo tyč je uprostřed rozdělen a obě části jsou odděleny izolátorem, tyto části se nazývají anténní úsek.

Tyto dva anténní úseky jsou připojeny k napáječi nebo koaxiálnímu kabelu na konci nejbližším ke středu antény. Všimněte si, že vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími maximálními nebo minimálními body. Základní dipólová anténa se středovým napájecím bodem je znázorněna na obrázku níže.

Rádiofrekvenční (RF) zdroj napětí je přiveden do středu mezi obě části dipólové antény. Toto napětí a proud protékající oběma vodivými prvky vytvářejí rádiový signál nebo elektromagnetickou vlnu, která se vyzařuje ven z antény.

Proud je maximální a napětí minimální ve středu dipólové antény. Naopak na koncích dipólové antény je proud minimální a napětí maximální.

Vyzařovací diagram základní dipólové antény je znázorněn na následujícím obrázku. Je kolmý k ose antény.

Všimněte si, že vyzařovací diagram je grafické znázornění vyzařovacích vlastností antén v závislosti na prostoru, tj, vyzařovací diagram antény popisuje, jak anténa vyzařuje energii do prostoru.

Dipólová anténa je jedním z typů převodníků, který převádí elektrické signály na VF elektromagnetické vlny a vyzařuje je na vysílací straně a převádí VF elektromagnetické vlny na elektrické signály na přijímací straně.

Návrh dipólové antény

Můžeme navrhnout mnoho dipólových antén, které budou pracovat v pásmech HF (vysoké frekvence), VHF (velmi vysoké frekvence) a UHF (ultravysoké frekvence) rádiového spektra.

Navrhneme dipólovou anténu o frekvenci 1 MHZ.

Volba délky dipólové antény

Jak víme, vlnová délka rádiové nebo jakékoli jiné vlny se mění nepřímo úměrně frekvenci. je dána vztahem:

(1)

Kde, C = rychlost světla =

f = frekvence, v hertzích

= vlnová délka, v metrech

Tedy,

(2)

Nyní, při poloviční vlnové délce, je délka antény dána vztahem,

(3)

Takže z rovnice (3) můžeme říci, že pokud bychom použili rádiový vysílač o frekvenci 1 MHz, pak základní délka anténního vodiče bude 150 metrů nebo 492 stop nebo 5905 palců.

To je správně, pokud zanedbáme „koncový efekt“. Tento „koncový efekt“ je dielektrický efekt vzduchu na konci antény, který zvyšuje efektivní délku antény. V důsledku koncového efektu se anténní vodič chová jako o 5 % delší, než je jeho skutečná délka. To způsobí interferenci mezi budicími a oscilačními proudy a v důsledku toho může dojít k oslabení amplitudy oscilací.

Pro vyvážení „koncového efektu“ a správnou funkci antény je tedy nutné anténní vodič zkrátit přibližně na 5 % a jeho fyzická délka se tak stane přibližně 95 % poloviny vlnové délky.

Pro získání praktické délky anténního vodiče se tedy hodnota vynásobí koeficientem K k základní délce anténního vodiče, tj,

(4)

Hodnota K závisí na tloušťce vodiče a na pracovní frekvenci. Tato hodnota K je přesná pro anténní vodiče s kmitočtem do 30 MHz.

Volba napájecí impedance nebo vyzařovacího odporu

Napájecí impedance dipólu je definována poměrem napětí a proudu v napájecím bodě. Obvykle se napájí v bodě minima napětí a maxima proudu.

Pro zajištění maximálního přenosu energie z napáječe nebo zdroje/zátěže by měla být napájecí impedance dipólové antény stejná jako impedance zdroje nebo zátěže. Sladěním impedance přívodu s impedancí zdroje nebo zátěže může anténa pracovat s maximální účinností.

Vyzařovací odpor neboli vstupní impedanci přívodu ideální dipólové antény ve volném prostoru lze přibližně modelovat impedancí 73 Ω a v praktických podmínkách se pohybuje od 60 Ω do 70 Ω. Impedanci antény lze měnit změnou délky nebo tvaru vodičů.

Mnoho typů koaxiálních kabelů má charakteristickou impedanci 75 Ω, proto lze dipólovou anténu napájet koaxiálním kabelem o dvou vodičích 75 Ω, který dobře odpovídá půlvlnné dipólové anténě.

Také lze půlvlnný dipól napájet přenosovým vedením o impedancích 300 Ω a 600 Ω otevřeným vedením se skládanými dipóly podle možností zpracování výkonu.

Použijte vyvážený napáječ nebo balun

Dipólová anténa je vyvážená anténa. Proto je nutné použít vyvážený napáječ. Vyvážený napáječ se skládá ze dvou paralelních vodičů. Proudy tekoucí v obou vodičích mají stejnou velikost, ale opačný směr. Proto se vyzařovací pole z nich vyruší a nerozptyluje se žádný výkon. Vzdálenost mezi vodiči se obvykle udržuje přibližně 0,01 vlnové délky. Pokud je třeba použít koaxiální napáječ, musí se použít vyvážený balun.

Koaxiální kabel

Nejběžnějším napáječem, který se používá k napájení antény, je koaxiální kabel nebo koaxiální kabel. Často se označuje jako RF kabel.

Koaxiální kabel přenáší proud v obou vodičích. Tyto proudy mají stejnou velikost, ale opačný směr. Díky tomu jsou všechna vyzařovací pole spojena uvnitř kabelu, a proto se navzájem ruší.

Vně kabelu tedy není žádné vyzařovací pole, a proto není ovlivňován žádnými blízkými objekty. Proto je nejvhodnější jako napáječ k dipólové anténě.

Tenzní izolátor

Tenzní izolátor je elektrický izolátor, který je určen k tomu, aby vydržel tah zavěšeného elektrického kabelu nebo vodiče.

Vkládá se mezi dvě délky vodivého vodiče, aby je od sebe elektricky izoloval. Používá se v nadzemním elektrickém vedení, k podpoře rádiových antén a nadzemního elektrického vedení.

Celkové provedení dipólové antény 1 MHz je znázorněno na následujícím obrázku.

Typy dipólových antén

Nejběžnější typy dipólových antén jsou půlvlnné dipólové antény. Existuje mnoho typů dipólových antén, které lze navrhnout. Vysvětlíme si podrobně hlavní typy dipólových antén.

Skládaná dipólová anténa

Skládaná dipólová anténa je soustava dvoupólových antén. Pokud jsou dvě dipólové antény spojeny paralelně a tvoří tenkou drátěnou smyčku, pak se nazývá skládaná dipólová anténa.

Jak název napovídá, že tvar dipólové antény je složen zpět na sebe. U skládané dipólové antény jsou dva půlvlnné dipóly – jeden spojitý a druhý uprostřed rozdělený – složeny a na koncích spojeny paralelně. Rozdělený dipól je ve středu napájen vyváženým přenosovým vedením. Proto mají oba dipóly na svých koncích stejná napětí a vznikají dva stejné proudy.

Vyzařovací diagram složeného dipólu je stejný jako u běžného dipólu, ale vstupní impedance složeného dipólu je vyšší a směrovost složeného dipólu je obousměrná.

Dvoudrátová skládaná dipólová anténa

Jsou-li dvě dipólové antény spojeny paralelně a tvoří tenkou drátěnou smyčku, pak se jedná o tzv. dvoudrátovou skládanou dipólovou anténu.

Je-li poloměr obou vodičů stejný, pak v obou vodičích tečou stejné proudy ve stejném směru, tj, proudy jsou stejné velikosti i fáze. Je-li celkový proud přiváděný na svorku „I“, pak každým dipólem bude protékat proud „I/2“. Při stejném přivedeném výkonu tedy teče v prvním dipólu pouze polovina proudu, a proto se vstupní impedance zvětší a bude čtyřnásobná. Skládaná dipólová anténa je znázorněna na následujícím obrázku.

Obecný vzorec pro výpočet impedance pro skládaný dipól je dán,

Kde, n = č.p. drátů antény

Pro dvouvodičový skládaný dipól se stejným poloměrem je tedy vstupní impedance neboli vyzařovací odpor dán vztahem

Dvouvodičový skládaný dipól lze tedy napájet běžným přenosovým vedením s otevřeným vodičem 300 Ω bez jakéhokoliv přizpůsobovacího zařízení.

Třívodičová skládaná dipólová anténa (skládaný trojpól)

Jsou-li tři dipólové antény spojeny paralelně a tvoří tenkou drátěnou smyčku, pak se nazývá třívodičová skládaná dipólová anténa nebo skládaná trojpólová anténa.

Použijeme-li třívodičové skládané dipólové antény se stejnými poloměry, pak ve všech třech vodičích teče stejný proud. Je-li celkový proud přiváděný na svorku „I“, pak každým dipólem bude protékat proud „I/3“.

Při stejném přiváděném výkonu tedy teče v prvním dipólu pouze třetina celkového vyzařovacího proudu, a proto se vstupní impedance zvýší a stane se devítinásobnou. Skládaná dipólová anténa je znázorněna na následujícím obrázku.

Pro třívodičový složený dipól se stejným poloměrem je tedy vstupní impedance nebo vyzařovací odpor dán vztahem

Třívodičový složený dipól nebo složený trojpól lze tedy napájet běžným dvouvodičovým otevřeným přenosovým vedením 600 Ω bez jakéhokoliv přizpůsobovacího zařízení.

Skládaná dipólová anténa nebo trojpólová anténa má tedy důležité impedanční transformační vlastnosti. Díky tomu ji lze snadno přizpůsobit přenosovému vedení, které anténu napájí. Je také možné měnit vstupní impedanci tím, že poloměry obou dipólů zůstanou nestejné. Za této podmínky protéká silnějším dipólem větší proud, a proto můžeme zachovat libovolnou vstupní impedanci.

Výhody skládané dipólové antény

Mezi výhody skládané dipólové antény patří:

1. Má vysokou vstupní impedanci; proto ji lze snadno přizpůsobit přenosovému vedení.
2. Má širokopásmovou frekvenci, tj, širokou šířku pásma, proto je vhodná pro FM a TV vysílání.
3. V porovnání s jednoduchou dipólovou anténou má vysoký zisk a vysokou směrovost, proto ji lze použít v anténě Yagi-Uda.

FM dipólová anténa

FM dipólová anténa je definována jako vertikálně polarizovaná půlvlnná polodipólová anténa. FM dipólová anténa se většinou používá, protože je nenáročná na konstrukci a je vhodná pro zajištění lepšího příjmu VKV FM vysílání. FM dipólová anténa je znázorněna na následujícím obrázku.

Vyzařovací diagram FM dipólové antény je kolmý k ose antény, tj. je horizontální, protože FM dipólová anténa je vertikálně polarizovaná půlvlnná dipólová anténa. Vyzařovací diagram FM dipólové antény je znázorněn na následujícím obrázku.

Dipólová anténa FM se obecně používá pro vysílání v pásmu FM v rozsahu frekvencí 88 MHz až 108 MHZ.

Vějířová dipólová anténa

Vějířový dipól neboli vícepásmová drátová anténa je taková, u které je více dipólů spojeno společným napájecím vedením a jsou rozloženy jako vějíř, proto se nazývá vějířová dipólová anténa.

Jak již název napovídá, tvar vějířové dipólové antény vypadá jako vějíř. Je také známá jako paralelní dipólová anténa.

U vějířové dipólové antény je každý dipól vícepásmové antény vyříznut ze středu pásem a připojen ke společnému napájecímu vedení. Dipól by měl být vyříznut z místa, odkud chceme, aby vyzařoval. Při vysílání signálu přijímáme pouze signál z toho pásma, které vyzařuje, protože ostatní dipóly mají ve srovnání s tímto vyzařujícím prvkem vyšší impedanci.

Vějířová dipólová anténa je znázorněna na výše uvedeném obrázku. Jedná se o 4pásmovou vějířovou dipólovou anténu. Zde jsme použili vícepásmové dipóly 80 m, 40 m, 20 m a 10 m, které jsou zapojeny paralelně se společným přívodním vedením.

Když vyzařuje 80 m dipól, znamená to, že proud prochází 80 m dipólem, v tomto stavu přijímáme signál pouze z 80 m pásma, protože má nižší impedanci, zatímco ostatní 40 m, 20 m a 10 m pásma mají vyšší impedanci ve srovnání s 80 m vyzařujícím prvkem.

Podobně při vyzařování 40 m dipólu přijímáme signál pouze z 40 m pásem, protože má nižší impedanci ve srovnání s ostatními dipóly. Všimněte si, že podle Kirchhoffova proudového zákona ostatní dipóly také vyzařují, ale neúčinně.

Půlvlnná dipólová anténa

Půlvlnná dipólová anténa je nejpoužívanějším typem dipólové antény. Jak již název napovídá, celková délka dipólové antény se rovná poloviční vlnové délce () na pracovním kmitočtu.

Je známá jako půlvlnný dipól nebo jednoduše dipól či dublet. Je také známá jako Hertzova anténa.

Půlvlnná dipólová anténa se skládá z vodiče o dvou čtvrtinách vlnové délky s napájecím bodem ve středu. Je to symetrická anténa, u níž jsou oba konce na stejném potenciálu jako středový bod.

Rozložení proudu v půlvlnné dipólové anténě je přibližně sinusové po celé délce dipólu, tj. má charakter stojaté vlny. Základní půlvlnná dipólová anténa a rozložení napětí a proudu na ní jsou znázorněny na následujícím obrázku.

Vyzařovací diagram půlvlnné dipólové antény je znázorněn na následujícím obrázku. Je z něj patrné, že směry maximálního vyzařování jsou kolmé na vodič nebo osu antény. Je také kolmý na směr proudu antény.

Půlvlnná dipólová anténa může pracovat v rozsahu frekvencí od 3 kHz do 300 GHz; proto se většinou používá v rozhlasových přijímačích.

Krátkovlnná dipólová anténa

Krátkovlnná dipólová anténa je nejjednodušší typ antény ze všech antén. Krátká dipólová anténa je taková, u které je délka vodiče menší než polovina vlnové délky, tj.().

U krátké dipólové antény se začíná zvyšovat napájecí impedance a její odezva je méně závislá na změnách kmitočtu. Rozložení proudu v krátké dipólové anténě je přibližně trojúhelníkové.

Délka krátké dipólové antény v rozmezí až . tj.. Rozložení proudu v krátké dipólové anténě je přibližně trojúhelníkové. Základní krátká dipólová anténa a rozložení proudu na ní jsou znázorněny na následujícím obrázku.

Vyzařovací diagram krátké dipólové antény je jednoduše kruh. Ve srovnání s půlvlnnou dipólovou anténou se mírně liší. Vyzařovací diagram krátké dipólové antény a jeho srovnání s půlvlnnou dipólovou anténou je znázorněno na následujícím obrázku.

Krátká dipólová anténa se používá místo plné půlvlnné dipólové antény v některých aplikacích, kde je plná půlvlnná dipólová anténa příliš velká.

K čemu se používá dipólová anténa (aplikace)?

Mezi některé aplikace dipólové antény patří:

• Dipólová anténa se široce používá v rozhlase a telekomunikacích.
• Dipólová anténa může být použita jako vysílací nebo přijímací anténa. Vysílací anténa slouží k přeměně elektrických signálů na elektromagnetické vlny a k jejich vyzařování. Zatímco přijímací anténa slouží k přeměně elektromagnetických vln na elektrické signály. Při obousměrné komunikaci lze stejnou dipólovou anténu použít jak pro vysílání, tak pro příjem.
• Půlvlnná dipólová anténa se používá v rozhlasových a televizních přijímačích.
• Skládaná dipólová anténa se používá v anténách Yagi-Uda pro příjem pozemní televize (TV) s použitím vyváženého vedení Z0 = 300 Ω, protože skládaná dipólová anténa má vysokou vstupní impedanci, a proto se snadno přizpůsobuje impedanci přenosového vedení.
• Skládaná dipólová anténa se používá v širokopásmových provozech, jako je FM a TV (televizní) vysílání.
• VHF a UHF antény se používají v pozemní mobilní komunikaci v pobřežních oblastech, ve veřejné bezpečnosti, ve veřejné komunikaci a v průmyslových aplikacích.
• FM dipólová anténa se používá jako anténa pro příjem FM vysílání v pásmu 88 MHz až 108 MHz.
• Parabolická reflektorová anténa se běžně používá pro satelitní komunikaci, radioastronomii a pro různé typy radiokomunikačních spojů.

.