Dipolantenne: Hvad er det? (Og typerne af antenner)

Hvad er en dipolantenne?

En dipolantenne (også kendt som en doublet eller dipolantenne) defineres som en type RF-antenne (radiofrekvensantenne), der består af to ledende elementer som f.eks. stænger eller ledninger. Dipolantennen er en af de antennesorter, der frembringer et strålingsmønster, der tilnærmelsesvis svarer til en elementær elektrisk dipol. Dipolantenner er den enkleste og mest udbredte antennetype.

En “dipol” betyder “to poler”, og derfor består dipolantennen af to identiske ledende elementer som f.eks. stænger eller metaltråde. Længden af metaltrådene er ca. halvdelen af den maksimale bølgelængde (dvs. ) i det frie rum ved den pågældende frekvens.

Denne tråd eller stang er delt i midten, og de to sektioner er adskilt af en isolator, disse sektioner kaldes en antennesektion.

Disse to antennesektioner er forbundet med en feeder eller et koaksialkabel i den ende, der er tættest på antennens centrum. Bemærk, at bølgelængden er afstanden mellem to på hinanden følgende maksimum- eller minimumspunkter. Den grundlæggende dipolantenne med det centrale fødested er vist i nedenstående figur.

Den radiofrekvente (RF) spændingskilde påføres på midten mellem de to dele af dipolantennen. Denne spænding og en strøm, der løber gennem de to ledende elementer, frembringer et radiosignal eller en elektromagnetisk bølge, som udstråles ud fra antennen.

Strengen er maksimal og spændingen er minimal i midten af dipolantennen. Omvendt er strømmen mindst og spændingen størst ved dipolantennens ender.

Den grundlæggende dipolantennes strålingsmønster er vist i nedenstående figur. Det er vinkelret på antennens akse.

Bemærk, at strålingsmønsteret er den grafiske repræsentation af antennens strålingsegenskaber som en funktion af rummet, dvs, antennens strålingsmønster beskriver, hvordan antennen udstråler energi ud i rummet.

Dipolantennen er en type transducer, som omdanner elektriske signaler til elektromagnetiske RF-bølger og udstråler dem på sendesiden og omdanner elektromagnetiske RF-bølger til elektriske signaler på modtagersiden.

Design af dipolantenner

Vi kan designe mange dipolantenner, der fungerer på HF- (højfrekvens), VHF- (meget højfrekvens) og UHF-båndene (ultrahøjfrekvens) i radiofrekvensspektret.

Lad os designe en dipolantenne på 1 MHZ.

Valg af længden af dipolantennen

Som bekendt varierer bølgelængden af en radiobølge eller enhver anden bølge omvendt proportionalt med frekvensen. den er givet ved:

(1)

Hvor C = lysets hastighed =

f = frekvens, i Hertz

= bølgelængde, i meter

Sådan,

(2)

Nu, ved en halv bølgelængde, er antennens længde givet ved,

(3)

Så ud fra ligning (3) kan vi sige, at hvis vi bruger en 1 MHz radiosender, vil antennetrådens grundlængde være 150 meter eller 492 fod eller 5905 tommer.

Dette er korrekt, hvis vi ser bort fra “endeeffekten”. Denne “endeeffekt” er den dielektriske effekt af luften i enden af antennen, som øger antennens effektive længde. På grund af endeeffekten virker en antennetråd som 5% længere end den faktiske længde. Dette vil give interferens mellem de spændende og svingende strømme, og på grund af dette kan svingningsamplituden svækkes.

For at modvirke “endeeffekten” og få antennen til at fungere korrekt, er det derfor nødvendigt at afkorte antennetråden ca. 5% og gøre dens fysiske længde til ca. 95% af halvdelen af bølgelængden.

For at få den praktiske længde af antennetråden multipliceres værdien med en faktor K til antennetrådens grundlængde, dvs,

(4)

Værdien af K afhænger af tykkelsen af lederen og driftsfrekvensen. Denne værdi af K er nøjagtig for antennetråd ved en frekvens på op til 30 MHz.

Valg af indføringsimpedans eller strålingsmodstand

Indføringsimpedansen for en dipol er defineret ved forholdet mellem spænding og strøm ved indføringspunktet. Den fodres typisk ved spændingsminimum og strømmaksimum.

For at sikre den maksimale overførsel af energi fra feederen eller kilden/belastningen bør dipolantennens fodringsimpedans være den samme som kildens eller belastningens impedans. Ved at matche føderimpedansen med kilde- eller belastningsimpedansen kan antennen fungere med maksimal effektivitet.

Strålemodstanden eller en indgangsføderimpedans for en ideel dipolantenne i det frie rum kan tilnærmelsesvis modelleres ved en impedans på 73 Ω, og under praktiske forhold varierer den fra 60 Ω til 70 Ω. Antenneimpedansen kan ændres ved at variere længden eller formen af ledningerne.

Mange typer koaksialkabler har en karakteristisk impedans på 75 Ω, hvorfor dipolantennen kan fodres med et koaksialkabel med 75 Ω to tråde, som passer godt til en halvbølgedipolantenne.

Den halvbølgede dipol kan også fodres med en transmissionslinje med impedanserne 300 Ω og 600 Ω åben ledning med foldede dipoler i overensstemmelse med de strømhåndteringsmuligheder.

Brug balanceret feeder eller balun

Dipolantennen er den balancerede antenne. Derfor er det nødvendigt at bruge en balanceret feeder. En balanceret feeder består af to parallelle ledere. De strømme, der løber i begge ledere, er lige store, men i modsat retning. Derfor udligner strålingsfeltet fra dem sig, og der går ingen effekt tabt. Afstanden mellem lederne er normalt ca. 0,01 bølgelængder. Hvis der skal anvendes en koaksial feeder, skal den balancerede balun anvendes.

Koaksialkabel

Den mest almindelige feeder, der anvendes til at fodre antennen, er koaksialkabel eller coaxkabel. Det omtales ofte som RF-kabel.

Et koaksialkabel transporterer strøm i begge ledere. Disse strømme er lige store, men i modsat retning. Derfor er alle udstrålingsfelter forbundet inden for kablet, og de ophæver derfor hinanden.

Der er således intet udstrålingsfelt uden for kablet, og det påvirkes derfor ikke af objekter i nærheden. Derfor er det bedst egnet som en feeder til dipolantennen.

Strainisolator

En strainisolator er en elektrisk isolator, der er designet til at modstå trækket fra et ophængt elektrisk kabel eller ledning.

Den indsættes mellem to længder af den ledende ledning, for at isolere dem elektrisk fra hinanden. Den bruges i elektrisk luftledning, til at bære radioantenner og luftledninger.

Det overordnede design af en 1 MHz dipolantenne er vist i nedenstående figur.

Typer af dipolantenner

De mest almindelige typer af en dipolantenne er halvbølgedipolantennen. Der kan konstrueres mange typer af dipolantenner. Lad os forklare de vigtigste typer af dipolantenner i detaljer.

Foldet dipolantenne

En foldet dipolantenne er et array af to-dipolantennerne. Hvis to dipolantenner er forbundet parallelt til at danne en tynd trådsløjfe, kaldes det en foldet dipolantenne.

Som navnet antyder, er dipolantennens form foldet tilbage på sig selv. I den foldede dipolantenne er to halvbølgedipoler – den ene kontinuerlig og den anden delt i midten – foldet og forbundet parallelt sammen i enderne. Den delte dipol forsynes i midten af en afbalanceret transmissionslinje. Derfor har de to dipoler de samme spændinger i deres ender, og der genereres to identiske strømme.

Strålingsmønsteret for en foldet dipol er det samme som for en almindelig dipol, men indgangsimpedansen for den foldede dipol er højere, og retningsbestemtheden for en foldet dipol er bi-retningsbestemt.

To-tråds foldet dipolantenne

Hvis to dipolantenner er forbundet parallelt for at danne en tynd trådsløjfe, kaldes det en to-tråds foldet dipolantenne.

Hvis radius på begge ledere er lige stor, så strømmer der lige meget i begge ledere i samme retning, dvs, strømmene er ens i størrelse og fase. Hvis den samlede strøm, der tilføres ved terminalen, er “I”, vil hver dipol have en strøm “I/2”. Med den samme effekt strømmer der således kun halvdelen af strømmen i den første dipol, og dermed stiger indgangsimpedansen og bliver fire gange større. Den foldede dipolantenne er vist i nedenstående figur.

Den generelle formel for impedansberegning for en foldet dipol er givet ved,

Hvor, n = nr. af antennetråd

For en foldet dipol med to tråde og samme radius er indgangsimpedansen eller strålingsmodstanden således givet ved

Den foldede dipol med to tråde kan derfor fodres med en konventionel 300 Ω åben trådtransmissionsledning uden nogen tilpasningsanordning.

Tre-tråds foldede dipolantenne (Folded Tripole)

Hvis tre dipolantenner forbindes parallelt for at danne en tynd trådsløjfe, kaldes det en tre-tråds foldet dipolantenne eller Folded Tripole-antenne.

Hvis tre-tråds foldede dipolantenner anvendes med lige store radier, så strømmer der lige meget strøm i alle tre ledere. Hvis den samlede strøm, der tilføres ved terminalen, er “I”, vil hver dipol have strømmen “I/3”.

Så med den samme effekt tilføres kun en tredjedel af den samlede strålende strøm i den første dipol, og dermed stiger indgangsimpedansen og bliver ni gange større. Den foldede dipolantenne er vist i nedenstående figur.

For en foldet dipol med tre ledninger og samme radius er indgangsimpedansen eller strålingsmodstanden således givet ved

Dermed kan en foldet dipol med tre ledninger eller en foldet tripol fodres med en konventionel åben transmissionslinje med to ledninger på 600 Ω uden nogen tilpasningsanordning.

Så den foldede dipolantenne eller tripolantenne har en vigtig impedanstransformerende egenskab. Dette gør den let at tilpasse med en transmissionsledning, der fodrer antennen. Det er også muligt at ændre indgangsimpedansen ved at holde radius på de to dipoler ulige. I denne tilstand strømmer der en større strøm gennem en tykkere dipol, og derfor kan vi opretholde enhver ønsket indgangsimpedans.

Fordele ved en foldet dipolantenne

Nogle af fordelene ved en foldet dipolantenne omfatter:

1. Den har en høj indgangsimpedans; det gør den derfor let at matche med transmissionsledningen.
2. Den har bredbåndsfrekvens, dvs, bred båndbredde, derfor er den velegnet til FM- og tv-udsendelser.
3. Den har høj forstærkning og høj retningsvirkning sammenlignet med en simpel dipolantenne, derfor kan den bruges i Yagi-Uda-antennen.

FM-dipolantenne

FM-dipolantenne er defineret som den vertikalt polariserede halvbølgehalvdipolantenne. FM-dipolantennen anvendes oftest, da den er let at bygge, og den er egnet til at give forbedret modtagelse af VHF FM-udsendelser. FM-dipolantennen er vist i nedenstående figur.

Strålemønsteret for FM-dipolantennen er vinkelret på antennens akse, dvs. det er vandret, fordi FM-dipolantennen er en vertikalt polariseret halvbølgedipolantenne. Strålingsmønsteret for FM-dipolantennen er vist i nedenstående figur.

FMFM-dipolantennen anvendes generelt til FM-udsendelser i frekvensområdet mellem 88 MHz og 108 MHZ.

Fan Dipolantenne

Fan dipol eller Multi-band trådantenne er en, hvor flere dipoler er forbundet med en fælles fødeledning, og de er spredt ud som en vifte, hvorfor den kaldes en fan dipolantenne.

Som navnet antyder, at formen af fan dipolantennen ligner en vifte. Den er også kendt som en parallel dipolantenne.

I vifte-dipolantennen er hver dipol i multibåndet skåret fra midten af båndene og forbundet til en fælles fødeledning. Dipolen skal skæres fra det sted, hvor vi ønsker, at den skal udstråle. Når signalet sendes, modtager vi kun signalet fra det bånd, der stråler, fordi de andre dipoler har en højere impedans i forhold til det strålende element.

Fan-dipolantennen er vist i ovenstående figur. Det er en 4-bånds vifte-dipolantenne. Her har vi brugt 80 m, 40 m, 20 m og 10 m multibåndsdipoler, der er forbundet parallelt med en fælles feederledning.

Når 80 m dipol udstråler betyder det, at strømmen passerer gennem 80 m dipoler, i denne tilstand modtager vi kun signalet fra 80 m bånd, fordi det har en lavere impedans, mens andre 40 m, 20 m og 10 m bånd har en højere impedans sammenlignet med 80 m strålende element.

Sådan modtager vi, når 40 m-dipolen udstråler, kun signalet fra 40 m-båndene, fordi den har en lavere impedans sammenlignet med den anden dipol. Bemærk, at i henhold til Kirchhoffs strømlov stråler de andre dipoler også, men ikke effektivt.

Halvbølgedipolantenne

Halvbølgedipolantennen er den mest udbredte type dipolantenne. Som navnet antyder, er dipolantennens samlede længde lig med den halve bølgelængde () ved driftsfrekvensen.

Den er kendt som en halvbølgedipol eller blot dipol eller doublet. Den er også kendt som Hertz-antenne.

Den halvbølgede dipolantenne består af en tokvartbølgelængde leder med fødestedet i midten. Det er den symmetriske antenne, hvor de to ender er på samme potentiale som midtpunktet.

Strømsfordelingen i halvbølgedipolantennen er omtrent sinusformet langs dipolens længde, dvs. en stående bølge i naturen. Den grundlæggende halvbølgedipolantenne og spændings- og strømfordelingen på den er vist i nedenstående figur.

Strålingsmønsteret for halvbølgedipolantennen er vist i nedenstående figur. Det viser, at retningerne for den maksimale stråling er vinkelret på lederen eller antennens akse. Den er også vinkelret på antennestrømretningen.

Den halvbølgedipolantenne kan fungere i frekvensområdet fra 3 kHz til 300 GHz, og den anvendes derfor mest i radiomodtagere.

Kort dipolantenne

Den korte dipolantenne er den enkleste antennetype af alle antennerne. En kort dipolantenne er en antenne, hvor ledningens længde er mindre end halvdelen af bølgelængden, dvs.().

I en kort dipolantenne begynder indføringsimpedansen at stige, og dens respons er mindre afhængig af frekvensændringerne. Strømfordelingen i den korte dipolantenne er omtrent trekantet.

Længden af den korte dipolantenne mellem og . dvs. . Strømfordelingen i den korte dipolantenne er omtrent trekantet. Den grundlæggende korte dipolantenne og strømfordelingen på den er vist i nedenstående figur.

Den korte dipolantennes strålingsmønster er simpelthen en cirkel. Det er lidt anderledes sammenlignet med halvbølgedipolantennen. Strålingsmønsteret for den korte dipolantenne og sammenligningen med halvbølgedipolantennen er vist i nedenstående figur.

En kort dipolantenne anvendes i stedet for den fulde halvbølgedipolantenne i visse anvendelser, hvor den fulde halvbølgedipolantenne er for stor.

Hvad bruges en dipolantenne til (anvendelser)?

Nogle af anvendelserne af dipolantenne omfatter:

• Dipolantennen er meget udbredt inden for radio og telekommunikation.
• En antenne kan bruges enten som sende- eller modtageantenne. En sendeantenne bruges til at omdanne elektriske signaler til elektromagnetiske bølger og udstråler dem. Mens en modtageantenne bruges til at omdanne elektromagnetiske bølger til elektriske signaler. Ved tovejskommunikation kan den samme dipolantenne anvendes til både transmission og modtagelse.
• En halvbølgedipolantenne anvendes i radio- og tv-modtagere.
• En foldet dipolantenne anvendes i Yagi-Uda-antenner til jordbaseret tv-modtagelse (TV) ved hjælp af den balancerede linje med Z0 = 300 Ω, fordi en foldet dipolantenne har en høj indgangsimpedans, og derfor er den let at matche med transmissionsledningens impedans.
• Den foldede dipolantenne anvendes i bredbåndsoperationer som f.eks. FM- og tv-udsendelser (TV-udsendelser).
• VHF- og UHF-antenner anvendes til landmobil kommunikation i kystområder, offentlig sikkerhed, offentlig kommunikation og industrielle anvendelser.
• FM-dipolantenne anvendes som FM-antenne til FM-udsendelse-modtagelse i FM-udsendelsesbåndet 88 MHz til 108 MHz.
• En parabolisk reflektorantenne anvendes almindeligvis til satellitkommunikation, radioastronomi og til forskellige typer radiokommunikationsforbindelser.