Dipolantenne: Was ist das? (Und die Arten von Antennen)

Was ist eine Dipolantenne?

Eine Dipolantenne (auch als Dublette oder Dipolantenne bezeichnet) ist eine Art von HF-Antenne (Radiofrequenzantenne), die aus zwei leitenden Elementen wie Stäben oder Drähten besteht. Der Dipol ist eine der Antennenarten, die ein Strahlungsdiagramm erzeugen, das dem eines elementaren elektrischen Dipols nahe kommt. Dipolantennen sind die einfachste und am weitesten verbreitete Art von Antennen.

Ein „Dipol“ bedeutet „zwei Pole“, daher besteht die Dipolantenne aus zwei identischen leitenden Elementen wie Stäben oder Metalldrähten. Die Länge der Metalldrähte beträgt etwa die Hälfte der maximalen Wellenlänge (d.h. ) im freien Raum bei der Betriebsfrequenz.

Dieser Draht oder Stab wird in der Mitte geteilt, und die beiden Abschnitte werden durch einen Isolator getrennt; diese Abschnitte werden als Antennenabschnitt bezeichnet.

Diese beiden Antennenabschnitte werden an dem Ende, das dem Zentrum der Antenne am nächsten liegt, mit einem Speise- oder Koaxialkabel verbunden. Man beachte, dass die Wellenlänge der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maximal- oder Minimalpunkten ist. Die Grundform der Dipolantenne mit dem mittleren Speisepunkt ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Hochfrequenz (HF)-Spannungsquelle wird an die Mitte zwischen den beiden Teilen der Dipolantenne angelegt. Diese Spannung und ein Strom, der durch die beiden leitenden Elemente fließt, erzeugen ein Funksignal oder eine elektromagnetische Welle, die von der Antenne nach außen abgestrahlt wird.

In der Mitte der Dipolantenne ist der Strom maximal und die Spannung minimal. Umgekehrt ist der Strom minimal und die Spannung an den Enden der Dipolantenne maximal.

Das Strahlungsdiagramm der Basis-Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es steht senkrecht zur Achse der Antenne.

Beachte, dass das Strahlungsdiagramm die grafische Darstellung der Strahlungseigenschaften der Antennen als Funktion des Raumes ist, d.h., Das Strahlungsdiagramm der Antenne beschreibt, wie die Antenne Energie in den Raum abstrahlt.

Die Dipolantenne ist eine Art von Wandler, der elektrische Signale in elektromagnetische HF-Wellen umwandelt und sie auf der Sendeseite abstrahlt und auf der Empfangsseite elektromagnetische HF-Wellen in elektrische Signale umwandelt.

Entwurf einer Dipolantenne

Wir können viele Dipolantennen entwerfen, die auf den Bändern HF (Hochfrequenz), VHF (sehr hohe Frequenz) und UHF (ultrahohe Frequenz) des Funkfrequenzspektrums arbeiten.

Lassen Sie uns eine 1 MHZ Dipolantenne entwerfen.

Auswahl der Länge der Dipolantenne

Wie wir wissen, ist die Wellenlänge einer Funkwelle oder jeder anderen Welle umgekehrt proportional zur Frequenz. Sie ist gegeben durch:

(1)

Wobei, C = Lichtgeschwindigkeit =

f = Frequenz, in Hertz

= Wellenlänge, in Meter

Also,

(2)

Nun, bei einer halben Wellenlänge, ist die Länge der Antenne gegeben durch,

(3)

Aus Gleichung (3) können wir also sagen, dass, wenn wir einen 1-MHz-Funksender verwenden, die Grundlänge des Antennendrahts 150 Meter oder 492 Fuß oder 5905 Zoll betragen wird.

Dies ist richtig, wenn wir den „Endeffekt“ vernachlässigen. Dieser „Endeffekt“ ist der dielektrische Effekt der Luft am Ende der Antenne, der die effektive Länge der Antenne erhöht. Aufgrund des Endeffekts wirkt ein Antennendraht 5% länger als die tatsächliche Länge. Dies führt zu Interferenzen zwischen dem Erreger- und dem Schwingungsstrom, wodurch die Schwingungsamplitude geschwächt werden kann.

Um den „Endeffekt“ auszugleichen und die Antenne richtig funktionieren zu lassen, muss der Antennendraht um etwa 5 % gekürzt werden, so dass seine physische Länge etwa 95 % der halben Wellenlänge beträgt.

Um die praktische Länge des Antennendrahts zu erhalten, wird der Wert mit einem Faktor K mit der Basislänge des Antennendrahts multipliziert, d. h.,

(4)

Der Wert von K hängt von der Dicke des Leiters und der Betriebsfrequenz ab. Dieser Wert von K ist für Antennendraht bei einer Frequenz von bis zu 30 MHz genau.

Auswahl der Speiseimpedanz oder des Strahlungswiderstandes

Die Speiseimpedanz eines Dipols ist durch das Verhältnis von Spannung und Strom am Speisepunkt definiert. In der Regel wird er am Punkt mit dem Spannungsminimum und dem Strommaximum gespeist.

Um eine maximale Energieübertragung von der Speisung oder Quelle/Last zu gewährleisten, sollte die Speiseimpedanz der Dipolantenne mit der der Quelle oder Last übereinstimmen. Durch Anpassung der Speiseimpedanz an die Quellen- oder Lastimpedanz kann die Antenne mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten.

Der Strahlungswiderstand oder die Speiseimpedanz einer idealen Dipolantenne im freien Raum kann näherungsweise durch eine Impedanz von 73 Ω modelliert werden, und unter praktischen Bedingungen schwankt sie zwischen 60 Ω und 70 Ω. Die Antennenimpedanz kann durch Variation der Länge oder Form der Drähte verändert werden.

Viele Arten von Koaxialkabeln haben eine charakteristische Impedanz von 75 Ω, daher kann die Dipolantenne mit einem 75 Ω Koaxialkabel mit zwei Drähten gespeist werden, was eine gute Anpassung für eine Halbwellendipolantenne ist.

Auch kann die Halbwellendipolantenne mit einer Übertragungsleitung mit einer Impedanz von 300 Ω und 600 Ω offener Drahtleitung mit gefalteten Dipolen entsprechend den Leistungsfähigkeiten gespeist werden.

Verwenden Sie eine symmetrische Speisung oder einen Balun

Die Dipolantenne ist eine symmetrische Antenne. Daher ist es notwendig, eine symmetrische Speisung zu verwenden. Eine symmetrische Einspeisung besteht aus zwei parallelen Leitern. Die Ströme, die in beiden Leitern fließen, sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet. Daher hebt sich das von ihnen ausgehende Strahlungsfeld auf und es wird keine Leistung abgeführt. Der Abstand zwischen den Leitern beträgt normalerweise etwa 0,01 Wellenlängen. Wenn eine koaxiale Zuleitung verwendet werden muss, dann muss der symmetrische Balun verwendet werden.

Koaxialkabel

Die häufigste Zuleitung, die zur Speisung der Antenne verwendet wird, ist das Koaxialkabel oder Koaxialkabel. Es wird oft auch als HF-Kabel bezeichnet.

Ein Koaxialkabel führt Strom in beiden Leitern. Diese Ströme sind gleich groß, haben aber entgegengesetzte Richtungen. Dadurch sind alle abstrahlenden Felder innerhalb des Kabels miteinander verbunden und heben sich gegenseitig auf.

Es gibt also kein abstrahlendes Feld außerhalb des Kabels, so dass es nicht durch nahe gelegene Objekte beeinflusst wird. Daher ist es am besten geeignet als Speisung der Dipolantenne.

Dehnungsisolator

Ein Dehnungsisolator ist ein elektrischer Isolator, der entworfen wurde, um dem Zug eines aufgehängten elektrischen Kabels oder Drahtes zu widerstehen.

Es wird zwischen zwei Längen des leitenden Drahtes eingefügt, um sie elektrisch voneinander zu isolieren. Er wird in elektrischen Freileitungen verwendet, um Funkantennen und Freileitungen zu tragen.

Das Gesamtdesign einer 1 MHz Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Arten von Dipolantennen

Die häufigsten Arten einer Dipolantenne sind die Halbwellendipolantennen. Es gibt viele Arten von Dipolantennen, die entworfen werden können. Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Dipolantennen im Detail erklärt.

Gefaltete Dipolantenne

Eine gefaltete Dipolantenne ist eine Anordnung von zwei Dipolantennen. Wenn zwei Dipolantennen parallel geschaltet sind und eine dünne Drahtschleife bilden, spricht man von einer gefalteten Dipolantenne.

Wie der Name schon sagt, ist die Form der Dipolantenne auf sich selbst zurückgefaltet. Bei der gefalteten Dipolantenne werden zwei Halbwellendipole – ein durchgehender und ein in der Mitte geteilter – gefaltet und an den Enden parallel zusammengefügt. Der geteilte Dipol wird in der Mitte durch eine symmetrische Übertragungsleitung gespeist. Daher haben die beiden Dipole an ihren Enden die gleichen Spannungen und es werden zwei identische Ströme erzeugt.

Das Strahlungsdiagramm eines gefalteten Dipols ist das gleiche wie das eines normalen Dipols, aber die Eingangsimpedanz des gefalteten Dipols ist höher und die Richtwirkung eines gefalteten Dipols ist bidirektional.

Zweidraht-Faltdipolantenne

Wenn zwei Dipolantennen parallel geschaltet werden, um eine dünne Drahtschleife zu bilden, dann spricht man von einer Zweidraht-Faltdipolantenne.

Wenn der Radius beider Leiter gleich ist, dann fließen gleiche Ströme in beiden Leitern in die gleiche Richtung, d.h., Die Ströme sind gleich groß und gleichphasig. Wenn der an der Klemme eingespeiste Gesamtstrom „I“ beträgt, fließt in jedem Dipol ein Strom von „I/2“. Bei gleicher Leistung fließt also nur die Hälfte des Stroms im ersten Dipol, wodurch sich die Eingangsimpedanz erhöht und das Vierfache beträgt. Die gefaltete Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die allgemeine Formel für die Impedanzberechnung für einen gefalteten Dipol ist gegeben durch,

wobei, n = Anzahl. des Antennendrahtes

Für einen zweidrahtigen gefalteten Dipol mit gleichem Radius ist die Eingangsimpedanz oder der Strahlungswiderstand gegeben durch

Daher kann der zweidrahtige gefaltete Dipol mit einer konventionellen 300 Ω Open-Wire-Übertragungsleitung ohne Anpassungsvorrichtung gespeist werden.

Dreidraht-Faltdipolantenne (Folded Tripole)

Wenn drei Dipolantennen parallel geschaltet werden, um eine dünne Drahtschleife zu bilden, spricht man von einer Dreidraht-Faltdipolantenne oder Folded Tripole-Antenne.

Wenn Dreidraht-Faltdipolantennen mit gleichen Radien verwendet werden, dann fließt der gleiche Strom in allen drei Leitern. Wenn der an der Klemme eingespeiste Gesamtstrom „I“ ist, dann fließt in jedem Dipol der Strom „I/3“.

Damit fließt bei gleicher Leistung nur ein Drittel des gesamten Strahlungsstroms im ersten Dipol, und damit erhöht sich die Eingangsimpedanz und wird neunmal so groß. Die gefaltete Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Für einen gefalteten Dipol mit drei Drähten und gleichem Radius ist die Eingangsimpedanz oder der Strahlungswiderstand gegeben durch

Daher kann ein gefalteter Dipol oder ein gefalteter Tripol mit drei Drähten mit einer herkömmlichen offenen 600 Ω-Zweidraht-Übertragungsleitung ohne Anpassungsvorrichtung gespeist werden.

Die gefaltete Dipolantenne bzw. Tripolantenne hat also eine wichtige impedanztransformierende Eigenschaft. Dadurch lässt sie sich leicht an eine Übertragungsleitung anpassen, die die Antenne speist. Es ist auch möglich, die Eingangsimpedanz zu ändern, indem man den Radius der beiden Dipole ungleich hält. Unter dieser Bedingung fließt ein größerer Strom durch einen dickeren Dipol, so dass wir jede gewünschte Eingangsimpedanz beibehalten können.

Vorteile einer gefalteten Dipolantenne

Zu den Vorteilen einer gefalteten Dipolantenne gehören:

1. Sie hat eine hohe Eingangsimpedanz und lässt sich daher leicht an die Übertragungsleitung anpassen.
2. Sie hat eine breitbandige Frequenz, d.h.,
3. Sie hat einen hohen Gewinn und eine hohe Richtwirkung im Vergleich zu einer einfachen Dipolantenne und kann daher in der Yagi-Uda-Antenne verwendet werden.

FM-Dipolantenne

FM-Dipolantenne ist definiert als eine vertikal polarisierte Halbwellen-Halbdipolantenne. Die FM-Dipolantenne wird meist verwendet, da sie einfach zu bauen und geeignet ist, den Empfang von UKW-FM-Sendungen zu verbessern. Die FM-Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Strahlungsdiagramm der FM-Dipolantenne steht senkrecht zur Antennenachse, d.h. es ist horizontal, weil die FM-Dipolantenne eine vertikal polarisierte Halbwellendipolantenne ist. Das Strahlungsdiagramm der FM-Dipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die FM-Dipolantenne wird im Allgemeinen für den FM-Rundfunkfrequenzbereich zwischen 88 MHz und 108 MHZ verwendet.

Fächer-Dipol-Antenne

Die Fächer-Dipol-Antenne oder Multiband-Drahtantenne ist eine Antenne, bei der mehrere Dipole mit einer gemeinsamen Speiseleitung verbunden sind und sich wie ein Fächer ausbreiten, weshalb sie auch als Fächer-Dipol-Antenne bezeichnet wird.

Wie der Name schon sagt, sieht die Form der Fächer-Dipol-Antenne wie ein Fächer aus. Sie ist auch als Parallel-Dipol-Antenne bekannt.

Bei der Fächer-Dipol-Antenne wird jeder Dipol des Multibandes von der Mitte der Bänder aus geschnitten und an eine gemeinsame Zuleitung angeschlossen. Der Dipol sollte dort abgeschnitten werden, wo wir ihn abstrahlen wollen. Wenn das Signal übertragen wird, empfangen wir nur das Signal von dem Band, das strahlt, weil die anderen Dipole eine höhere Impedanz im Vergleich zu diesem strahlenden Element haben.

Die Fächer-Dipol-Antenne ist in der obigen Abbildung dargestellt. Es ist eine 4-Band-Fächerdipolantenne. Hier haben wir 80 m, 40 m, 20 m und 10 m Multiband-Dipole verwendet, die parallel mit einer gemeinsamen Speiseleitung verbunden sind.

Wenn der 80 m Dipol strahlt, bedeutet das, dass der Strom durch die 80 m Dipole fließt. In diesem Zustand empfangen wir nur das Signal von den 80 m Bändern, weil es eine niedrigere Impedanz hat, während die anderen 40 m, 20 m und 10 m Bänder eine höhere Impedanz haben, verglichen mit dem 80 m Strahlerelement.

Wenn der 40-m-Dipol strahlt, empfangen wir nur das Signal aus den 40-m-Bändern, weil er eine niedrigere Impedanz hat als der andere Dipol. Man beachte, dass nach dem Kirchhoff’schen Stromgesetz auch die anderen Dipole abstrahlen, aber nicht effizient.

Halbwellen-Dipolantenne

Die Halbwellen-Dipolantenne ist die am häufigsten verwendete Art von Dipolantenne. Wie der Name schon sagt, ist die Gesamtlänge der Dipolantenne gleich der halben Wellenlänge () bei der Betriebsfrequenz.

Man nennt sie auch Halbwellendipol oder einfach Dipol oder Dublette. Sie ist auch als Hertzsche Antenne bekannt.

Die Halbwellendipolantenne besteht aus einem Leiter mit zwei Viertel der Wellenlänge und dem Speisepunkt in der Mitte. Es handelt sich um eine symmetrische Antenne, bei der die beiden Enden auf dem gleichen Potential wie der Mittelpunkt liegen.

Die Stromverteilung in der Halbwellendipolantenne ist annähernd sinusförmig über die Länge des Dipols, d.h. eine stehende Welle in der Natur. Die grundlegende Halbwellendipolantenne und die Spannungs- und Stromverteilung an ihr sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Strahlungsdiagramm der Halbwellendipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es zeigt, dass die Richtungen der maximalen Strahlung senkrecht zum Leiter oder zur Achse der Antenne verlaufen. Sie steht auch senkrecht zur Richtung des Antennenstroms.

Die Halbwellendipolantenne kann im Frequenzbereich von 3 kHz bis 300 GHz arbeiten und wird daher meist in Rundfunkempfängern verwendet.

Kurze Dipolantenne

Die kurze Dipolantenne ist der einfachste Antennentyp von allen Antennen. Eine kurze Dipolantenne ist eine Antenne, bei der die Länge des Drahtes weniger als die Hälfte der Wellenlänge, d.h. (), beträgt.

Bei einer kurzen Dipolantenne nimmt die Speiseimpedanz zu und ihre Reaktion ist weniger abhängig von den Frequenzänderungen. Die Stromverteilung in der kurzen Dipolantenne ist annähernd dreieckig.

Die Länge der kurzen Dipolantenne liegt zwischen und , d.h. . Die Stromverteilung auf der kurzen Dipolantenne ist annähernd dreieckig. Die grundlegende Kurzdipolantenne und die Stromverteilung auf ihr sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Strahlungsdiagramm der Kurzdipolantenne ist einfach ein Kreis. Es unterscheidet sich geringfügig von dem der Halbwellendipolantenne. Das Strahlungsdiagramm der kurzen Dipolantenne und ihr Vergleich mit der Halbwellendipolantenne ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Eine kurze Dipolantenne wird anstelle der vollen Halbwellendipolantenne in bestimmten Anwendungen verwendet, in denen die volle Halbwellendipolantenne zu groß ist.

Wofür wird eine Dipolantenne verwendet (Anwendungen)?

Einige der Anwendungen der Dipolantenne sind:

• Die Dipolantenne wird häufig in der Funk- und Telekommunikation verwendet.
• Eine Antenne kann entweder als Sende- oder als Empfangsantenne verwendet werden. Eine Sendeantenne wird verwendet, um elektrische Signale in elektromagnetische Wellen umzuwandeln und diese auszustrahlen. Eine Empfangsantenne dient dazu, elektromagnetische Wellen in elektrische Signale umzuwandeln. Bei der Zwei-Wege-Kommunikation kann dieselbe Dipolantenne sowohl für die Übertragung als auch für den Empfang verwendet werden.
• Eine Halbwellendipolantenne wird in Radio- und Fernsehempfängern verwendet.
• Eine gefaltete Dipolantenne wird in Yagi-Uda-Antennen für den terrestrischen Fernsehempfang mit einer symmetrischen Leitung von Z0 = 300 Ω verwendet, weil eine gefaltete Dipolantenne eine hohe Eingangsimpedanz hat und daher leicht an die Impedanz der Übertragungsleitung angepasst werden kann.
• Die gefaltete Dipolantenne wird für Breitbandanwendungen wie UKW- und Fernsehsendungen verwendet.
• VHF- und UHF-Antennen werden in der mobilen Landkommunikation in den Küstengebieten, der öffentlichen Sicherheit, der öffentlichen Kommunikation und in industriellen Anwendungen eingesetzt.
• FM-Dipolantenne wird als FM-Rundfunk-Empfangsantenne für das FM-Rundfunkband 88 MHz bis 108 MHz verwendet.
• Eine Parabolreflektorantenne wird häufig für die Satellitenkommunikation, die Radioastronomie und für verschiedene Arten von Funkkommunikationsverbindungen verwendet.