Dipoliantenni: Mikä se on? (Ja antennityypit)

Mikä on dipoliantenni?

Dipoliantenni (tunnetaan myös nimellä dubletti tai dipoliantenni) määritellään RF-antennityypiksi (radiotaajuusantenni), joka koostuu kahdesta johtavasta elementistä, kuten tangoista tai langoista. Dipoli on mikä tahansa antennilajike, joka tuottaa säteilykuvion, joka vastaa suunnilleen alkeellisen sähköisen dipolin säteilykuviota. Dipoliantennit ovat yksinkertaisin ja yleisimmin käytetty antennityyppi.

”Dipoli” tarkoittaa ”kahta napaa”, joten dipoliantenni koostuu kahdesta identtisestä johtavasta elementistä, kuten tangoista tai metallilangoista. Metallilankojen pituus on noin puolet suurimmasta aallonpituudesta (eli ) vapaassa tilassa toimintataajuudella.

Tämä lanka tai sauva on halkaistu keskeltä, ja nämä kaksi osaa on erotettu toisistaan eristeellä, näitä osia kutsutaan antenniosiksi.

Nämä kaksi antenniosaa on liitetty syöttö- tai koaksiaalikaapeliin antennin keskipistettä lähinnä olevasta päästä. Huomaa, että aallonpituus on kahden peräkkäisen maksimi- tai minimipisteen välinen etäisyys. Perusdipoliantenni, jossa on keskimmäinen syöttöpiste, on esitetty alla olevassa kuvassa.

Radiotaajuusjännitelähde (RF-jännitelähde) syötetään keskelle dipoliantennin kahden osan väliin. Tämä jännite ja kahden johtavan elementin läpi kulkeva virta tuottavat radiosignaalin tai sähkömagneettisen aallon, joka säteilee antennista ulospäin.

Virta on suurimmillaan ja jännite pienimmillään dipoliantennin keskipisteessä. Vastaavasti virta on pienimmillään ja jännite suurimmillaan dipoliantennin päissä.

Perusdipoliantennin säteilykuvio on esitetty alla olevassa kuvassa. Se on kohtisuorassa antennin akselia vastaan.

Huomaa, että säteilykuvio on antennin säteilyominaisuuksien graafinen esitys tilan funktiona ts, antennin säteilykuvio kuvaa sitä, miten antenni säteilee energiaa avaruuteen.

Dipoliantenni on eräs muuntimen tyyppi, joka muuntaa sähkösignaalit RF-sähkömagneettisiksi HF-aalloiksi ja säteilee ne lähettävällä puolella ja muuntaa RF-sähkömagneettiset aallot sähköisiksi sähköisiksi signaaleiksi vastaanottavilla puolilla.

Dipoliantennin suunnittelu

Voidaan suunnitella monia dipoliantenneja, jotka toimivat radiotaajuusspektrin HF- (korkeataajuus), VHF- (erittäin korkeataajuus) ja UHF- (ultrakorkeataajuus) kaistoilla.

Suunnitelkaamme 1 MHZ:n dipoliantenni.

Dipoliantennin pituuden valinta

Kuten tiedämme, että radioaallon tai minkä tahansa muun aallon aallonpituus vaihtelee kääntäen verrannollinen taajuuteen. Se saadaan seuraavasti:

(1)

Jossa, C = valon nopeus =

f = taajuus, hertseinä

= aallonpituus, metreinä

Siten,

(2)

Nyt, puolen aallonpituuden kohdalla, antennin pituus saadaan,

(3)

Yhtälöstä (3) voidaan siis sanoa, että jos käytämme 1 MHz:n radiolähetintä, antennilangan peruspituus on 150 metriä eli 492 jalkaa eli 5905 tuumaa.

Tämä pitää paikkansa, jos jätämme huomiotta ”loppuvaikutuksen”. Tämä ”päätevaikutus” on antennin päässä olevan ilman dielektrinen vaikutus, joka lisää antennin tehollista pituutta. Pääte-efektin takia antennijohto vaikuttaa 5% todellista pituuttaan pidemmältä. Tämä aiheuttaa häiriöitä jännitys- ja värähtelyvirtojen välille, minkä vuoksi värähtelyamplitudi voi heikentyä.

Siten ”loppuvaikutuksen” kompensoimiseksi ja jotta antenni toimisi kunnolla, antennilanka on leikattava noin 5 %:lla, jolloin sen fyysinen pituus on noin 95 % puolen aallonpituuden pituudesta.

Siten antennilangan käytännöllisen pituuden saamiseksi saadaan antennijohdon käytännön pituus kerrottuna kertoimella K antennijohdon peruspituuden arvoon, ts,

(4)

K:n arvo riippuu johtimen paksuudesta ja toimintataajuudesta. Tämä K:n arvo on tarkka antennijohdolle enintään 30 MHz:n taajuudella.

Syöttöimpedanssin tai säteilyresistanssin valinta

Dipolin syöttöimpedanssi määritellään jännitteen ja virran suhteena syöttöpisteessä. Sitä syötetään tyypillisesti jännitteen minimi- ja virran maksimipisteessä.

Syöttöantennin tai lähteen/kuorman maksimaalisen energiansiirron varmistamiseksi dipoliantennin syöttöimpedanssin tulisi olla sama kuin lähteen tai kuorman. Sovittamalla syöttöimpedanssi lähteen tai kuorman impedanssiin antenni voi toimia maksimitehollaan.

Ideaalisen dipoliantennin säteilyresistanssia tai syöttöimpedanssia vapaassa tilassa voidaan likimääräisesti mallintaa 73 Ω:n impedanssilla, ja käytännön olosuhteissa se vaihtelee 60 Ω:n ja 70 Ω:n välillä. Antennin impedanssia voidaan muuttaa vaihtelemalla johtojen pituutta tai muotoa.

Monien koaksiaalikaapelityyppien ominaisimpedanssi on 75 Ω, joten dipoliantennia voidaan syöttää 75 Ω:n kaksijohtimisella koaksiaalikaapelilla, joka sopii hyvin puoliaaltodipoliantennille.

Puoliaaltodipolia voidaan syöttää myös siirtojohdolla, jonka impedanssit ovat 300 Ω, ja 600 Ω avojohtojohdolla, jossa on taitettuja dipoleita tehonkäsittelyominaisuuksien mukaan.

Käytä tasapainotettua syöttölaitetta tai balunia

Dipoliantenni on tasapainotettu antenni. Siksi on välttämätöntä käyttää tasapainotettua syöttölaitetta. Tasapainotettu syöttölaite koostuu kahdesta rinnakkaisesta johtimesta. Molemmissa johtimissa kulkevat virrat ovat samansuuruisia mutta vastakkaissuuntaisia. Näin ollen niiden säteilykenttä kumoutuu, eikä tehoa haihdu. Johtimien välinen etäisyys on yleensä noin 0,01 aallonpituutta. Jos on käytettävä koaksiaalista syöttölaitetta, on käytettävä tasapainotettua balunia.

Koaksiaalikaapeli

Yleisin syöttölaite, jota käytetään antennin syöttämiseen, on koaksiaalikaapeli eli koaksiaalikaapeli. Siitä käytetään usein nimitystä RF-kaapeli.

Koaksiaalikaapelissa virtaa molemmissa johtimissa. Nämä virrat ovat samansuuruisia mutta vastakkaissuuntaisia. Tästä johtuen kaikki säteilevät kentät ovat yhteydessä kaapelin sisällä ja siten ne kumoavat toisensa.

Siten kaapelin ulkopuolella ei ole säteilevää kenttää, joten kaapelin lähellä olevat kohteet eivät vaikuta siihen. Siksi se soveltuu parhaiten dipoliantennin syöttöantenniksi.

Jännityseriste

Jännityseriste on sähköeriste, joka on suunniteltu kestämään ripustetun sähkökaapelin tai -langan vetoa.

Se työnnetään kahden pituisen johtavan langan väliin eristämään ne sähköisesti toisistaan. Sitä käytetään sähköjohtojen ilmajohdoissa, radioantennien ja ilmajohtojen tukemiseen.

Oheisessa kuvassa on esitetty 1 MHz:n dipoliantennin kokonaissuunnittelu.

Dipoliantennityypit

Yleisimpiä tyyppejä dipoliantennista ovat puolittainen aaltodipoliantenni. Dipoliantenneja voidaan suunnitella monenlaisia. Selitetään tärkeimmät dipoliantennityypit yksityiskohtaisesti.

Taitettu dipoliantenni

Taitettu dipoliantenni on kahden dipolin antenniryhmä. Jos kaksi dipoliantennia kytketään rinnakkain niin, että ne muodostavat ohuen lankasilmukan, sitä kutsutaan taitelluksi dipoliantenniksi.

Nimestä käy ilmi, että dipoliantennin muoto on taitettu takaisin itseensä. Taitetussa dipoliantennissa kaksi puoliaaltodipolia – toinen yhtenäinen ja toinen keskeltä jaettu – taitetaan ja liitetään yhteen rinnakkain päissä. Jaettua dipolia syötetään keskeltä tasapainotetulla siirtojohdolla. Näin ollen molemmilla dipoleilla on samat jännitteet päissään ja niissä syntyy kaksi identtistä virtaa.

Taitetun dipolin säteilykuvio on sama kuin tavallisella dipolilla, mutta taitetun dipolin tuloimpedanssi on suurempi ja taitetun dipolin suuntaavuus on kaksisuuntainen.

Kaksijohtiminen taitettu dipoliantenni

Jos kaksi dipoliantennia kytketään rinnakkain muodostaen ohuen lankasilmukan, sitä kutsutaan kaksijohtimiseksi taitetuksi dipoliantenniksi.

Jos molempien johtimien säteet ovat yhtä suuret, molemmissa johtimissa kulkevat samansuuntaiset virrat, ts, virrat ovat suuruudeltaan ja vaiheeltaan yhtä suuria. Jos päätelaitteeseen syötetty kokonaisvirta on ’I’, jokaisessa dipolissa on virta ’I/2’. Näin ollen samalla syötetyllä teholla vain puolet virrasta virtaa ensimmäisessä dipolissa, ja näin ollen tuloimpedanssi kasvaa ja siitä tulee nelinkertainen. Taitettu dipoliantenni on esitetty alla olevassa kuvassa.

Yleinen kaava impedanssin laskemiseksi taitetulle dipolille saadaan,

Jossa, n = nro. antennilangan

Siten kaksijohtimiselle taitetulle dipolille, jonka säde on yhtä suuri, tuloimpedanssi tai säteilyresistanssi saadaan

Siten kaksijohtiminen taitettu dipoli voidaan syöttää tavanomaisella 300 Ω:n avojohtimisella siirtojohdolla ilman sovituslaitetta.

Kolmijohtiminen taitettu dipoliantenni (Folded Tripole)

Jos kolme dipoliantennia kytketään rinnakkain muodostaen ohuen lankasilmukan, sitä kutsutaan kolmijohtimiseksi taitetuksi dipoliantenniksi tai Folded Tripole -antenniksi.

Jos kolmijohtimisia taitettuja dipoliantenneja käytetään yhtä suurilla sädehalkaisijoilla, kaikissa kolmessa johtimessa kulkee yhtä suuri virta. Jos päätelaitteeseen syötetty kokonaisvirta on ’I’, niin jokaisessa dipolissa kulkee virta ’I/3’.

Siten samalla käytetyllä teholla ensimmäisessä dipolissa virtaa vain kolmasosa koko säteilevästä virrasta, ja näin ollen tuloimpedanssi kasvaa ja siitä tulee yhdeksänkertainen. Taitettu dipoliantenni on esitetty alla olevassa kuvassa.

Kolmejohtimiselle taitetulle dipolille, jonka säde on yhtä suuri, tuloimpedanssi tai säteilyresistanssi saadaan

Siten kolmijohtimista taittodipolia tai taittodipolia voidaan syöttää tavanomaisella 600 Ω:n kaksijohtimisella avoimella siirtojohdolla ilman sovituslaitteita.

Siten taitetulla dipoliantennilla tai tripoliantennilla on tärkeät impedanssin muunnosominaisuudet. Tämä tekee siitä helpon sovittaa siirtojohdon kanssa, joka syöttää antennia. Tuloimpedanssia on myös mahdollista muuttaa pitämällä kahden dipolin säteet epätasaisina. Tällöin paksumman dipolin läpi kulkee suurempi virta, ja näin voidaan säilyttää mikä tahansa haluttu tuloimpedanssi.

Taitetun dipoliantennin edut

Joitakin taitetun dipoliantennin etuja ovat:

1. Sen tuloimpedanssi on suuri, joten se on helppo sovittaa siirtojohtoon.
2. Sen taajuus on laajakaistainen, ts, laaja kaistanleveys, joten se soveltuu FM- ja TV-lähetyksiin.
3. Seellä on suuri vahvistus ja suuri suuntaavuus verrattuna yksinkertaiseen dipoliantenniin, joten sitä voidaan käyttää Yagi-Uda-antennissa.

FM-dipoliantenni

FM-dipoliantenni määritellään pystysuoraan polarisoiduksi puoliaaltopuolidipoliantenniksi. FM-dipoliantennia käytetään useimmiten, koska se on helppo rakentaa ja se soveltuu parantamaan VHF FM-lähetysten vastaanottoa. FM-dipoliantenni on esitetty alla olevassa kuvassa.

FM-dipoliantennin säteilykuvio on kohtisuorassa antennin akseliin nähden eli se on vaakasuora, koska FM-dipoliantenni on pystysuoraan polarisoitu puoliaaltodipoliantenni. FM-dipoliantennin säteilykuvio on esitetty alla olevassa kuvassa.

FM-dipoliantennia käytetään yleensä FM-yleisradiolähetysten taajuusalueella 88 MHz-108 MHZ.

Viuhkadipoliantenni

Viuhkadipoli tai monikaistainen lanka-antenni on antenni, jossa useat dipolit on kytketty yhteiseen syöttöjohtoon ja ne ovat levittäytyneet viuhkan tavoin, joten sitä kutsutaan viuhkadipoliantenniksi.

Nimensä mukaisesti viuhkadipoliantennin muoto näyttää viuhkalta. Se tunnetaan myös nimellä Rinnakkaisdipoliantenni.

Tuulettimen dipoliantennissa jokainen monikaistaisen dipoli leikataan kaistojen keskeltä ja liitetään yhteiseen syöttöjohtoon. Dipoli on leikattava sieltä, mistä haluamme sen säteilevän. Kun signaali lähetetään, vastaanotamme signaalin vain siltä kaistalta, joka säteilee, koska muilla dipoleilla on korkeampi impedanssi verrattuna tuohon säteilevään elementtiin.

Viuhkadipoliantenni on esitetty yllä olevassa kuvassa. Se on 4 kaistan viuhkadipoliantenni. Tässä käytettiin 80 m, 40 m, 20 m ja 10 m monikaistadipoleja, jotka on kytketty rinnakkain yhteisen syöttöjohdon kanssa.

Kun 80 m:n dipoli säteilee, se tarkoittaa, että virta kulkee 80 m:n dipolien läpi, tässä tilassa vastaanotamme signaalin vain 80 m:n kaistoilta, koska sillä on matalampi impedanssi, kun taas muilla 40 m:n, 20 m:n ja 10 m:n kaistoilla on korkeampi impedanssi verrattuna 80 m:n säteilevään elementtiin.

Vastaavasti kun 40 m:n dipoli säteilee, vastaanotamme signaalin vain 40 m:n kaistoilta, koska sen impedanssi on alhaisempi verrattuna muihin dipoleihin. Huomaa, että Kirchhoffin virtalain mukaan myös muut dipolit säteilevät, mutta eivät tehokkaasti.

Puoliaaltodipoliantenni

Puoliaaltodipoliantenni on yleisimmin käytetty dipoliantennityyppi. Kuten nimestä voi päätellä, dipoliantennin kokonaispituus on yhtä suuri kuin puoli-aallonpituus () toimintataajuudella.

Se tunnetaan nimellä puoli-aallonpituusdipoli tai yksinkertaisesti dipoli tai dubletti. Se tunnetaan myös nimellä Hertz-antenni.

Puoliaaltodipoliantenni koostuu kahden neljäsosan aallonpituuden mittaisesta johtimesta, jonka syöttöpiste on keskellä. Se on symmetrinen antenni, jonka molemmat päät ovat samassa potentiaalissa keskipisteen kanssa.

Virtajakauma puoliaaltodipoliantennissa on suunnilleen sinimuotoinen dipolin pituussuunnassa eli luonteeltaan seisova aalto. Puoliaaltodipolin perusantenni sekä jännitteen ja virran jakautuminen siihen on esitetty alla olevassa kuvassa.

Puoliaaltodipolin säteilykuvio on esitetty alla olevassa kuvassa. Siitä käy ilmi, että suurimman säteilyn suunnat ovat kohtisuorassa johtimeen tai antennin akseliin nähden. Se on myös kohtisuorassa antennivirran suuntaa vastaan.

Puoliaaltodipoliantenni voi toimia noin 3 kHz:n ja 300 GHz:n välisellä taajuusalueella, joten sitä käytetään useimmiten radiovastaanottimissa.

Lyhyt dipoliantenni

Lyhyt dipoliantenni on kaikista antenneista yksinkertaisin antennityyppi. Lyhyt dipoliantenni on sellainen, jossa johdon pituus on alle puolet aallonpituudesta eli().

Lyhyessä dipoliantennissa syöttöimpedanssi alkaa kasvaa ja sen vaste on vähemmän riippuvainen taajuuden muutoksista. Virtajakauma lyhyessä dipoliantennissa on suunnilleen kolmionmuotoinen.

Lyhyen dipoliantennin pituus välillä – . eli . Virtajakauma lyhyessä dipoliantennissa on suunnilleen kolmiomainen. Lyhyen dipolin perusantenni ja virran jakautuminen siihen on esitetty alla olevassa kuvassa.

Lyhyen dipoliantennin säteilykuvio on yksinkertaisesti ympyrä. Se on hieman erilainen verrattuna puoliaaltodipoliantenniin. Lyhyen dipoliantennin säteilykuvio ja sen vertailu puoliaaltodipoliantenniin on esitetty alla olevassa kuvassa.

Lyhyttä dipoliantennia käytetään täydellisen puoliaaltodipoliantennin sijasta tietyissä sovelluksissa, joissa täysi puoliaaltodipoliantenni on liian suuri.

Mihin dipoliantennia käytetään (sovellukset)?

Joitakin dipoliantennin sovelluksia ovat:

• Dipoliantennia käytetään laajalti radio- ja tietoliikenteessä.
• Antennia voidaan käyttää joko lähetysantennina tai vastaanottoantennina. Lähetysantennia käytetään muuntamaan sähköiset signaalit sähkömagneettisiksi aalloiksi ja säteilemään niitä. Vastaanottoantennia taas käytetään muuntamaan sähkömagneettiset aallot sähköisiksi signaaleiksi. Kaksisuuntaisessa viestinnässä samaa dipoliantennia voidaan käyttää sekä lähetykseen että vastaanottoon.
• Puoliaaltodipoliantennia käytetään radio- ja televisiovastaanottimissa.
• Taivutettua dipoliantennia käytetään Yagi-Uda-antenneissa maanpäällisen television (TV) vastaanotossa käyttäen symmetristä linjaa Z0 = 300 Ω, koska taitetulla dipoliantennilla on korkea tuloimpedanssi ja näin ollen se on helposti sovitettavissa lähetysjohdon impedanssiin.
• Taivutettua dipoliantennia käytetään leveäkaistatoiminnoissa, kuten FM- ja televisiolähetyksissä (TV).
• VHF- ja UHF-antenneja käytetään liikkuvassa maaviestinnässä rannikkoalueilla, yleisessä turvallisuudessa, julkisessa viestinnässä ja teollisuussovelluksissa.
• FM-dipoliantennia käytetään FM-lähetysten vastaanottoantennina FM-lähetyskaistalla 88-108 MHz.
• Parabolinen heijastinantenni on yleisesti käytössä satelliittiviestinnässä, radiotähtitieteessä ja erityyppisissä radioviestintälinkeissä.