Dipolos antenna: Mi az? (És az antennatípusok)

Mi az a dipólusantenna?

A dipólantennát (más néven dublett vagy dipólantennát) az RF (rádiófrekvenciás) antennák olyan típusaként határozzák meg, amely két vezető elemből, például rúdból vagy huzalból áll. A dipólus az antennák azon fajtáinak bármelyike, amelyek egy elemi elektromos dipólus sugárzási mintázatát közelítik meg. A dipólusantennák a legegyszerűbb és legszélesebb körben használt antennatípusok.

A “dipólus” jelentése “két pólus”, ezért a dipólusantenna két azonos vezető elemből, például rúdból vagy fémhuzalból áll. A fémhuzalok hossza körülbelül a működési frekvencián a szabad térben a maximális hullámhossz felének (azaz ) felel meg.

Ezt a huzalt vagy rudat középen kettéválasztják, és a két szakaszt szigetelőanyag választja el egymástól, ezeket a szakaszokat nevezzük antennaszakasznak.

Ezt a két antennaszakaszt az antenna középpontjához legközelebbi végén egy tápláló vagy koaxiális kábelhez csatlakoztatják. Megjegyezzük, hogy a hullámhossz a két egymást követő maximális vagy minimális pont közötti távolság. Az alapvető dipólantenna a középső betáplálási ponttal az alábbi ábrán látható.

A rádiófrekvenciás (RF) feszültségforrás a dipólusantenna két szakasza közötti középre kerül. Ez a feszültség és a két vezető elemen átfolyó áram egy rádiójelet vagy elektromágneses hullámot hoz létre, amelyet az antenna kifelé sugároz.

A dipólantenna középpontjánál az áram maximális, a feszültség pedig minimális. Ezzel szemben a dipólusantenna végeinél az áram minimális, a feszültség pedig maximális.

Az alap dipólusantenna sugárzási mintázata az alábbi ábrán látható. Ez merőleges az antenna tengelyére.

Megjegyezzük, hogy a sugárzási minta az antennák sugárzási tulajdonságainak grafikus ábrázolása a tér függvényében, azaz, az antenna sugárzási mintázata leírja, hogy az antenna hogyan sugározza ki az energiát a térbe.

A dipólusantenna az átalakítók egyik típusa, amely az elektromos jeleket RF elektromágneses hullámokká alakítja és kisugározza az adóoldalon, az RF elektromágneses hullámokat pedig elektromos jelekké alakítja a vevőoldalon.

Dipólusantenna tervezése

Számos dipólusantennát tervezhetünk, amelyek a rádiófrekvenciás spektrum HF (nagyfrekvenciás), VHF (nagyon nagyfrekvenciás) és UHF (ultramagas frekvenciájú) sávjaiban működnek.

Tervezzünk egy 1 MHZ-es dipólusantennát.

A dipólusantenna hosszának kiválasztása

Amint tudjuk, hogy a rádióhullám vagy bármely más hullám hullám hullámhossza fordítottan arányosan változik a frekvenciával. Ez a következővel adódik:

(1)

Ahol, C = fénysebesség =

f = frekvencia, Hertzben

= hullámhossz, méterben

Így,

(2)

Most, fél hullámhosszon, az antenna hossza a következő,

(3)

Így a (3) egyenletből azt mondhatjuk, hogy ha 1 MHz-es rádióadót használunk, akkor az antennadrót alaphossza 150 méter vagy 492 láb vagy 5905 hüvelyk lesz.

Ez akkor helyes, ha elhanyagoljuk a “véghatást”. Ez a “véghatás” az antenna végén lévő levegő dielektromos hatása, amely növeli az antenna effektív hosszát. A véghatás miatt egy antennadrót 5%-kal hosszabbnak hat, mint a tényleges hossza. Ez interferenciát okoz a gerjesztő és a rezgő áram között, és emiatt a rezgés amplitúdója gyengülhet.

Ezért a “véghatás” ellensúlyozására és az antenna megfelelő működéséhez az antennadrótot körülbelül 5%-ra kell vágni, és a fizikai hossza körülbelül a hullámhossz felének 95%-a lesz.

Az antennadrót gyakorlati hosszának kiszámításához tehát az értéket meg kell szorozni az antennadrót alaphosszának K tényezőjével, azaz,

(4)

A K értéke a vezeték vastagságától és a működési frekvenciától függ. Ez a K érték 30 MHz-ig terjedő frekvenciájú antennavezeték esetén pontos.

A tápimpedancia vagy sugárzási ellenállás kiválasztása

A dipólus tápimpedanciáját a táppontban a feszültség és az áram aránya határozza meg. Jellemzően a feszültségminimum és az árammaximum pontján táplálják.

A táp, illetve a forrás/teher maximális energiaátvitelének biztosítása érdekében a dipólusantenna tápimpedanciájának meg kell egyeznie a forrás vagy a terhelés impedanciájával. A tápfeszültség impedanciájának a forrás vagy a terhelés impedanciájához való illesztésével az antenna maximális hatékonysággal működhet.

A szabad térben lévő ideális dipólantenna sugárzási ellenállása vagy bemeneti tápfeszültség impedanciája megközelítőleg 73 Ω impedanciával modellezhető, és gyakorlati körülmények között 60 Ω és 70 Ω között változik. Az antenna impedanciája a vezetékek hosszának vagy alakjának változtatásával változtatható.

A koaxiális kábelek számos típusának jellemző impedanciája 75 Ω, ezért a dipólusantennát 75 Ω kéthuzalú koaxiális kábellel lehet táplálni, amely jól illeszkedik a félhullámú dipólusantennához.

A félhullámú dipól szintén táplálható 300 Ω impedanciájú átviteli vonallal, és 600 Ω impedanciájú nyílt huzalú vezetékkel, hajtogatott dipólusokkal a teljesítménykezelési képességeknek megfelelően.

Szimmetrikus táp vagy balun használata

A dipólantenna a szimmetrikus antenna. Ennélfogva szimmetrikus táplálót kell használni. A szimmetrikus táp két párhuzamos vezetőből áll. A két vezetőben áramló áram nagysága azonos, de ellentétes irányú. Ennélfogva a belőlük származó sugárzó mező kiegyenlítődik, és nem disszipálódik teljesítmény. A vezetők közötti távolságot általában 0,01 hullámhosszon tartják. Ha koaxiális tápfeszültséget kell használni, akkor a szimmetrikus szimmetriát kell használni.

Koaxiális kábel

A leggyakoribb tápfeszültség, amelyet az antenna táplálására használnak, a koaxiális kábel vagy koaxkábel. Gyakran RF-kábelnek is nevezik.

A koaxiális kábel mindkét vezetőben áramot vezet. Ezek az áramok azonos nagyságúak, de ellentétes irányúak. Emiatt az összes sugárzó mező összekapcsolódik a kábelen belül, és így kioltják egymást.

Ezért a kábelen kívül nincs sugárzó mező, így azt nem befolyásolják a közeli tárgyak. Ezért a legjobban alkalmas a dipólusantenna táplálására.

Szorítószigetelő

A szorítószigetelő olyan elektromos szigetelő, amelyet úgy terveztek, hogy ellenálljon a felfüggesztett elektromos kábel vagy vezeték húzásának.

A vezető vezeték két darabja közé helyezik, hogy elektromosan elszigetelje őket egymástól. Elektromos légvezetékben használják, rádióantennák és légvezetékek tartására.

Az 1 MHz-es dipólusantenna általános kialakítását az alábbi ábra mutatja.

A dipólusantennák típusai

A dipólusantennák leggyakoribb típusai a félhullámú dipólusantennák. Sokféle dipólantennát lehet tervezni. Részletesen ismertetjük a dipólantennák főbb típusait.

Összehajtott dipólantenna

A hajtogatott dipólantenna a kétdipólusú antenna tömbje. Ha két dipólantennát párhuzamosan csatlakoztatunk, hogy egy vékony dróthurkot képezzenek, akkor összehajtott dipólantennának nevezzük.

Amint a neve is mutatja, a dipólantenna formája önmagára visszahajtott. A hajtogatott dipólantennában két félhullámú dipólust – az egyik folyamatos, a másik középen osztott – hajtogatnak, és a végeken párhuzamosan csatlakoznak egymáshoz. Az osztott dipólust a középpontban egy szimmetrikus átviteli vezeték táplálja. Ezért a két dipólus végein azonos feszültségek vannak, és két azonos áram keletkezik.

A hajtogatott dipólus sugárzási mintázata megegyezik a közönséges dipóluséval, de a hajtogatott dipólus bemeneti impedanciája magasabb, és a hajtogatott dipólus irányíthatósága kétirányú.

Kétvezetékes hajtogatott dipólus antenna

Ha két dipólusantennát párhuzamosan csatlakoztatunk, hogy vékony huzalhurkot alkossanak, akkor azt kétvezetékes hajtogatott dipólus antennaként ismerjük.

Ha mindkét vezető sugara egyenlő, akkor mindkét vezetőben azonos irányban azonos áram folyik, ill, az áramok nagysága és fázisa megegyezik. Ha a kapocsra táplált teljes áram “I”, akkor minden egyes dipóluson “I/2” áram folyik. Így azonos teljesítmény mellett az áramnak csak a fele folyik az első dipólusban, és így a bemeneti impedancia megnő, és négyszeres lesz. A hajtogatott dipólus antenna az alábbi ábrán látható.

A hajtogatott dipólus impedancia számításának általános képlete a következő,

Hol, n = no. az antennadrótok

Így egy kéthuzalú, egyenlő sugarú hajtogatott dipólus esetében a bemeneti impedancia vagy sugárzási ellenállás a következő:

Ezért a kéthuzalú hajtogatott dipólus egy hagyományos 300 Ω-os nyíltvezetékes átviteli vonallal táplálható mindenféle illesztési eszköz nélkül.

Háromhuzalos hajtogatott dipólusantenna (hajtogatott tripólus)

Ha három dipólantennát párhuzamosan kapcsolunk össze egy vékony huzalhurok kialakítására, akkor azt háromhuzalos hajtogatott dipólusantennának vagy hajtogatott tripólusantennának nevezzük.

Ha háromhuzalos hajtogatott dipólusantennát használunk egyenlő sugarakkal, akkor mindhárom vezetőben egyenlő áram folyik. Ha a terminálon táplált teljes áram “I”, akkor minden egyes dipólusban “I/3” áram folyik.

Így azonos teljesítmény mellett az első dipólusban a teljes sugárzó áramnak csak egyharmada folyik, és így a bemeneti impedancia megnő, és kilencszeres lesz. A hajtogatott dipólusantenna az alábbi ábrán látható.

Egy háromhuzalos, azonos sugarú hajtogatott dipólus esetén tehát a bemeneti impedancia vagy sugárzási ellenállás a következő:

Ezért a háromhuzalos hajtogatott dipólus vagy hajtogatott tripólus bármilyen illesztőeszköz nélkül táplálható hagyományos 600 Ω-os kéthuzalos nyílt átviteli vonallal.

Az összehajtott dipólus antenna vagy tripólus antenna tehát fontos impedancia-átalakító tulajdonságokkal rendelkezik. Ez megkönnyíti az antennát tápláló átviteli vonallal való illesztést. A bemeneti impedancia megváltoztatása is lehetséges a két dipólus sugarának egyenlőtlen tartásával. Ebben az állapotban nagyobb áram folyik át a vastagabb dipóluson, és így bármilyen kívánt bemeneti impedanciát fenntarthatunk.

A hajtogatott dipólus antenna előnyei

A hajtogatott dipólus antenna néhány előnye a következő:

1. Nagy bemeneti impedanciával rendelkezik; ezért könnyen illeszthető az átviteli vonallal.
2. Széles sávú frekvenciával rendelkezik, azaz, széles sávszélességgel rendelkezik, ezért alkalmas FM és TV műsorszóráshoz.
3. Nagy nyereséggel és nagy irányíthatósággal rendelkezik az egyszerű dipólus antennához képest, ezért használható a Yagi-Uda antennában.

FM dipólus antenna

Az FM dipólus antennát függőlegesen polarizált félhullámú fél dipólus antennak nevezzük. Az FM-dipólusantennát többnyire azért használják, mert könnyű megépíteni, és alkalmas a VHF FM-adások jobb vételére. Az FM-dipol antenna az alábbi ábrán látható.

Az FM-dipol antenna sugárzási mintázata merőleges az antenna tengelyére, azaz vízszintes, mivel az FM-dipol antenna egy függőlegesen polarizált félhullámú dipol antenna. Az FM-dipol antenna sugárzási mintázata az alábbi ábrán látható.

Az FM-dipol antennát általában a 88 MHz és 108 MHZ közötti FM műsorszórási frekvenciatartományban használják.

Fan Dipole Antenna

A Fan dipól vagy Multi-band wire antenna olyan antenna, amelyben több dipólus van összekötve egy közös tápvezetékkel, és ezek legyezőszerűen szétterülnek, ezért nevezik legyező dipól antennának.

Amint a neve is mutatja, a fan dipól antenna formája úgy néz ki, mint egy legyező. Párhuzamos dipólantennának is nevezik.

A legyező dipólantennában a többsávos dipólus minden egyes dipólusát a sávok közepéből vágják ki, és egy közös tápvezetékhez csatlakoztatják. A dipólust onnan kell levágni, ahonnan sugározni szeretnénk. Amikor a jelet továbbítjuk, csak annak a sávnak a jelét kapjuk, amelyik sugárzik, mert a többi dipólusnak nagyobb az impedanciája ahhoz a sugárzó elemhez képest.

A legyező-dipólus antennát a fenti ábra mutatja. Ez egy 4 sávos legyező dipólus antenna. Itt 80 m, 40 m, 20 m és 10 m többsávos dipólust használtunk, amelyek párhuzamosan vannak összekötve egy közös tápvezetékkel.

Mikor a 80 m-es dipólus sugároz, az áram a 80 m-es dipóluson halad át, ebben az állapotban csak a 80 m-es sávokból kapunk jelet, mert ennek alacsonyabb az impedanciája, míg a többi 40 m-es, 20 m-es és 10 m-es sávnak magasabb az impedanciája a 80 m-es sugárzó elemhez képest.

Hasonlóképpen, amikor a 40 m-es dipólus sugároz, csak a 40 m-es sávokból kapjuk a jelet, mert a többi dipólushoz képest alacsonyabb impedanciával rendelkezik. Vegyük észre, hogy a Kirchhoff-féle áramtörvény szerint a többi dipólus is sugároz, de nem hatékonyan.

Félhullámú dipólus antenna

A félhullámú dipólus antenna a legszélesebb körben használt dipólus antennatípus. Mint a neve is mutatja, hogy a dipólantenna teljes hossza megegyezik a működési frekvencia félhullámhosszával ().

Félhullámhosszú dipólnak vagy egyszerűen csak dipólnak vagy dublettnek nevezik. Hertz-antennának is nevezik.

A félhullámú dipólantenna egy kétnegyed hullámhosszúságú vezetőből áll, amelynek a táplálási pontja a középpontban van. Ez az a szimmetrikus antenna, amelyben a két vége a középponthoz képest azonos potenciálon van.

A félhullámú dipólantennában az árameloszlás a dipólus hossza mentén megközelítőleg szinuszos, azaz természeténél fogva állóhullám. Az alábbi ábrán látható az alap félhullámú dipólusantenna és a rajta lévő feszültség- és árameloszlás.

A félhullámú dipólusantenna sugárzási mintázata az alábbi ábrán látható. Látható, hogy a maximális sugárzás irányai merőlegesek a vezetőre vagy az antenna tengelyére. Az antennaáram irányára is merőleges.

A félhullámú dipólantenna 3 kHz és 300 GHz közötti frekvenciatartományban képes működni; ezért leginkább rádióvevőkben használják.

Rövid dipólusantenna

A rövid dipólusantenna a legegyszerűbb antennatípus az összes antenna közül. A rövid dipólusú antenna olyan antenna, amelyben a vezeték hossza kevesebb, mint a hullámhossz fele, azaz().

A rövid dipólusú antennában a tápimpedancia kezd növekedni, és a válasza kevésbé függ a frekvencia változásától. A rövid dipólusú antennában az árameloszlás megközelítőleg háromszög alakú.

A rövid dipólusú antenna hossza és között van, azaz . A rövid dipólusantennán az árameloszlás megközelítőleg háromszög alakú. Az alapvető rövid dipólusantenna és a rajta lévő árameloszlás az alábbi ábrán látható.

A rövid dipólusantenna sugárzási mintázata egyszerűen egy kör. Ez némileg eltér a félhullámú dipólusantennához képest. A rövid dipólusantenna sugárzási mintázata és összehasonlítása a félhullámú dipólusantennával az alábbi ábrán látható.

A rövid dipólantennát a teljes félhullámú dipólantenna helyett használják bizonyos alkalmazásokban, ahol a teljes félhullámú dipólantenna túl nagy.

Mire használják a dipólusantennát (alkalmazások)?

A dipólusantenna néhány alkalmazási területe:

• A dipólusantennát széles körben használják a rádió- és távközlésben.
• Az antenna használható adó- vagy vevőantennaként is. Az adóantennát az elektromos jelek elektromágneses hullámokká történő átalakítására és kisugárzására használják. Míg a vevőantennát arra használják, hogy az elektromágneses hullámokat elektromos jelekké alakítsa át. A kétirányú kommunikációban ugyanaz a dipólusantenna használható adásra és vételre is.
• A félhullámú dipólusantennát a rádió- és televízió-vevőkészülékekben használják.
• A hajtogatott dipólantennát a Yagi-Uda antennákban használják a földfelszíni televíziós (TV) vételhez a Z0 = 300 Ω szimmetrikus vezeték használatával, mivel a hajtogatott dipólantennának nagy bemeneti impedanciája van, és ezért könnyen illeszkedik az átviteli vezeték impedanciájához.
• A hajtogatott dipólantennát széles sávú műveletekben használják, például FM és TV (televíziós) adásokban.
• A VHF és UHF antennákat a szárazföldi mobil kommunikációban használják a tengerparti területeken, a közbiztonságban, a nyilvános kommunikációban és az ipari alkalmazásokban.
• A FM dipólus antennát FM műsorszóró-vevő antennaként használják a 88 MHz és 108 MHz közötti FM-sávban.
• A parabolikus reflektor antennát általában műholdas kommunikációhoz, rádiócsillagászathoz és különböző típusú rádiós kommunikációs kapcsolatokhoz használják.

A parabolikus reflektor antennát általában műholdas kommunikációhoz, rádiócsillagászathoz és különböző típusú rádiós kommunikációs kapcsolatokhoz használják.