Antenna a dipolo: Che cos’è? (E i Tipi di Antenne)

Cos’è un’Antenna Dipolo?

Un’antenna a dipolo (nota anche come doppietta o antenna a dipolo) è definita come un tipo di antenna RF (Radio Frequenza), costituita da due elementi conduttori come aste o fili. Il dipolo è una qualsiasi delle varietà di antenne che producono un modello di radiazione che approssima quello di un dipolo elettrico elementare. Le antenne a dipolo sono il tipo di antenna più semplice e più utilizzato.

Un ‘dipolo’ significa ‘due poli’, quindi l’antenna a dipolo è costituito da due elementi conduttivi identici come aste o fili metallici. La lunghezza dei fili metallici è circa la metà della lunghezza d’onda massima (cioè ) nello spazio libero alla frequenza di funzionamento.

Questo filo o asta è diviso al centro, e le due sezioni sono separate da un isolante, queste sezioni sono note come una sezione d’antenna.

Queste due sezioni d’antenna sono collegate ad un alimentatore o cavo coassiale all’estremità più vicina al centro dell’antenna. Si noti che la lunghezza d’onda è la distanza tra due punti massimi o minimi consecutivi. L’antenna a dipolo di base con il punto di alimentazione centrale è mostrato nella figura qui sotto.

La sorgente di tensione a radiofrequenza (RF) è applicata al centro tra le due sezioni dell’antenna dipolo. Questa tensione e una corrente che scorre attraverso i due elementi conduttivi producono un segnale radio o un’onda elettromagnetica da irradiare verso l’esterno dell’antenna.

La corrente è massima e la tensione è minima al centro dell’antenna a dipolo. Al contrario, la corrente è minima e la tensione è massima alle estremità dell’antenna a dipolo.

Il modello di radiazione dell’antenna a dipolo di base è mostrato nella figura sottostante. È perpendicolare all’asse dell’antenna.

Nota che il modello di radiazione è la rappresentazione grafica delle proprietà di radiazione delle antenne in funzione dello spazio cioè, il modello di radiazione dell’antenna descrive come l’antenna irradia energia nello spazio.

L’antenna dipolo è un tipo di trasduttore che converte segnali elettrici in onde elettromagnetiche RF e le irradia sul lato trasmittente e converte le onde elettromagnetiche RF in segnali elettrici sul lato ricevente.

Progettazione di antenne a dipolo

Possiamo progettare molte antenne a dipolo che opereranno sulle bande HF (alta frequenza), VHF (altissima frequenza) e UHF (altissima frequenza) dello spettro delle frequenze radio.

Scelta della lunghezza dell’antenna dipolo

Come sappiamo la lunghezza d’onda di un’onda radio o di qualsiasi altra onda varia in modo inversamente proporzionale alla frequenza. è data da:

(1)

dove, C = velocità della luce =

f = frequenza, in Hertz

= lunghezza d’onda, in metri

Quindi,

(2)

Ora, a metà lunghezza d’onda, la lunghezza dell’antenna è data da,

(3)

Quindi, dall’equazione (3) possiamo dire che, se abbiamo usato un trasmettitore radio da 1 MHz, allora la lunghezza base del filo dell’antenna sarà 150 metri o 492 piedi o 5905 pollici.

Questo è corretto se trascuriamo l'”effetto finale”. Questo “effetto finale” è l’effetto dielettrico dell’aria all’estremità dell’antenna che aumenta la lunghezza effettiva dell’antenna. A causa dell’effetto finale, un filo d’antenna si comporta come un 5% più lungo della lunghezza reale. Questo produrrà un’interferenza tra le correnti eccitanti e oscillanti e a causa di ciò l’ampiezza dell’oscillazione può essere indebolita.

Quindi, per controbilanciare l'”effetto finale” e per far funzionare correttamente l’antenna, è necessario tagliare il filo dell’antenna circa al 5% e rende la sua lunghezza fisica circa il 95% della metà della lunghezza d’onda.

Quindi, per ottenere la lunghezza pratica del filo dell’antenna, il valore moltiplicato per un fattore K alla lunghezza base del filo dell’antenna, cioè,

(4)

Il valore di K dipende dallo spessore del conduttore e dalla frequenza operativa. Questo valore di K è accurato per il filo d’antenna ad una frequenza fino a 30 MHz.

Selezione dell’impedenza di alimentazione o resistenza di radiazione

L’impedenza di alimentazione di un dipolo è definita dal rapporto tra la tensione e la corrente al punto di alimentazione. E’ tipicamente alimentato nel punto di minima tensione e massima corrente.

Per assicurare il massimo trasferimento di energia dall’alimentatore, o dalla sorgente/carico, l’impedenza di alimentazione dell’antenna a dipolo dovrebbe essere uguale a quella della sorgente o del carico. Facendo corrispondere l’impedenza di alimentazione a quella della sorgente o del carico, l’antenna può funzionare alla sua massima efficienza.

La resistenza di radiazione o un’impedenza di alimentazione in ingresso di un’antenna a dipolo ideale nello spazio libero può essere approssimativamente modellata da un’impedenza di 73 Ω e in condizioni pratiche varia da 60 Ω a 70 Ω. L’impedenza dell’antenna può essere modificata variando la lunghezza o la forma dei fili.

Molti tipi di cavo coassiale hanno un’impedenza caratteristica di 75 Ω quindi, l’antenna a dipolo può essere alimentata con un cavo coassiale di 75 Ω a due fili che è una buona corrispondenza per un’antenna a dipolo a mezz’onda.

Inoltre, il dipolo a semionda può essere alimentato con una linea di trasmissione di impedenze 300 Ω e 600 Ω a filo aperto con dipoli piegati secondo le capacità di gestione della potenza.

Utilizzare un alimentatore bilanciato o un balun

L’antenna a dipolo è un’antenna bilanciata. Quindi, è necessario utilizzare un alimentatore bilanciato. Un alimentatore bilanciato consiste in due conduttori paralleli. Le correnti che scorrono in entrambi i conduttori sono uguali in grandezza ma in direzioni opposte. Quindi, il campo radiante da loro si annulla e nessuna potenza dissipata. La distanza tra i conduttori è normalmente mantenuta a circa 0,01 lunghezze d’onda. Se è necessario utilizzare un alimentatore coassiale, allora deve essere utilizzato il balun bilanciato.

Cavo coassiale

L’alimentatore più comune che viene utilizzato per alimentare l’antenna è il cavo coassiale o cavo coassiale. Viene spesso chiamato cavo RF.

Un cavo coassiale porta corrente in entrambi i conduttori. Queste correnti sono uguali in grandezza ma in direzioni opposte. A causa di ciò, tutti i campi radianti sono collegati all’interno del cavo e quindi si annullano a vicenda.

Quindi, non c’è nessun campo radiante all’esterno del cavo, quindi non è influenzato da oggetti vicini. Pertanto, è più adatto come alimentatore per l’antenna a dipolo.

Isolatore di tensione

Un isolatore di tensione è un isolante elettrico che è progettato per resistere alla trazione di un cavo o filo elettrico sospeso.

È inserito tra due lunghezze di filo conduttore, per isolarle elettricamente l’una dall’altra. È usato nel filo elettrico sospeso, per sostenere antenne radio e linee elettriche aeree.

Quindi, il disegno complessivo di un’antenna a dipolo da 1 MHz è mostrato nella figura qui sotto.

Tipi di antenne a dipolo

I tipi più comuni di un’antenna a dipolo sono l’antenna a dipolo a mezz’onda. Ci sono molti tipi di antenne a dipolo può essere progettato. Spieghiamo i principali tipi di antenne a dipolo in dettaglio.

Antenna a dipolo piegata

Un’antenna a dipolo piegata è un array dell’antenna a due dipoli. Se due antenne a dipolo sono collegate in parallelo per formare un anello di filo sottile, allora si chiama un’antenna a dipolo ripiegato.

Come il nome implica che la forma dell’antenna a dipolo è ripiegata su se stessa. Nell’antenna a dipolo ripiegato, due dipoli a semionda – uno continuo e l’altro diviso al centro sono piegati e uniti in parallelo alle estremità. Il dipolo diviso è alimentato al centro da una linea di trasmissione bilanciata. Quindi, i due dipoli hanno le stesse tensioni alle loro estremità e due correnti identiche sono generate.

Il modello di radiazione di un dipolo piegato è lo stesso di un dipolo ordinario, ma l’impedenza di ingresso del dipolo piegato è più alta e la direttività di un dipolo piegato è bidirezionale.

Antenna a dipolo ripiegato a due fili

Se due antenne a dipolo sono collegate in parallelo per formare un anello di filo sottile, allora è noto come antenna a dipolo ripiegato a due fili.

Se il raggio di entrambi i conduttori è uguale, allora le correnti uguali scorrono in entrambi i conduttori nella stessa direzione cioè, le correnti sono uguali in ampiezza e fase. Se la corrente totale alimentata al terminale è ‘I’, allora ogni dipolo avrà corrente ‘I/2’. Così, con la stessa potenza applicata, solo la metà della corrente scorre nel primo dipolo, e quindi l’impedenza d’ingresso aumenta e diventa quattro volte. L’antenna a dipolo ripiegato è mostrata nella figura qui sotto.

La formula generale per il calcolo dell’impedenza di un dipolo ripiegato è data da,

dove, n = no. di fili dell’antenna

Quindi, per un dipolo piegato a due fili con raggio uguale, l’impedenza d’ingresso o resistenza di radiazione è data da

Pertanto, il dipolo piegato a due fili può essere alimentato con una linea di trasmissione convenzionale a filo aperto da 300 Ω senza alcun dispositivo di adattamento.

Antenna a dipolo ripiegato a tre fili (Tripolo ripiegato)

Se tre antenne a dipolo sono collegate in parallelo per formare un anello di filo sottile, allora è nota come antenna a dipolo ripiegato a tre fili o antenna a tripolo ripiegato.

Se vengono usate antenne a dipolo ripiegato a tre fili con raggi uguali, allora la stessa corrente scorre in tutti e tre i conduttori. Se la corrente totale alimentata al terminale è ‘I’, allora ogni dipolo avrà corrente ‘I/3’.

Quindi, con la stessa potenza applicata, solo un terzo della corrente radiante totale scorre nel primo dipolo, e quindi l’impedenza di ingresso aumenta e diventa nove volte. L’antenna a dipolo ripiegato è mostrata nella figura sottostante.

Quindi, per un dipolo ripiegato a tre fili con raggio uguale, l’impedenza d’ingresso o resistenza di radiazione è data da

Pertanto, il dipolo ripiegato a tre fili o il tripolo ripiegato può essere alimentato con una linea di trasmissione aperta convenzionale a due fili da 600 Ω senza alcun dispositivo di adattamento.

Così, l’antenna a dipolo ripiegato o l’antenna tripolare ha un’importante proprietà di trasformazione dell’impedenza. Questo la rende facile da accoppiare con una linea di trasmissione che alimenta l’antenna. È anche possibile cambiare l’impedenza d’ingresso mantenendo il raggio dei due dipoli disuguale. In questa condizione, un flusso di corrente maggiore attraverso un dipolo più spesso e quindi possiamo mantenere qualsiasi impedenza d’ingresso desiderata.

Vantaggi di un’antenna a dipolo piegato

Alcuni dei vantaggi di un’antenna a dipolo piegato includono:

1. Ha un’alta impedenza d’ingresso; quindi lo rende facile da abbinare con la linea di trasmissione.
2. Ha frequenza a banda larga cioè,
3. Ha un alto guadagno e un’alta direttività rispetto a una semplice antenna a dipolo, quindi può essere usata nell’antenna Yagi-Uda.

Antenna a dipolo FM

L’antenna a dipolo FM è definita come un’antenna a mezzo dipolo polarizzata verticalmente a mezza onda. L’antenna a dipolo FM è usata soprattutto perché è facile da costruire ed è adatta a fornire una migliore ricezione della trasmissione FM VHF. L’antenna a dipolo FM è mostrata nella figura qui sotto.

Il diagramma di radiazione dell’antenna a dipolo FM è perpendicolare all’asse dell’antenna, cioè è orizzontale perché l’antenna a dipolo FM è un’antenna a dipolo a semionda polarizzata verticalmente. Il diagramma di radiazione dell’antenna a dipolo FM è mostrato nella figura seguente.

L’antenna dipolo FM è generalmente usata per la gamma di frequenze di trasmissione FM tra 88 MHz e 108 MHZ.

Antenna dipolo a ventaglio

Il dipolo a ventaglio o antenna a filo multibanda è un’antenna in cui più dipoli sono collegati con una linea di alimentazione comune, e sono sparsi come un ventaglio, quindi è chiamata antenna dipolo a ventaglio.

Come suggerisce il nome, la forma dell’antenna dipolo a ventaglio assomiglia ad un ventaglio. È anche conosciuta come antenna a dipolo parallelo.

Nell’antenna a dipolo a ventaglio, ogni dipolo del multibanda è tagliato dal centro delle bande e collegato a un alimentatore comune. Il dipolo dovrebbe essere tagliato da dove vogliamo che irradi. Quando il segnale viene trasmesso, riceviamo solo il segnale da quella banda che sta irradiando, perché gli altri dipoli hanno un’impedenza maggiore rispetto a quell’elemento irradiante.

L’antenna dipolo a ventaglio è mostrata nella figura sopra. Si tratta di un’antenna a dipolo a ventaglio a 4 bande. Qui, abbiamo usato 80 m, 40 m, 20 m, e 10 m dipolo multi-banda che sono collegati in parallelo con una linea di alimentazione comune.

Quando 80 m dipolo è irradiante significa che la corrente passa attraverso 80 m dipoli, in questa condizione, si riceve il segnale solo da 80 m bande perché ha una impedenza inferiore, mentre altri 40 m, 20 m, e 10 m banda hanno una maggiore impedenza rispetto al 80 m elemento radiante.

Similmente, quando il dipolo da 40 m sta irradiando, riceviamo il segnale solo dalle bande da 40 m perché ha un’impedenza inferiore rispetto all’altro dipolo. Si noti che secondo la legge della corrente di Kirchhoff, anche gli altri dipoli stanno irradiando ma non in modo efficiente.

Antenna a dipolo a mezz’onda

L’antenna a dipolo a mezz’onda è il tipo più usato di antenna a dipolo. Come suggerisce il nome, la lunghezza totale dell’antenna a dipolo è uguale alla metà della lunghezza d’onda () alla frequenza di funzionamento.

È conosciuta come un dipolo a metà lunghezza d’onda o semplicemente dipolo o doppietto. È anche conosciuta come antenna di Hertz.

L’antenna dipolo a mezza onda consiste in un conduttore di due quarti d’onda con il punto di alimentazione al centro. È l’antenna simmetrica in cui le due estremità sono al potenziale uguale al punto centrale.

La distribuzione della corrente nell’antenna a dipolo a semionda è approssimativamente sinusoidale lungo la lunghezza del dipolo, cioè un’onda stazionaria in natura. L’antenna dipolo a mezz’onda di base e la distribuzione di tensione e corrente su di essa sono mostrate nella figura seguente.

Lo schema di radiazione dell’antenna dipolo a mezz’onda è mostrato nella figura seguente. Mostra che le direzioni di massima radiazione sono perpendicolari al conduttore o all’asse dell’antenna. È anche perpendicolare alla direzione della corrente dell’antenna.

L’antenna a dipolo a mezz’onda può operare intorno ai 3 kHz a 300 GHz di frequenza; quindi è usata principalmente nei ricevitori radio.

Antenna a dipolo corto

L’antenna a dipolo corto è il tipo di antenna più semplice di tutte le antenne. Un’antenna a dipolo corto è quella in cui la lunghezza del filo è inferiore alla metà della lunghezza d’onda cioè ().

In un’antenna a dipolo corto, l’impedenza di alimentazione inizia ad aumentare e la sua risposta è meno dipendente dai cambiamenti di frequenza. La distribuzione della corrente nell’antenna a dipolo corto è approssimativamente triangolare.

La lunghezza dell’antenna a dipolo corto tra e . cioè, . La distribuzione della corrente sull’antenna a dipolo corto è approssimativamente triangolare. L’antenna a dipolo corto di base e la distribuzione della corrente su di essa sono mostrate nella figura seguente.

Lo schema di radiazione dell’antenna a dipolo corto è semplicemente un cerchio. È leggermente diverso rispetto all’antenna a dipolo a mezz’onda. Il diagramma di radiazione dell’antenna a dipolo corto e il suo confronto con l’antenna a dipolo a mezz’onda è mostrato nella figura seguente.

Un’antenna a dipolo corta viene usata al posto di un’antenna a dipolo a mezz’onda completa in alcune applicazioni dove l’antenna a dipolo a mezz’onda completa è troppo grande.

A cosa serve un’antenna a dipolo (applicazioni)?

Alcune delle applicazioni dell’antenna a dipolo includono:

• L’antenna a dipolo è ampiamente usata nella radio e nelle telecomunicazioni.
• Un’antenna può essere usata sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente. Un’antenna trasmittente è usata per convertire i segnali elettrici in onde elettromagnetiche e irradiarli. Mentre un’antenna ricevente è usata per convertire le onde elettromagnetiche in segnali elettrici. Nella comunicazione bidirezionale, la stessa antenna a dipolo può essere usata sia per la trasmissione che per la ricezione.
• Un’antenna a dipolo a mezz’onda è usata nei ricevitori radio e televisivi.
• Un’antenna a dipolo piegata è usata nelle antenne Yagi-Uda per la ricezione della televisione terrestre (TV) usando la linea bilanciata di Z0 = 300 Ω perché un’antenna a dipolo piegata ha un’alta impedenza d’ingresso e quindi si accorda facilmente con l’impedenza della linea di trasmissione.
• L’antenna a dipolo piegata è usata nelle operazioni a banda larga come la trasmissione FM e TV (Televisione).
• Le antenne VHF e UHF sono usate nella comunicazione mobile terrestre nelle zone costiere, nella sicurezza pubblica, nella comunicazione pubblica e nelle applicazioni industriali.
• L’antenna dipolo FM è usata come antenna di trasmissione-ricezione FM per la banda di trasmissione FM da 88 MHz a 108 MHz.
• Un’antenna a riflettore parabolico è comunemente usata per le comunicazioni satellitari, la radioastronomia e per vari tipi di collegamenti di comunicazione radio.