Dipool Antenne: Wat is het? (En de soorten antennes)

Wat is een dipoolantenne?

Een dipoolantenne (ook wel doublet of dipoolantenne genoemd) wordt gedefinieerd als een type RF-antenne (radiofrequentie), bestaande uit twee geleidende elementen, zoals staven of draden. De dipool is een van de varianten van antennes die een stralingspatroon produceren dat dat van een elementaire elektrische dipool benadert. Dipoolantennes zijn het eenvoudigste en meest gebruikte type antenne.

Een ‘dipool’ betekent ’twee polen’, vandaar dat de dipoolantenne bestaat uit twee identieke geleidende elementen, zoals staven of metaaldraden. De lengte van de metaaldraden is ongeveer de helft van de maximale golflengte (d.w.z.,) in de vrije ruimte bij de werkfrequentie.

Deze draad of staaf wordt in het midden gespleten en de twee secties worden gescheiden door een isolator; deze secties staan bekend als een antennedeel.

Deze twee antennedelen worden verbonden met een feeder of coaxkabel aan het uiteinde dat zich het dichtst bij het midden van de antenne bevindt. Merk op dat de golflengte de afstand is tussen twee opeenvolgende maximum- of minimumpunten. De basis-dipoolantenne met het middelste voedingspunt is weergegeven in de onderstaande figuur.

De radiofrequente (RF) spanningsbron wordt aangelegd in het midden tussen de twee delen van de dipoolantenne. Deze spanning en een stroom die door de twee geleidende elementen loopt, produceren een radiosignaal of een elektromagnetische golf die door de antenne wordt uitgestraald.

De stroom is maximaal en de spanning is minimaal in het midden van de dipoolantenne. Omgekeerd is de stroom minimaal en de spanning maximaal aan de uiteinden van de dipoolantenne.

Het stralingspatroon van de basisdipoolantenne is in de onderstaande figuur weergegeven. Het staat loodrecht op de as van de antenne.

Merk op dat het stralingspatroon de grafische weergave is van de stralingseigenschappen van de antennes als functie van de ruimte, d.w.z, het stralingspatroon van de antenne beschrijft hoe de antenne energie in de ruimte uitstraalt.

De dipoolantenne is een type transducer die elektrische signalen omzet in RF-elektromagnetische golven en deze aan de zendzijde uitstraalt en aan de ontvangzijde RF-elektromagnetische golven omzet in elektrische signalen.

Dipool antenne ontwerp

We kunnen vele dipool antennes ontwerpen die zullen werken op de HF (hoge frequentie), VHF (zeer hoge frequentie), en UHF (ultra-hoge frequentie) banden van het radiofrequentiespectrum.

Laten we een 1 MHZ dipool antenne ontwerpen.

Keuze van de lengte van de dipoolantenne

Zoals we weten dat de golflengte van een radiogolf of een andere golf omgekeerd evenredig varieert met de frequentie. wordt deze gegeven door:

(1)

Waar, C = snelheid van het licht =

f = frequentie, in Hertz

= golflengte, in meter

Tus,

(2)

Nu, bij een halve golflengte, wordt de lengte van de antenne gegeven door,

(3)

Dus, uit vergelijking (3) kunnen we zeggen dat, als we een 1 MHz radiozender gebruiken, de basislengte van de antennedraad 150 meter of 492 feet of 5905 Inches zal zijn.

Dit is juist als we het “eindeffect” verwaarlozen. Dit “eindeffect” is het diëlektrisch effect van de lucht aan het einde van de antenne, dat de effectieve lengte van de antenne vergroot. Door het eindeffect gedraagt een antennedraad zich als 5% langer dan de werkelijke lengte. Dit veroorzaakt interferentie tussen de opwindende en oscillerende stromen en als gevolg daarvan kan de oscillatieamplitude worden verzwakt.

Hence, to counterbalance the “end effect” and to make the antenna works properly, it is necessary to cut the antenna wire about to 5% and makes its physical length approximately 95% of the half of the wavelength.

Thus, to get the practical length of the antenna wire, the value multiplied with a factor K to the basic length of the antenna wire, i.e.,

(4)

De waarde van K hangt af van de dikte van de geleider en de werkfrequentie. Deze waarde van K is nauwkeurig voor antennedraad bij een frequentie tot 30 MHz.

Keuze van de voedingsimpedantie of stralingsweerstand

De voedingsimpedantie van een dipool wordt gedefinieerd door de verhouding tussen de spanning en de stroom op het voedingspunt. Het wordt typisch gevoed op het spanningsminimum en stroommaximum punt.

Om de maximale overdracht van energie van de feeder, of bron/belasting te verzekeren, moet de voedingsimpedantie van de dipoolantenne dezelfde zijn als die van de bron of belasting. Door de voedingsimpedantie af te stemmen op de bron- of belastingsimpedantie kan de antenne maximaal efficiënt werken.

De stralingsweerstand of ingangsvoerimpedantie van een ideale dipoolantenne in de vrije ruimte kan bij benadering worden gemodelleerd door een impedantie van 73 Ω en onder praktische omstandigheden varieert deze van 60 Ω tot 70 Ω. De antenne-impedantie kan worden gewijzigd door de lengte of vorm van de draden te variëren.

Vele soorten coaxkabel hebben een karakteristieke impedantie van 75 Ω, zodat de dipoolantenne kan worden gevoed met coaxkabel van 75 Ω tweedraads, wat een goede match is voor een halfgolvige dipoolantenne.

Ook kan de halfgolvige dipool worden gevoed met een transmissielijn met impedanties 300 Ω, en 600 Ω open draadlijn met gevouwen dipolen, afhankelijk van het vermogen.

Gebruik gebalanceerde Feeder of Balun

De dipoolantenne is de gebalanceerde antenne. Daarom is het noodzakelijk een gebalanceerde feeder te gebruiken. Een gebalanceerde feeder bestaat uit twee parallelle geleiders. De stromen die in beide geleiders vloeien zijn gelijk in grootte maar tegengesteld in richting. Het stralingsveld van beide geleiders is dus nul en er wordt geen vermogen gedissipeerd. De afstand tussen de geleiders is gewoonlijk ongeveer 0,01 golflengte. Als een coaxiale feeder moet worden gebruikt, dan moet de gebalanceerde balun worden gebruikt.

Coaxiale kabel

De meest voorkomende feeder die wordt gebruikt om de antenne te voeden is coaxiale kabel of coaxkabel. Het wordt vaak aangeduid als RF-kabel.

Een coaxiale kabel voert stroom in beide geleiders. Deze stromen zijn gelijk in grootte maar tegengesteld in richting. Daardoor zijn alle stralingsvelden binnen de kabel met elkaar verbonden en heffen ze elkaar dus op.

Dus is er geen stralingsveld buiten de kabel, zodat hij niet wordt beïnvloed door voorwerpen in de buurt. Daarom is het best geschikt als een feeder aan de dipoolantenne.

Spanningsisolator

Een spanningsisolator is een elektroisolator die wordt ontworpen om de trekkracht van een opgeschorte elektrokabel of draad te weerstaan.

Het wordt ingevoegd tussen twee lengten van de geleidende draad, om hen elektrisch van elkaar te isoleren. Het wordt gebruikt in bovengrondse elektrische draad, om radioantennes en bovengrondse hoogspanningsleidingen te ondersteunen.

Het algemene ontwerp van een 1 MHz dipoolantenne wordt getoond in de onderstaande figuur.

Soorten dipoolantennes

De meest voorkomende typen van een dipoolantenne zijn de halfgolvige dipoolantenne. Er kunnen vele soorten dipoolantennes worden ontworpen. Laten we de belangrijkste typen dipoolantennes in detail uitleggen.

Gevouwen dipoolantenne

Een gevouwen dipoolantenne is een array van de twee-dipoolantenne. Als twee dipoolantennes parallel worden geschakeld om een dunne draadlus te vormen, dan wordt het een gevouwen dipoolantenne genoemd.

Zoals de naam al aangeeft is de vorm van de dipoolantenne teruggevouwen op zichzelf. Bij de gevouwen dipoolantenne worden twee halfgolvige dipolen – de ene doorlopend en de andere gesplitst in het midden – gevouwen en aan de uiteinden parallel met elkaar verbonden. De gesplitste dipool wordt in het centrum gevoed door een gebalanceerde transmissielijn. De twee dipolen hebben dus aan de uiteinden dezelfde spanningen en er worden twee identieke stromen opgewekt.

Het stralingspatroon van een gevouwen dipool is hetzelfde als van een gewone dipool, maar de ingangsimpedantie van de gevouwen dipool is hoger en de richtingsgevoeligheid van een gevouwen dipool is tweerichtingsgevoelig.

Tweedraads gevouwen dipoolantenne

Als twee dipoolantennes parallel worden aangesloten om een dunne draadlus te vormen, dan staat deze bekend als een tweedraads gevouwen dipoolantenne.

Als de straal van beide geleiders gelijk is, dan vloeien er in beide geleiders gelijke stromen in dezelfde richting, d.w.z, de stromen zijn gelijk in grootte en fase. Als de totale stroom aan het uiteinde “I” is, zal elke dipool stroom “I/2” hebben. Bij hetzelfde vermogen vloeit dus slechts de helft van de stroom in de eerste dipool, en daardoor neemt de ingangsimpedantie toe en wordt deze viermaal zo groot. De gevouwen dipoolantenne is in de onderstaande figuur weergegeven.

De algemene formule voor de impedantieberekening voor een gevouwen dipool wordt gegeven door,

Waar, n = nr. van antennedraden

Dus, voor een tweedraads gevouwen dipool met gelijke straal, wordt de ingangsimpedantie of stralingsweerstand gegeven door

Daarom kan de tweedraads gevouwen dipool worden gevoed met een conventionele 300 Ω open-draads transmissielijn zonder enige bijpassende voorziening.

Driedraads gevouwen dipoolantenne (gevouwen driepolige antenne)

Als drie dipoolantennes parallel worden geschakeld om een dunne draadlus te vormen, dan wordt dit een driedraads gevouwen dipoolantenne of gevouwen driepolige antenne genoemd.

Als driedraads gevouwen dipoolantennes worden gebruikt met gelijke stralen, dan vloeit er in alle drie de geleiders evenveel stroom. Als de totale stroom die aan de terminal wordt toegevoerd ‘I’ is, dan zal elke dipool stroom ‘I/3’ hebben.

Dus, bij hetzelfde toegepaste vermogen, vloeit slechts een derde van de totale stralingsstroom in de eerste dipool, en daardoor neemt de ingangsimpedantie toe en wordt deze negenmaal. De gevouwen dipoolantenne is weergegeven in de onderstaande figuur.

Dus voor een drieaderige gevouwen dipool met gelijke straal wordt de ingangsimpedantie of stralingsweerstand gegeven door

Daarom kan een drieaderige gevouwen dipool of gevouwen driepolige antenne worden gevoed met een conventionele tweedraads open transmissielijn van 600 Ω zonder dat er een bijpassingsinrichting nodig is.

Dus heeft de gevouwen dipoolantenne of driepolige antenne een belangrijke impedantietransformerende eigenschap. Hierdoor kan hij gemakkelijk worden afgestemd op een transmissielijn die de antenne voedt. Het is ook mogelijk om de ingangsimpedantie te veranderen door de straal van de twee dipolen ongelijk te houden. In deze voorwaarde, een grotere stroom door een dikkere dipool en dus kunnen we elke gewenste ingang impedantie.

Voordelen van een gevouwen dipool antenne

Enkele van de voordelen van een gevouwen dipool antenne zijn:

1. Het heeft een hoge ingangsimpedantie; dus het maakt het gemakkelijk om overeenkomen met de transmissielijn.
2. Het heeft breedband frequentie dwz, brede bandbreedte, dus het is geschikt voor FM-en tv-uitzendingen.
3. Het heeft een hoge winst en een hoge directiviteit in vergelijking met een eenvoudige dipool antenne vandaar, kan het worden gebruikt in de Yagi-Uda antenne.

FM dipool antenne

FM dipool antenne wordt gedefinieerd als de verticaal gepolariseerde halve golf dipoolantenne. De FM-dipoolantenne wordt meestal gebruikt omdat hij gemakkelijk te bouwen is en geschikt is voor een betere ontvangst van VHF FM-uitzendingen. De FM-dipoolantenne wordt in de onderstaande figuur weergegeven.

Het stralingspatroon van de FM-dipoolantenne staat loodrecht op de as van de antenne, d.w.z. horizontaal, omdat de FM-dipoolantenne een verticaal gepolariseerde halve-golf dipoolantenne is. Het stralingspatroon van de FM-dipoolantenne is in de onderstaande figuur weergegeven.

De FM-dipoolantenne wordt in het algemeen gebruikt voor FM-uitzendfrequenties tussen 88 MHz en 108 MHZ.

Fan Dipole Antenne

Fan dipool of Multi-band draadantenne is een waarin meerdere dipolen zijn verbonden met een gemeenschappelijke voedingslijn, en ze zijn verspreid als een ventilator vandaar dat het wordt genoemd een ventilator dipool antenne.

Zoals de naam impliceert dat de vorm van de ventilator dipool antenne ziet eruit als een ventilator. Het is ook bekend als een Parallel dipool antenne.

In de ventilator dipool antenne, elke dipool van de multi-band wordt gesneden uit het midden van de banden en aangesloten op een gemeenschappelijke feeder. De dipool moet worden gesneden van waar we willen dat het uit te stralen. Wanneer het signaal wordt uitgezonden, ontvangen we alleen het signaal van die band die straalt, omdat de andere dipolen een hogere impedantie hebben in vergelijking met dat stralende element.

De ventilator-dipoolantenne wordt in de bovenstaande figuur getoond. Het is een 4-bands waaier dipool antenne. Hier hebben we 80 m, 40 m, 20 m en 10 m multiband dipool gebruikt die parallel zijn verbonden met een gemeenschappelijke voedingslijn.

Wanneer 80 m dipool straalt, betekent dit dat de stroom door 80 m dipool gaat. In deze toestand ontvangen we alleen signaal van 80 m banden omdat deze een lagere impedantie heeft, terwijl andere 40 m, 20 m en 10 m banden een hogere impedantie hebben in vergelijking met het 80 m stralende element.

Zo ook ontvangen we, wanneer de 40 m dipool straalt, alleen het signaal van de 40 m banden, omdat deze een lagere impedantie heeft dan de andere dipool. Merk op dat volgens de stroomwet van Kirchhoff de andere dipolen ook stralen, maar niet efficiënt.

Half-Wave Dipole Antenne

De Half-Wave Dipole Antenne is het meest gebruikte type dipoolantenne. Zoals de naam al doet vermoeden is de totale lengte van de dipoolantenne gelijk aan de halve golflengte () bij de werkfrequentie.

Het staat bekend als een halve-golflengte dipool of gewoon dipool of doublet. Hij is ook bekend als de Hertz-antenne.

De halve-golf dipoolantenne bestaat uit een geleider van twee kwart golflengte met het voedingspunt in het midden. Het is de symmetrische antenne waarbij de twee uiteinden op gelijke potentiaal staan ten opzichte van het middelpunt.

De stroomverdeling in de halfgolvige dipoolantenne is ongeveer sinusvormig over de lengte van de dipool, d.w.z. een staande golf in de natuur. De basis-dipoolantenne met halve golf en de spannings- en stroomverdeling daarop zijn in de onderstaande figuur weergegeven.

Het stralingspatroon van de dipoolantenne met halve golf is in de onderstaande figuur weergegeven. Hieruit blijkt dat de richtingen van de maximale straling loodrecht op de geleider of de as van de antenne staan. Het staat ook loodrecht op de richting van de antennestroom.

De halfgolvige dipoolantenne kan werken rond het frequentiebereik van 3 kHz tot 300 GHz; daarom wordt hij meestal gebruikt in radio-ontvangers.

Korte dipoolantenne

De korte dipoolantenne is het eenvoudigste antennetype van alle antennes. Een korte dipoolantenne is een antenne waarbij de lengte van de draad kleiner is dan de helft van de golflengte d.w.z.,().

In een korte dipoolantenne begint de voedingsimpedantie toe te nemen en is de respons minder afhankelijk van de frequentieveranderingen. De stroomverdeling in de korte dipoolantenne is ongeveer driehoekig.

De lengte van de korte dipoolantenne ligt tussen en . d.w.z., . De stroomverdeling op de korte dipoolantenne is bij benadering driehoekig. De basis korte dipoolantenne en de stroomverdeling erop zijn weergegeven in de onderstaande figuur.

Het stralingspatroon van de korte dipoolantenne is eenvoudigweg een cirkel. Het is enigszins anders dan bij de halve-golf dipoolantenne. Het stralingspatroon van de korte dipoolantenne en de vergelijking daarvan met de halfgolvige dipoolantenne is in de onderstaande figuur weergegeven.

Een korte dipoolantenne wordt gebruikt in plaats van de volledige halfgolvige dipoolantenne in bepaalde toepassingen waar de volledige halfgolvige dipoolantenne te groot is.

Waarvoor wordt een dipoolantenne gebruikt (Toepassingen)?

Enkele van de toepassingen van de dipoolantenne zijn:

• De dipoolantenne wordt veel gebruikt in radio en telecommunicatie.
• Een antenne kan zowel als zendantenne of als ontvangstantenne worden gebruikt. Een zendantenne wordt gebruikt om elektrische signalen om te zetten in elektromagnetische golven en deze uit te stralen. Terwijl een ontvangstantenne wordt gebruikt om elektromagnetische golven om te zetten in elektrische signalen. Bij communicatie in twee richtingen kan dezelfde dipoolantenne zowel voor zenden als ontvangen worden gebruikt.
• Een halfgolvige dipoolantenne wordt gebruikt in radio- en televisieontvangers.
• Een gevouwen dipoolantenne wordt gebruikt in Yagi-Uda-antennes voor terrestrische televisieontvangst (TV) met behulp van de gebalanceerde lijn van Z0 = 300 Ω, omdat een gevouwen dipoolantenne een hoge ingangsimpedantie heeft en dus gemakkelijk kan worden afgestemd op de impedantie van de transmissielijn.
• De gevouwen dipoolantenne wordt gebruikt in breedbandoperaties zoals FM en TV (Televisie) -uitzendingen.
• VHF- en UHF-antennes worden gebruikt in landmobiele communicatie in de kustgebieden, openbare veiligheid, openbare communicatie en industriële toepassingen.
• FM-dipoolantenne wordt gebruikt als een FM-omroep-ontvangstantenne voor de FM-omroepband 88 MHz tot 108 MHz.
• Een parabolische reflectorantenne wordt algemeen gebruikt voor satellietcommunicatie, radioastronomie en voor verschillende soorten radiocommunicatieverbindingen.