Antena dipolowa: Co to jest? (I Rodzaje Anten)

Co to jest Antena Dipolowa?

Antena dipolowa (znana również jako antena dwupolowa lub dipolowa) jest definiowana jako typ anteny RF (Radio Frequency), składającej się z dwóch elementów przewodzących, takich jak pręty lub druty. Dipol jest jedną z odmian anteny, która wytwarza wzór promieniowania zbliżony do wzoru elementarnego dipola elektrycznego. Anteny dipolowe są najprostszym i najczęściej stosowanym typem anteny.

A „dipol” oznacza „dwa bieguny” stąd antena dipolowa składa się z dwóch identycznych elementów przewodzących, takich jak pręty lub druty metalowe. Długość metalowych drutów wynosi w przybliżeniu połowę maksymalnej długości fali (tj. ) w wolnej przestrzeni przy częstotliwości pracy.

Ten drut lub pręt jest podzielony w środku, a dwie sekcje są oddzielone izolatorem, te sekcje są znane jako sekcja anteny.

Te dwie sekcje anteny są podłączone do zasilacza lub kabla koncentrycznego na końcu najbliżej środka anteny. Należy pamiętać, że długość fali to odległość pomiędzy dwoma kolejnymi punktami maksymalnymi lub minimalnymi. Podstawowa antena dipolowa z centralnym punktem zasilania jest pokazana na poniższym rysunku.

Źródło napięcia o częstotliwości radiowej (RF) jest przyłożone do środka pomiędzy dwiema sekcjami anteny dipolowej. To napięcie i prąd płynący przez dwa elementy przewodzące wytwarzają sygnał radiowy lub falę elektromagnetyczną, która jest wypromieniowywana na zewnątrz anteny.

Prąd jest maksymalny, a napięcie minimalne w centrum anteny dipolowej. I odwrotnie, prąd jest minimalny, a napięcie jest maksymalne na końcach anteny dipolowej.

Rysunek promieniowania podstawowej anteny dipolowej jest pokazany na rysunku poniżej. Jest ona prostopadła do osi anteny.

Zauważ, że wzór promieniowania jest graficznym przedstawieniem właściwości promieniowania anten w funkcji przestrzeni tzn, wzór promieniowania anteny opisuje, w jaki sposób antena wypromieniowuje energię w przestrzeń.

Antena dipolowa jest jednym z rodzajów przetwornika, który przekształca sygnały elektryczne w fale elektromagnetyczne RF i wypromieniowuje je po stronie nadawczej oraz przekształca fale elektromagnetyczne RF w sygnały elektryczne po stronie odbiorczej.

Projektowanie anten dipolowych

Możemy zaprojektować wiele anten dipolowych, które będą pracować w pasmach HF (wysoka częstotliwość), VHF (bardzo wysoka częstotliwość) i UHF (ultra-wysoka częstotliwość) widma częstotliwości radiowych.

Zaprojektujmy antenę dipolową 1 MHZ.

Dobór długości anteny dipolowej

Jak wiemy, długość fali radiowej lub każdej innej fali zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości. jest ona dana przez:

(1)

Gdzie, C = prędkość światła =

f = częstotliwość, w hercach

= długość fali, w metrach

Tak więc,

(2)

Teraz, przy długości półfalowej, długość anteny jest dana przez,

(3)

Więc, z równania (3) możemy powiedzieć, że jeśli użyliśmy nadajnika radiowego o częstotliwości 1 MHz, to podstawowa długość przewodu antenowego wyniesie 150 metrów lub 492 stopy lub 5905 cali.

To jest poprawne, jeśli zaniedbamy „efekt końcowy”. Ten „efekt końcowy” to efekt dielektryczny powietrza na końcu anteny, który zwiększa efektywną długość anteny. Ze względu na efekt końcowy, drut antenowy zachowuje się jak 5% dłuższy niż rzeczywista długość. To spowoduje interferencję pomiędzy prądami wzbudzającymi i oscylacyjnymi i z tego powodu amplituda oscylacji może być osłabiona.

Więc, aby zrównoważyć „efekt końcowy” i aby antena działała prawidłowo, konieczne jest przycięcie drutu antenowego o 5% i sprawia, że jego fizyczna długość wynosi około 95% połowy długości fali.

Tak więc, aby uzyskać praktyczną długość drutu antenowego, wartość pomnożona przez współczynnik K do podstawowej długości drutu antenowego, tj,

(4)

Wartość K zależy od grubości przewodnika i częstotliwości pracy. Ta wartość K jest dokładna dla drutu antenowego przy częstotliwości do 30 MHz.

Wybór impedancji zasilania lub rezystancji promieniowania

Impedancja zasilania dipola jest określona przez stosunek napięcia i prądu w punkcie zasilania. Zazwyczaj jest on zasilany w punkcie minimum napięcia i maksimum prądu.

Aby zapewnić maksymalny transfer energii z zasilacza lub źródła/obciążenia, impedancja zasilania anteny dipolowej powinna być taka sama jak impedancja źródła lub obciążenia. Dopasowując impedancję zasilania do impedancji źródła lub obciążenia, antena może pracować z maksymalną wydajnością.

Oporność promieniowania lub wejściowa impedancja zasilania idealnej anteny dipolowej w wolnej przestrzeni może być w przybliżeniu modelowana przez impedancję 73 Ω, a w warunkach praktycznych waha się od 60 Ω do 70 Ω. Impedancję anteny można zmienić, zmieniając długość lub kształt przewodów.

Wiele typów kabli koncentrycznych ma impedancję charakterystyczną 75 Ω, stąd antena dipolowa może być zasilana kablem koncentrycznym dwużyłowym 75 Ω, który jest dobrze dopasowany do półfalowej anteny dipolowej.

Ponadto, dipol półfalowy może być zasilany linią transmisyjną o impedancji 300 Ω, i 600 Ω linią otwartą ze złożonymi dipolami w zależności od możliwości przenoszenia mocy.

Użyj zbalansowanego zasilacza lub balunu

Antena dipolowa jest anteną zbalansowaną. W związku z tym konieczne jest użycie zbalansowanego zasilacza. Podajnik zrównoważony składa się z dwóch równoległych przewodników. Prądy płynące w obu przewodnikach są równe co do wielkości, ale o przeciwnych kierunkach. W związku z tym, pole promieniowania z nich się znosi i nie rozprasza mocy. Odstęp pomiędzy przewodnikami wynosi zwykle około 0,01 długości fali. Jeśli konieczne jest użycie zasilacza koncentrycznego, to balun zrównoważony musi być używany.

Kabel koncentryczny

Najczęstszym zasilaczem, który jest używany do zasilania anteny jest kabel koncentryczny lub kabel koncentryczny. Jest on często określany jako kabel RF.

Kabel koncentryczny przenosi prąd w obu przewodnikach. Prądy te mają jednakową wielkość, ale przeciwne kierunki. Dzięki temu wszystkie pola promieniujące są połączone w kablu, a więc znoszą się nawzajem.

Tak więc, nie ma pola promieniującego na zewnątrz kabla stąd nie jest dotknięty przez pobliskie obiekty. Dlatego najlepiej nadaje się jako zasilacz do anteny dipolowej.

Izolator naprężenia

Izolator naprężenia jest izolatorem elektrycznym, który jest zaprojektowany, aby wytrzymać ciągnięcie zawieszonego kabla elektrycznego lub drutu.

Jest on włożony między dwie długości drutu prowadzącego, aby odizolować je elektrycznie od siebie. Jest on stosowany w napowietrznych przewodach elektrycznych, do podtrzymywania anten radiowych i napowietrznych linii energetycznych.

Tak więc, ogólny projekt anteny dipolowej 1 MHz jest pokazany na rysunku poniżej.

Typy anten dipolowych

Najczęściej spotykanymi typami anten dipolowych są półfalowe anteny dipolowe. Istnieje wiele typów anten dipolowych mogą być zaprojektowane. Wyjaśnijmy główne typy anten dipolowych w szczegółach.

Złożona antena dipolowa

Złożona antena dipolowa jest matrycą anteny dwudipolowej. Jeśli dwie anteny dipolowe są połączone równolegle do formy cienkiej pętli drutu, to jest nazywany składane anteny dipolowej.

Jak sama nazwa wskazuje, że forma anteny dipolowej jest składane z powrotem na siebie. W antenie dipolowej złożonej, dwa dipole półfalowe – jeden ciągły, a drugi rozszczepiony w środku są złożone i połączone równolegle na końcach. Podzielony dipol jest zasilany w centrum przez zrównoważoną linię transmisyjną. Stąd dwa dipole mają takie same napięcia na swoich końcach i dwa identyczne prądy są generowane.

Rysunek promieniowania dipola złożonego jest taki sam jak do zwykłego dipola, ale impedancja wejściowa dipola złożonego jest wyższa i kierunkowość dipola złożonego jest dwukierunkowa.

Dwuprzewodowa antena dipolowa złożona

Jeżeli dwie anteny dipolowe są połączone równolegle w celu utworzenia cienkiej pętli z drutu, to jest ona znana jako dwuprzewodowa antena dipolowa złożona.

Jeżeli promień obu przewodników jest równy, to w obu przewodnikach płyną jednakowe prądy w tym samym kierunku, tzn, prądy są równe pod względem wielkości i fazy. Jeśli całkowity prąd podawany na zacisk wynosi „I”, wówczas każdy dipol będzie miał prąd „I/2”. Tak więc, przy tej samej mocy w pierwszym dipolu płynie tylko połowa prądu, a więc impedancja wejściowa wzrasta i staje się czterokrotna. Złożona antena dipolowa jest pokazana na poniższym rysunku.

Ogólny wzór na obliczenie impedancji dla złożonego dipola jest dany przez,

Gdzie, n = nr. przewodu antenowego

Więc, dla dwuprzewodowego dipola złożonego o równym promieniu, impedancja wejściowa lub rezystancja promieniowania jest dana przez

Więc, dwuprzewodowy dipol złożony może być zasilany konwencjonalną linią transmisyjną 300 Ω z otwartym przewodem bez żadnego urządzenia dopasowującego.

Antena dipolowa złożona z trzech drutów (Folded Tripole)

Jeżeli trzy anteny dipolowe są połączone równolegle w celu utworzenia cienkiej pętli z drutu, to jest ona znana jako antena dipolowa złożona z trzech drutów lub antena Folded Tripole.

Jeżeli anteny dipolowe złożone z trzech drutów są używane z równymi promieniami, to jednakowy prąd płynie we wszystkich trzech przewodnikach. Jeśli całkowity prąd podawany na zacisk wynosi „I”, to każdy dipol będzie miał prąd „I/3”.

Tak więc, przy tej samej mocy przyłożonej, tylko jedna trzecia całkowitego prądu promieniującego płynie w pierwszym dipolu, a zatem impedancja wejściowa wzrasta i staje się dziewięciokrotna. Złożona antena dipolowa jest pokazana na poniższym rysunku.

Więc dla trójprzewodowego dipola o równym promieniu impedancja wejściowa lub oporność promieniowania jest dana przez

Więc trójprzewodowy dipol lub trójprzewodowy trójnóg może być zasilany konwencjonalną dwuprzewodową otwartą linią transmisyjną 600 Ω bez żadnego urządzenia dopasowującego.

Tak więc, antena dipolowa lub tripolowa ma ważną właściwość przekształcania impedancji. Dzięki temu można ją łatwo dopasować do linii transmisyjnej zasilającej antenę. Możliwa jest również zmiana impedancji wejściowej poprzez utrzymywanie nierównych promieni obu dipoli. W tym warunku większy prąd przepływa przez grubszy dipol i stąd możemy utrzymać dowolną pożądaną impedancję wejściową.

Zalety anteny dipolowej złożonej

Kilka zalet anteny dipolowej złożonej obejmuje:

1. Ma wysoką impedancję wejściową; stąd ułatwia dopasowanie do linii transmisyjnej.
2. Ma częstotliwość szerokopasmową, tj, szerokie pasmo przenoszenia, dlatego nadaje się do transmisji FM i TV.
3. Ma wysoki zysk i wysoką kierunkowość w porównaniu do prostej anteny dipolowej, dlatego może być stosowana w antenie Yagi-Uda.

Antena dipolowa FM

Antena dipolowa FM jest zdefiniowana jako pionowo spolaryzowana półfalowa antena dipolowa. Antena dipolowa FM jest najczęściej stosowana, ponieważ jest łatwa w budowie i nadaje się do zapewnienia lepszego odbioru programów nadawanych w paśmie VHF FM. Antena dipolowa FM jest pokazana na poniższym rysunku.

Rysunek promieniowania anteny dipolowej FM jest prostopadły do osi anteny, tzn. jest poziomy, ponieważ antena dipolowa FM jest pionowo spolaryzowaną półfalową anteną dipolową. Charakterystyka promieniowania anteny dipolowej FM jest pokazana na poniższym rysunku.

Antena dipolowa FM jest ogólnie stosowana dla zakresu częstotliwości nadawania FM od 88 MHz do 108 MHZ.

Antena dipolowa wachlarzowa

Antena dipolowa wachlarzowa lub wielopasmowa antena przewodowa to taka, w której wiele dipoli jest połączonych wspólną linią zasilającą i są one rozłożone jak wachlarz, stąd nazywana jest anteną dipolową wachlarzową.

Jak sama nazwa wskazuje, forma anteny dipolowej wachlarzowej wygląda jak wachlarz. Jest ona również znana jako antena dipolowa równoległa.

W antenie dipolowej wentylatorowej, każdy dipol wielopasmowy jest wycinany ze środka pasm i podłączany do wspólnego zasilacza. Dipol powinien być wycięty z miejsca, z którego chcemy, aby promieniował. W momencie nadawania sygnału odbieramy tylko sygnał z tego pasma, które promieniuje, ponieważ pozostałe dipole mają wyższą impedancję w stosunku do tego promieniującego elementu.

Antena typu Fan Dipole przedstawiona jest na powyższym rysunku. Jest to 4 pasmowa wachlarzowa antena dipolowa. Zastosowano tu wielopasmowe dipole 80 m, 40 m, 20 m i 10 m połączone równolegle wspólną linią zasilającą.

Gdy dipol 80 m promieniuje oznacza to, że prąd przepływa przez dipole 80 m, w tym stanie odbieramy sygnał tylko z pasma 80 m, ponieważ ma ono niższą impedancję, natomiast pozostałe pasma 40 m, 20 m i 10 m mają wyższą impedancję w porównaniu z elementem promieniującym 80 m.

Podobnie, gdy promieniuje dipol 40 m, to odbieramy sygnał tylko z pasm 40 m, ponieważ ma on niższą impedancję w porównaniu z pozostałymi dipolami. Zauważ, że zgodnie z prawem prądowym Kirchhoffa, inne dipole również promieniują, ale nie efektywnie.

Antena dipolowa półfalowa

Antena dipolowa półfalowa jest najczęściej stosowanym typem anteny dipolowej. Jak sama nazwa wskazuje, całkowita długość anteny dipolowej jest równa długości półfalowej () przy częstotliwości pracy.

Jest ona znana jako dipol półfalowy lub po prostu dipol lub dublet. Znana jest również jako antena Hertza.

Półfalowa antena dipolowa składa się z przewodnika o długości dwóch czwartych fali z punktem zasilania w centrum. Jest to symetryczna antena, w której dwa końce są w równym potencjale do punktu środkowego.

Rozkład prądu w pół-falowej antenie dipolowej jest w przybliżeniu sinusoidalny wzdłuż długości dipola, tj. fala stojąca w przyrodzie. Podstawowa półfalowa antena dipolowa oraz rozkład napięcia i prądu na niej są pokazane na poniższym rysunku.

Rozkład promieniowania półfalowej anteny dipolowej jest pokazany na poniższym rysunku. Wynika z niego, że kierunki maksymalnego promieniowania są prostopadłe do przewodnika lub osi anteny. Są one również prostopadłe do kierunku prądu anteny.

Półfalowa antena dipolowa może pracować w zakresie częstotliwości od 3 kHz do 300 GHz; dlatego jest ona najczęściej stosowana w odbiornikach radiowych.

Krótka antena dipolowa

Krótka antena dipolowa jest najprostszym typem anteny spośród wszystkich anten. Krótka antena dipolowa to taka, w której długość przewodu jest mniejsza niż połowa długości fali, tj.().

W krótkiej antenie dipolowej impedancja zasilania zaczyna wzrastać, a jej odpowiedź jest mniej zależna od zmian częstotliwości. Rozkład prądu w krótkiej antenie dipolowej jest w przybliżeniu trójkątny.

Długość krótkiej anteny dipolowej zawiera się w przedziale od do . czyli . Rozkład prądu na krótkiej antenie dipolowej jest w przybliżeniu trójkątny. Podstawowa krótka antena dipolowa i rozkład prądu na niej są pokazane na poniższym rysunku.

Rozkład promieniowania krótkiej anteny dipolowej jest po prostu okręgiem. Jest on nieco inny niż w przypadku anteny dipolowej półfalowej. Charakterystyka promieniowania krótkiej anteny dipolowej i jej porównanie z anteną dipolową półfalową jest pokazana na poniższym rysunku.

Krótka antena dipolowa jest używana zamiast pełnej półfalowej anteny dipolowej w pewnych zastosowaniach, gdzie pełna półfalowa antena dipolowa jest zbyt duża.

Do czego jest używana antena dipolowa (zastosowania)?

Niektóre z zastosowań anteny dipolowej obejmują:

• Antena dipolowa jest szeroko stosowana w radiu i telekomunikacji.
• Antena może być używana jako antena nadawcza lub odbiorcza. Antena nadawcza służy do konwersji sygnałów elektrycznych na fale elektromagnetyczne i wypromieniowuje je. Natomiast antena odbiorcza służy do konwersji fal elektromagnetycznych na sygnały elektryczne. W komunikacji dwukierunkowej ta sama antena dipolowa może być używana zarówno do nadawania, jak i odbioru.
• Półfalowa antena dipolowa jest używana w odbiornikach radiowych i telewizyjnych.
• Złożona antena dipolowa jest używana w antenach Yagi-Uda do odbioru telewizji naziemnej (TV) przy użyciu linii zrównoważonej Z0 = 300 Ω, ponieważ złożona antena dipolowa ma wysoką impedancję wejściową i stąd łatwo dopasowuje się do impedancji linii transmisyjnej.
• Złożona antena dipolowa jest używana w operacjach szerokopasmowych, takich jak transmisja FM i TV (Television).
• Anteny VHF i UHF są używane w lądowej komunikacji mobilnej w obszarach przybrzeżnych, bezpieczeństwie publicznym, komunikacji publicznej i zastosowaniach przemysłowych.
• Antena dipolowa FM jest używana jako antena nadawczo-odbiorcza dla pasma FM od 88 MHz do 108 MHz.
• Paraboliczna antena reflektorowa jest powszechnie używana do komunikacji satelitarnej, radioastronomii i do różnych typów łączy komunikacji radiowej.