Antena de dipol: Ce este? (Și tipurile de antene)

Ce este o antenă dipolară?

O antenă dipol (cunoscută și sub denumirea de antenă dublet sau dipol) este definită ca un tip de antenă RF (radiofrecvență), formată din două elemente conductoare, cum ar fi tije sau fire. Dipolul este oricare dintre varietățile de antene care produc un model de radiație care se apropie de cel al unui dipol electric elementar. Antenele dipolare sunt cel mai simplu și cel mai utilizat tip de antenă.

Un „dipol” înseamnă „doi poli”, prin urmare antena dipolară constă din două elemente conductoare identice, cum ar fi tije sau fire metalice. Lungimea firelor metalice este de aproximativ jumătate din lungimea de undă maximă (adică,) în spațiul liber la frecvența de funcționare.

Această sârmă sau tijă este împărțită în centru, iar cele două secțiuni sunt separate de un izolator, aceste secțiuni sunt cunoscute sub numele de secțiune de antenă.

Aceste două secțiuni de antenă sunt conectate la un alimentator sau cablu coaxial la capătul cel mai apropiat de centrul antenei. Rețineți că lungimea de undă este distanța dintre două puncte maxime sau minime consecutive. Antena dipol de bază cu punctul de alimentare central este prezentată în figura de mai jos.

Sursa de tensiune de radiofrecvență (RF) este aplicată la centru între cele două secțiuni ale antenei dipolare. Această tensiune și un curent care circulă prin cele două elemente conductoare produc un semnal radio sau o undă electromagnetică care va fi radiată spre exteriorul antenei.

Curentul este maxim și tensiunea este minimă în centrul antenei dipol. Invers, curentul este minim și tensiunea este maximă la capetele antenei dipol.

Figura de radiație a antenei dipol de bază este prezentată în figura de mai jos. Acesta este perpendicular pe axa antenei.

Rețineți că diagrama de radiație este reprezentarea grafică a proprietăților de radiație ale antenelor în funcție de spațiu, adică, diagrama de radiație a antenei descrie modul în care antena radiază energie în spațiu.

Antena dipolară este un tip de traductor care convertește semnalele electrice în unde electromagnetice RF și le radiază pe partea de emisie și convertește undele electromagnetice RF în semnale electrice pe partea de recepție.

Proiectarea antenei dipol

Potem proiecta mai multe antene dipol care vor funcționa în benzile HF (frecvențe înalte), VHF (frecvențe foarte înalte) și UHF (frecvențe ultra-înalte) ale spectrului de frecvențe radio.

Să proiectăm o antenă dipol de 1 MHZ.

Selectarea lungimii antenei dipol

Cum știm că lungimea de undă a unei unde radio sau a oricărei alte unde variază invers proporțional cu frecvența. aceasta este dată de:

(1)

Unde, C = viteza luminii =

f = frecvența, în Hertz

= lungimea de undă, în metri

Deci,

(2)

Acum, la o jumătate de lungime de undă, lungimea antenei este dată de,

(3)

Atunci, din ecuația (3) putem spune că, dacă am folosit un emițător radio de 1 MHz, atunci lungimea de bază a firului de antenă va fi de 150 de metri sau 492 de picioare sau 5905 Inch.

Acest lucru este corect dacă neglijăm „efectul final”. Acest „efect de capăt” este efectul dielectric al aerului de la capătul antenei care mărește lungimea efectivă a antenei. Datorită efectului de capăt, un fir de antenă se comportă ca fiind cu 5% mai lung decât lungimea reală. Acest lucru va produce interferențe între curenții de excitație și de oscilație și, din această cauză, amplitudinea oscilației poate fi slăbită.

În consecință, pentru a contrabalansa „efectul de capăt” și pentru ca antena să funcționeze corect, este necesar să se taie firul de antenă cu aproximativ 5% și face ca lungimea sa fizică să fie de aproximativ 95% din jumătatea lungimii de undă.

Astfel, pentru a obține lungimea practică a firului de antenă, valoarea înmulțită cu un factor K la lungimea de bază a firului de antenă, adică,

(4)

Valoarea lui K depinde de grosimea conductorului și de frecvența de funcționare. Această valoare a lui K este precisă pentru firul de antenă la o frecvență de până la 30 MHz.

Selectarea impedanței de alimentare sau a rezistenței de radiație

Impedanța de alimentare a unui dipol este definită de raportul dintre tensiune și curent la punctul de alimentare. De obicei, acesta este alimentat în punctul de minim al tensiunii și maxim al curentului.

Pentru a asigura transferul maxim de energie de la alimentator, sau de la sursă/încărcare, impedanța de alimentare a antenei dipol trebuie să fie aceeași cu cea a sursei sau a sarcinii. Prin adaptarea impedanței de alimentare la impedanța sursei sau a sarcinii, antena poate funcționa la randamentul său maxim.

Rezistența de radiație sau impedanța de alimentare de intrare a unei antene dipol ideale în spațiu liber poate fi modelată aproximativ printr-o impedanță de 73 Ω, iar în condiții practice aceasta variază între 60 Ω și 70 Ω. Impedanța antenei poate fi modificată prin variația lungimii sau formei firelor.

Multe tipuri de cabluri coaxiale au o impedanță caracteristică de 75 Ω, prin urmare, antena dipol poate fi alimentată cu cablu coaxial cu două fire de 75 Ω, care este o potrivire bună pentru o antenă dipol de jumătate de undă.

De asemenea, dipolul cu jumătate de undă poate fi alimentat cu o linie de transmisie cu impedanțe de 300 Ω, și 600 Ω linie de sârmă deschisă cu dipoli pliați în funcție de capacitățile de gestionare a puterii.

Folosiți un alimentator echilibrat sau un balun

Antena dipol este antena echilibrată. Prin urmare, este necesar să se utilizeze un alimentator echilibrat. Un alimentator echilibrat este format din doi conductori paraleli. Curenții care circulă în ambele conductoare sunt egali ca mărime, dar cu sensuri opuse. Prin urmare, câmpul radiant al acestora se anulează și nu se disipează nicio putere. În mod normal, distanța dintre conductori este de aproximativ 0,01 lungimi de undă. În cazul în care este necesară utilizarea unui alimentator coaxial, atunci trebuie utilizat balonul echilibrat.

Cablu coaxial

Cel mai frecvent alimentator care este utilizat pentru a alimenta antena este cablul coaxial sau cablul coaxial. Acesta este adesea denumit cablu RF.

Un cablu coaxial transportă curent în ambii conductori. Acești curenți sunt egali ca mărime, dar de direcții opuse. Datorită acestui fapt, toate câmpurile radiante sunt legate în interiorul cablului și, prin urmare, se anulează reciproc.

Din acest motiv, nu există niciun câmp radiant în afara cablului și, prin urmare, acesta nu este afectat de niciun obiect din apropiere. Prin urmare, este cel mai potrivit ca alimentator pentru antena dipolară.

Izolator de tensiune

Un izolator de tensiune este un izolator electric care este proiectat să reziste la tracțiunea unui cablu sau fir electric suspendat.

Este introdus între două lungimi de fir conductor, pentru a le izola electric unul de celălalt. Este utilizat în cablurile electrice suspendate, pentru a susține antenele radio și liniile electrice aeriene.

Așa, proiectarea generală a unei antene dipol de 1 MHz este prezentată în figura de mai jos.

Tipuri de antene dipol

Cele mai comune tipuri de antene dipol sunt antenele dipol de jumătate de undă. Există mai multe tipuri de antene dipol pot fi proiectate. Să explicăm în detaliu principalele tipuri de antene dipolare.

Antena dipolară pliată

O antenă dipolară pliată este o matrice a antenei cu doi dipoli. Dacă două antene dipol sunt conectate în paralel pentru a forma o buclă de sârmă subțire, atunci se numește antenă dipol pliată.

Așa cum sugerează și numele, forma antenei dipol este pliată înapoi pe ea însăși. În antena dipol pliată, doi dipoli de jumătate de undă – unul continuu și celălalt divizat în centru – sunt pliați și uniți în paralel la capete. Dipolul divizat este alimentat la centru de o linie de transmisie echilibrată. Prin urmare, cei doi dipoli au aceleași tensiuni la capetele lor și sunt generați doi curenți identici.

Codrul de radiație al unui dipol pliat este același ca la un dipol obișnuit, dar impedanța de intrare a dipolului pliat este mai mare și directivitatea unui dipol pliat este bidirecțională.

Antena dipol pliată cu două fire

Dacă două antene dipol sunt conectate în paralel pentru a forma o buclă de fir subțire, atunci aceasta este cunoscută ca o antenă dipol pliată cu două fire.

Dacă raza ambelor conductoare este egală, atunci în ambele conductoare circulă curenți egali în aceeași direcție, adică, curenții sunt egali în mărime și fază. Dacă curentul total alimentat la borne este „I”, atunci fiecare dipol va avea curentul „I/2”. Astfel, cu aceeași putere aplicată, doar jumătate din curent circulă în primul dipol și, prin urmare, impedanța de intrare crește și devine de patru ori mai mare. Antena de dipol pliat este prezentată în figura de mai jos.

Formula generală pentru calculul impedanței pentru un dipol pliat este dată de,

Unde, n = nr. de fire de antenă

Atunci, pentru un dipol pliat cu două fire cu rază egală, impedanța de intrare sau rezistența de radiație este dată de

Din acest motiv, dipolul pliat cu două fire poate fi alimentat cu o linie de transmisie convențională cu fir deschis de 300 Ω fără niciun dispozitiv de adaptare.

Antenă dipol pliată cu trei fire (Tripol pliat)

Dacă trei antene dipol sunt conectate în paralel pentru a forma o buclă de fir subțire, atunci aceasta este cunoscută sub numele de antenă dipol pliată cu trei fire sau antenă tripol pliată.

Dacă se folosesc antene dipol pliate cu trei fire cu raze egale, atunci curentul circulă în mod egal în toate cele trei conductoare. Dacă curentul total alimentat la terminal este „I”, atunci fiecare dipol va avea curentul „I/3”.

Atunci, cu aceeași putere aplicată, doar o treime din curentul total de radiație circulă în primul dipol și, prin urmare, impedanța de intrare crește și devine de nouă ori. Antena dipol pliată este prezentată în figura de mai jos.

Atunci, pentru un dipol pliat cu trei fire cu rază egală, impedanța de intrare sau rezistența de radiație este dată de

Din acest motiv, dipolul pliat cu trei fire sau tripolul pliat poate fi alimentat cu o linie de transmisie deschisă convențională cu două fire de 600 Ω fără niciun dispozitiv de adaptare.

Astfel, antena dipol pliată sau antena tripolară pliată are o importantă proprietate de transformare a impedanței. Acest lucru o face ușor de adaptat cu o linie de transmisie care alimentează antena. De asemenea, este posibilă modificarea impedanței de intrare prin menținerea inegală a razei celor doi dipoli. În această condiție, un flux de curent mai mare trece printr-un dipol mai gros și, prin urmare, putem menține orice impedanță de intrare dorită.

Avantajele unei antene de dipol pliat

Câteva dintre avantajele unei antene de dipol pliat includ:

1. Are o impedanță de intrare ridicată; prin urmare, face ca aceasta să fie ușor de potrivit cu linia de transmisie.
2. Are o frecvență de bandă largă, adică, lărgime de bandă largă, prin urmare, este potrivită pentru transmisiunile FM și TV.
3. Are un câștig ridicat și o directivitate ridicată în comparație cu o antenă dipol simplă, prin urmare, poate fi utilizată în antena Yagi-Uda.

Antena dipol FM

Antena dipol FM este definită ca o antenă semidipolară cu jumătate de undă polarizată vertical. Antena dipol FM este utilizată în principal deoarece este de construit și este potrivită pentru a asigura o recepție îmbunătățită a emisiunilor FM VHF. Antena de dipol FM este prezentată în figura de mai jos.

Planul de radiație al antenei de dipol FM este perpendicular pe axa antenei, adică este orizontal, deoarece antena de dipol FM este o antenă de dipol cu jumătate de undă polarizată vertical. Diagrama de radiație a antenei dipol FM este prezentată în figura de mai jos.

Antena dipol FM este în general utilizată pentru gama de frecvențe de radiodifuziune FM cuprinsă între 88 MHz și 108 MHZ.

Antena dipol în evantai

Dipolul în evantai sau antena cu fir multibandă este o antenă în care mai mulți dipoli sunt conectați cu o linie de alimentare comună, iar aceștia sunt răspândiți ca un evantai, de aceea se numește antenă dipol în evantai.

Așa cum sugerează și numele, forma antenei dipol în evantai arată ca un evantai. Este cunoscută și sub denumirea de antenă dipol paralelă.

În antena dipol în evantai, fiecare dipol al benzii multiple este tăiat din centrul benzilor și conectat la o linie de alimentare comună. Dipolul ar trebui să fie tăiat de acolo de unde dorim să radieze. Când semnalul este transmis, primim doar semnalul din acea bandă care radiază, deoarece ceilalți dipoli au o impedanță mai mare în comparație cu acel element radiant.

Atena dipol în evantai este prezentată în figura de mai sus. Este o antenă dipol cu ventilator în 4 benzi. Aici, am folosit dipoli multibandă de 80 m, 40 m, 20 m și 10 m care sunt conectați în paralel cu o linie de alimentare comună.

Când dipolul de 80 m radiază înseamnă că curentul trece prin dipolul de 80 m, în această condiție, primim semnal doar din benzile de 80 m deoarece are o impedanță mai mică, în timp ce celelalte benzi de 40 m, 20 m și 10 m au o impedanță mai mare în comparație cu elementul radiant de 80 m.

În mod similar, atunci când dipolul de 40 m radiază, primim semnal doar din benzile de 40 m deoarece are o impedanță mai mică în comparație cu celălalt dipol. Rețineți că, în conformitate cu legea curentului lui Kirchhoff, și ceilalți dipoli radiază, dar nu în mod eficient.

Antena dipol pe jumătate de undă

Antena dipol pe jumătate de undă este cel mai utilizat tip de antenă dipol. După cum sugerează și numele, lungimea totală a antenei dipol este egală cu jumătatea lungimii de undă () la frecvența de funcționare.

Este cunoscută sub numele de dipol cu jumătate de lungime de undă sau pur și simplu dipol sau dublet. Este cunoscută și sub denumirea de antenă Hertz.

Antena dipol de jumătate de undă constă dintr-un conductor de două sferturi de lungime de undă cu punctul de alimentare în centru. Este antena simetrică în care cele două capete sunt la potențial egal cu punctul central.

Distribuția curentului în antena dipol cu jumătate de undă este aproximativ sinusoidală de-a lungul lungimii dipolului, adică o undă staționară în natură. În figura de mai jos sunt prezentate antena de bază cu dipol de jumătate de undă și distribuția tensiunii și a curentului pe aceasta.

Figura de radiație a antenei cu dipol de jumătate de undă este prezentată în figura de mai jos. Aceasta arată că direcțiile de radiație maximă sunt perpendiculare pe conductor sau pe axa antenei. Este, de asemenea, perpendiculară pe direcția curentului de antenă.

Antena dipol cu jumătate de undă poate funcționa în jurul intervalului de frecvență de la 3 kHz la 300 GHz; prin urmare, este utilizată în principal în receptoarele radio.

Antena dipolară scurtă

Antena dipolară scurtă este cel mai simplu tip de antenă dintre toate antenele. O antenă cu dipol scurt este cea în care lungimea firului este mai mică decât jumătate din lungimea de undă adică,().

Într-o antenă cu dipol scurt, impedanța de alimentare începe să crească și răspunsul său este mai puțin dependent de modificările de frecvență. Distribuția curentului în antena de dipol scurt este aproximativ triunghiulară.

Lungimea antenei de dipol scurt între și . adică, . Distribuția curentului în antena dipolară scurtă este aproximativ triunghiulară. Antena dipolară scurtă de bază și distribuția curentului pe aceasta sunt prezentate în figura de mai jos.

Distribuția curentului într-o antenă dipolară scurtă

Figura de radiație a antenei dipolare scurte este pur și simplu un cerc. Acesta este ușor diferit în comparație cu cel al antenei dipol cu jumătate de undă. Diagrama de radiație a antenei de dipol scurt și compararea acesteia cu antena de dipol de jumătate de undă este prezentată în figura de mai jos.

O antenă de dipol scurt este utilizată în locul antenei de dipol de jumătate de undă completă în anumite aplicații în care antena de dipol de jumătate de undă completă este prea mare.

La ce se utilizează o antenă dipol (aplicații)?

Câteva dintre aplicațiile antenei dipol includ:

• Antena dipol este utilizată pe scară largă în radio și telecomunicații.
• O antenă poate fi utilizată fie ca o antenă de emisie, fie ca o antenă de recepție. O antenă de emisie este utilizată pentru a converti semnalele electrice în unde electromagnetice și a le radia. În timp ce o antenă de recepție este utilizată pentru a converti undele electromagnetice în semnale electrice. În comunicarea bidirecțională, aceeași antenă dipolară poate fi utilizată atât pentru emisie, cât și pentru recepție.
• O antenă dipolară de jumătate de undă este utilizată în receptoarele de radio și televiziune.
• O antenă dipol pliată este utilizată în antenele Yagi-Uda pentru recepția terestră a televiziunii (TV) folosind linia echilibrată de Z0 = 300 Ω, deoarece o antenă dipol pliată are o impedanță de intrare ridicată și, prin urmare, se potrivește ușor cu impedanța liniei de transmisie.
• Antena dipol pliată este utilizată în operațiunile în bandă largă, cum ar fi transmisia FM și TV (televiziune).
• Antenele VHF și UHF sunt utilizate în comunicațiile mobile terestre în zonele de coastă, în siguranța publică, în comunicațiile publice și în aplicațiile industriale.
• Antena dipol FM este utilizată ca antenă de emisie-recepție FM pentru banda de difuzare FM de la 88 MHz la 108 MHz.
• O antenă cu reflector parabolic este utilizată în mod obișnuit pentru comunicații prin satelit, radioastronomie și pentru diverse tipuri de legături de comunicații radio.

.