Dipolantenn: Vad är det? (Och typerna av antenner)

Vad är en dipolantenn?

En dipolantenn (även känd som en dubbeltopp eller dipolantenn) definieras som en typ av RF-antenn (radiofrekvensantenn) som består av två ledande element som t.ex. stavar eller trådar. Dipolantenn är någon av de antennvarianter som ger ett strålningsmönster som närmar sig en elementär elektrisk dipols strålningsmönster. Dipolantenner är den enklaste och mest använda typen av antenn.

En ”dipol” betyder ”två poler” och därför består dipolantennen av två identiska ledande element, t.ex. stavar eller metalltrådar. Metalltrådarnas längd är ungefär hälften av den maximala våglängden (dvs. ) i det fria rummet vid den aktuella frekvensen.

Denna tråd eller stav är delad i mitten och de två sektionerna är åtskilda av en isolator, dessa sektioner kallas antennsektion.

Dessa två antennsektioner är anslutna till en matare eller koaxialkabel i den ände som ligger närmast antennens centrum. Observera att våglängden är avståndet mellan två på varandra följande maximi- eller minimipunkter. Den grundläggande dipolantennen med den centrala matningspunkten visas i figuren nedan.

Den radiofrekventa (RF) spänningskällan appliceras på centrum mellan dipolantennens två sektioner. Denna spänning och en ström som flyter genom de två ledande elementen producerar en radiosignal eller en elektromagnetisk våg som strålar ut från antennen.

Strömmen är maximal och spänningen är minimal i dipolantennens centrum. Omvänt är strömmen minimal och spänningen maximal vid dipolantennens ändar.

Strålningsmönstret för den grundläggande dipolantennen visas i figuren nedan. Det är vinkelrätt mot antennens axel.

Notera att strålningsmönstret är den grafiska representationen av antennens strålningsegenskaper som en funktion av utrymmet dvs, antennens strålningsmönster beskriver hur antennen strålar ut energi i rymden.

Dipolantennen är en typ av transducer som omvandlar elektriska signaler till elektromagnetiska högfrekvensvågor och strålar ut dem på sändarsidan och omvandlar elektromagnetiska högfrekvensvågor till elektriska signaler på mottagarsidan.

Design av dipolantenner

Vi kan designa många dipolantenner som fungerar på HF- (högfrekvens), VHF- (mycket högfrekvens) och UHF-banden (ultrahögfrekvens) i radiofrekvensspektrumet.

Låt oss designa en dipolantenn på 1 MHZ.

Val av längd på dipolantennen

Som vi vet varierar våglängden för en radiovåg eller någon annan våg omvänt proportionellt mot frekvensen. Den ges av följande:

(1)

Varvid C = ljusets hastighet =

f = frekvens, i Hertz

= våglängd, i meter

Därmed,

(2)

Nu, vid en halv våglängd, ges antennens längd av,

(3)

Med utgångspunkt från ekvation (3) kan vi säga att om vi använder en 1 MHz radiosändare kommer antenntrådens grundlängd att vara 150 meter eller 492 fot eller 5905 tum.

Detta stämmer om vi bortser från ”sluteffekten”. Denna ”ändverkan” är den dielektriska effekten av luften vid antennens ände som ökar antennens effektiva längd. På grund av ändverkan fungerar en antenntråd som 5 % längre än den faktiska längden. Detta kommer att ge upphov till störningar mellan de spännande och oscillerande strömmarna och på grund av detta kan oscillationsamplituden försvagas.

För att motverka ”ändverkan” och få antennen att fungera korrekt är det därför nödvändigt att kapa antenntråden med cirka 5 % och göra dess fysiska längd till cirka 95 % av halva våglängden.

För att få fram antenntrådens praktiska längd multipliceras värdet med en faktor K till antenntrådens grundlängd, dvs,

(4)

Värdet av K beror på ledarens tjocklek och arbetsfrekvensen. Detta värde på K är korrekt för antenntråd vid en frekvens på upp till 30 MHz.

Val av matningsimpedans eller strålningsmotstånd

Matningsimpedansen för en dipol definieras av förhållandet mellan spänningen och strömmen vid matningspunkten. Den matas vanligtvis vid spänningsminimum och strömmaximum.

För att säkerställa maximal överföring av energi från mataren, eller källa/last, bör dipolantennens matningsimpedans vara densamma som källans eller lastens impedans. Genom att matcha matningsimpedansen till källans eller belastningens impedans kan antennen fungera med maximal effektivitet.

Strålningsmotståndet eller en matningsimpedans för en ideal dipolantenn i det fria rummet kan ungefärligen modelleras med en impedans på 73 Ω och under praktiska förhållanden varierar den från 60 Ω till 70 Ω. Antennens impedans kan förändras genom att variera längden eller formen på trådarna.

Många typer av koaxialkabel har en karakteristisk impedans på 75 Ω därför kan dipolantennen matas med en koaxialkabel med 75 Ω två trådar vilket är en bra matchning för en halvvågsdipolantenn.

Den halvvågiga dipolen kan också matas med en överföringsledning med impedanserna 300 Ω och 600 Ω öppen trådledning med vikta dipoler beroende på effekthanteringsförmåga.

Använd balanserad matare eller balun

Dipolantennen är den balanserade antennen. Därför är det nödvändigt att använda en balanserad matare. En balanserad feeder består av två parallella ledare. De strömmar som flyter i de båda ledarna är lika stora men av motsatt riktning. Därför upphävs strålningsfältet från dem och ingen effekt förbrukas. Avståndet mellan ledarna är normalt cirka 0,01 våglängd. Om en koaxialmatare måste användas måste den balanserade balunen användas.

Koaxialkabel

Den vanligaste mataren som används för att mata antennen är koaxialkabel eller koaxialkabel. Den kallas ofta för RF-kabel.

En koaxialkabel leder ström i båda ledarna. Dessa strömmar är lika stora men har motsatt riktning. På grund av detta är alla strålningsfält sammanlänkade i kabeln och upphäver därmed varandra.

Det finns alltså inget strålningsfält utanför kabeln, vilket innebär att den inte påverkas av närliggande föremål. Därför är den bäst lämpad som matare till dipolantennen.

Strain Isolator

En strain isolator är en elektrisk isolator som är utformad för att motstå dragningen från en upphängd elektrisk kabel eller tråd.

Den sätts in mellan två längder av den ledande tråden, för att isolera dem elektriskt från varandra. Den används i elektriska luftledningar, för att stödja radioantenner och luftledningar.

Den övergripande utformningen av en 1 MHz dipolantenn visas i figuren nedan.

Typer av dipolantenner

De vanligaste typerna av dipolantenner är halvvågsdipolantenner. Det finns många typer av dipolantenner som kan konstrueras. Låt oss förklara de viktigaste typerna av dipolantenner i detalj.

Viktad dipolantenn

En viktad dipolantenn är en grupp av tvådipolantenner. Om två dipolantenner kopplas parallellt för att bilda en tunn trådslinga kallas den för en vikad dipolantenn.

Som namnet antyder är dipolantennens form vikad tillbaka på sig själv. I den vikta dipolantennen är två halvvågsdipoler – en kontinuerlig och den andra delad i mitten – vikta och sammanfogade parallellt i ändarna. Den delade dipolen matas i mitten av en balanserad överföringsledning. Därför har de två dipolerna samma spänningar vid sina ändar och två identiska strömmar genereras.

Strålningsmönstret för en veckad dipol är detsamma som för en vanlig dipol, men ingångsimpedansen för den veckade dipolen är högre och riktningen för en veckad dipol är dubbelriktad.

Tvåtrådig viktad dipolantenn

Om två dipolantenner kopplas parallellt för att bilda en tunn trådslinga kallas den för en tvåtrådig viktad dipolantenn.

Om radien på båda ledarna är lika stor, så flödar lika stora strömmar i båda ledarna i samma riktning, dvs, strömmarna är lika stora i storlek och fas. Om den totala strömmen som tillförs terminalen är ”I” kommer varje dipol att ha strömmen ”I/2”. Med samma strömstyrka flödar alltså endast hälften av strömmen i den första dipolen, vilket innebär att ingångsimpedansen ökar och blir fyra gånger större. Den vikta dipolantennen visas i figuren nedan.

Den allmänna formeln för impedansberäkning för en viktad dipol ges av,

Varvid, n = nr. av antenntråd

För en viktad dipol med två trådar och samma radie ges ingångsimpedansen eller strålningsmotståndet av

Den vikta dipolen med två trådar kan därför matas med en konventionell öppen trådöverföringsledning på 300 Ω utan någon anpassningsanordning.

Tretrådig viktad dipolantenn (Folded Tripole)

Om tre dipolantenner kopplas parallellt för att bilda en tunn trådslinga kallas den för en tretrådig viktad dipolantenn eller Folded Tripole-antenn.

Om tretrådiga vikta dipolantenner används med lika stora radier, så flyter den lika stora strömmen i alla de tre ledarna. Om den totala strömmen som matas till terminalen är ”I” kommer varje dipol att ha strömmen ”I/3”.

Med samma effekt flödar alltså endast en tredjedel av den totala strålningsströmmen i den första dipolen, och därmed ökar ingångsimpedansen och den blir nio gånger. Den vikta dipolantennen visas i figuren nedan.

För en tretrådig folded dipol med samma radie ges alltså ingångsimpedansen eller strålningsmotståndet av

Det är därför möjligt att matcha en tretrådig folded dipol eller folded tripole med en konventionell 600 Ω tvåtrådig öppen transmissionsledning utan någon anpassningsanordning.

Den vikta dipolantennen eller tripolantennen har alltså viktiga impedansomvandlande egenskaper. Detta gör den lätt att matcha med en transmissionsledning som matar antennen. Det är också möjligt att ändra ingångsimpedansen genom att hålla radien för de två dipolerna ojämna. I detta tillstånd flödar en större ström genom en tjockare dipol och därmed kan vi bibehålla vilken önskad ingångsimpedans som helst.

Fördelar med en viktad dipolantenn

Några av fördelarna med en viktad dipolantenn är bland annat:

1. Den har en hög ingångsimpedans, vilket gör att den är lätt att matcha med transmissionsledningen.
2. Den har en bredbandsfrekvens, dvs, bred bandbredd, därför är den lämplig för FM- och TV-sändningar.
3. Den har hög förstärkning och hög riktverkan jämfört med en enkel dipolantenn, därför kan den användas i Yagi-Uda-antennen.

FM-dipolantenn

FM-dipolantenn definieras som den vertikalt polariserade halvvågiga halvdipolantennen. FM-dipolantennen används oftast eftersom den är lätt att bygga och är lämplig för att ge förbättrad mottagning av VHF FM-sändningar. FM-dipolantennen visas i figuren nedan.

Strålningsmönstret för FM-dipolantennen är vinkelrätt mot antennens axel dvs. det är horisontellt eftersom FM-dipolantennen är en vertikalt polariserad halvvågig dipolantenn. Strålningsmönstret för FM-dipolantennen visas i nedanstående figur.

FMF-dipolantennen används i allmänhet för FM-sändningar i frekvensområdet mellan 88 MHz och 108 MHZ.

Fläktdipolantenn

Fläktdipol eller multibands trådantenn är en antenn där flera dipoler är anslutna till en gemensam matarledning, och de är utspridda som en fläkt därför kallas den för en fläktdipolantenn.

Som namnet antyder att fläktdipolantennens form ser ut som en fläkt. Den är också känd som en parallell dipolantenn.

I fläktdipolantennen skärs varje dipol i flerbandsantennen av från bandens centrum och ansluts till en gemensam matarledning. Dipolen ska klippas från den plats där vi vill att den ska stråla. När signalen sänds tar vi bara emot signalen från det band som strålar, eftersom de andra dipolerna har en högre impedans jämfört med det strålande elementet.

Fan dipolantennen visas i figuren ovan. Det är en fyrbands fläktdipolantenn. Här har vi använt 80 m, 40 m, 20 m och 10 m multibandsdipoler som är parallellt anslutna med en gemensam matarledning.

När 80 m-dipolen strålar innebär det att strömmen passerar genom 80 m-dipoler, i detta tillstånd tar vi emot signalen endast från 80 m-banden eftersom den har en lägre impedans medan de andra 40 m-, 20 m- och 10 m-banden har en högre impedans jämfört med 80 m-strålande elementet.

Samma sak, när 40 m-dipolen strålar, tar vi bara emot signalen från 40 m-banden eftersom den har en lägre impedans jämfört med den andra dipolen. Observera att enligt Kirchhoffs strömningslag strålar även andra dipoler men inte effektivt.

Halvvågsdipolantenn

Halvvågsdipolantennen är den mest använda typen av dipolantenn. Som namnet antyder är dipolantennens totala längd lika med den halva våglängden () vid den aktuella frekvensen.

Den är känd som en dipol med halva våglängden eller helt enkelt dipol eller doublet. Den är också känd som Hertz-antenn.

Den halvvågiga dipolantennen består av en ledare med två fjärdedels våglängd med matningspunkten i mitten. Det är en symmetrisk antenn där de två ändarna har samma potential som mittpunkten.

Strömfördelningen i den halvvågiga dipolantennen är ungefär sinusformig längs dipolens längd, dvs. en stående våg i naturen. Den grundläggande halvvågsdipolantennen och spännings- och strömfördelningen på den visas i figuren nedan.

Strålningsmönstret för halvvågsdipolantennen visas i figuren nedan. Den visar att riktningarna för maximal strålning är vinkelräta mot ledaren eller antennens axel. Det är också vinkelrätt mot antennströmmens riktning.

Den halvvågsdipolantenn kan arbeta i frekvensområdet 3 kHz till 300 GHz, och används därför främst i radiomottagare.

Kort dipolantenn

Den korta dipolantennen är den enklaste antenntypen av alla antenner. En kort dipolantenn är en antenn där ledningens längd är mindre än halva våglängden dvs.().

I en kort dipolantenn börjar matningsimpedansen att öka och dess respons är mindre beroende av frekvensförändringar. Strömfördelningen i den korta dipolantennen är ungefär triangulär.

Längden på den korta dipolantennen ligger mellan och , dvs. . Strömfördelningen i den korta dipolantennen är ungefär triangulär. Den grundläggande korta dipolantennen och strömfördelningen på den visas i nedanstående figur.

Strålningsmönstret för den korta dipolantennen är helt enkelt en cirkel. Det är något annorlunda jämfört med halvvågsdipolantennen. Strålningsmönstret för den korta dipolantennen och dess jämförelse med halvvågsdipolantennen visas i figuren nedan.

En kort dipolantenn används i stället för den fullständiga halvvågsdipolantennen i vissa tillämpningar där den fullständiga halvvågsdipolantennen är för stor.

Vad används en dipolantenn till (tillämpningar)?

Några av dipolantennens användningsområden är:

• Dipolantennen används ofta inom radio och telekommunikation.
• En antenn kan användas antingen som sändarantenn eller mottagarantenn. En sändarantenn används för att omvandla elektriska signaler till elektromagnetiska vågor och utstråla dem. Medan en mottagarantenn används för att omvandla elektromagnetiska vågor till elektriska signaler. Vid tvåvägskommunikation kan samma dipolantenn användas för både sändning och mottagning.
• En halvvågsdipolantenn används i radio- och tv-mottagare.
• En veckad dipolantenn används i Yagi-Uda-antenner för markbunden tv-mottagning (TV) med hjälp av den balanserade linjen Z0 = 300 Ω eftersom en veckad dipolantenn har en hög ingångsimpedans och därför är den lätt att matcha med överföringslinjens impedans.
• Den veckade dipolantennen används vid bredbandsverksamhet som FM- och TV-sändningar (TV).
• VHF- och UHF-antenner används för landmobil kommunikation i kustområden, offentlig säkerhet, offentlig kommunikation och industriella tillämpningar.
• FM-dipolantenn används som FM-sändningsmottagningsantenn för FM-sändningsbandet 88 MHz till 108 MHz.
• En parabolisk reflektorantenn används vanligen för satellitkommunikation, radioastronomi och för olika typer av radiokommunikationslänkar.