Дипольная антенна
Дипольная антенна (от латинского ди «два»; немецкий двухполюсный антенны ; также антенны диполь ) представляет собой удлиненную антенну , которая состоит из двух (возможно , в сложенном виде) прямых металлических стержней или проволок. Он преобразует высокочастотный переменный ток и электромагнитные волны друг в друга и поэтому может использоваться как для отправки, так и для приема . Здесь действует закон взаимности .
Оптимальная длина дипольной антенны λ / 2, если пренебречь коэффициентом укорочения , составляет половину длины волны λ питающего высокочастотного переменного тока. Укорочение или удлинение антенны приводит к соответствующему изменению резонансной частоты . Сокращение означает увеличение частоты и наоборот.
история
Принцип дипольной антенны восходит к немецкому физику Генриху Герцу , который первым экспериментально продемонстрировал электромагнитные волны. Его диполь (диполь Герца ), который был намного меньше λ / 8, имеет только теоретическое значение. Увеличение примерно до λ / 2 приводит к резонансу, который облегчает адаптацию антенны к фидерной линии и увеличивает эффективность. Русский физик Александр Степанович Попов впервые использовал дипольную антенну для приема электромагнитных волн в 1895 году.
Основы
На анимации справа показано, как можно представить создание резонансного диполя из колебательного контура .
На рисунке справа показаны фазы колебаний диполя λ / 2. Пусть электрическое возбуждение начинается в нулевой момент времени, когда наибольший избыток электронов находится на левом конце. В то же время на правом конце потенциал особенно положительный, электронов не хватает. Электричества пока нет.
Противоположные заряды притягиваются, поэтому много электронов движется вправо. Четверть периода спустя, в момент времени T / 4, максимум тока измеряется в середине диполя, и именно здесь создается самое сильное магнитное поле. Напряжение на диполе в это время уравновешивается.
Магнитное поле предотвращает резкую остановку тока. Он перемещает электроны дальше на другую сторону. Ровно через половину периода колебаний после начала ( T / 2) плотности электронов поменялись местами, и теперь самое высокое отрицательное напряжение измеряется на правом конце диполя. Электричество отключилось. Теперь начинается обратный процесс компенсации. По прошествии всего периода T восстанавливается исходное состояние.
Есть два типа диполя:
- Его можно разделить посередине для подключения к нему симметричного кабеля. Его полное сопротивление должно быть относительно низким (около 70 Ом) для согласования мощности. Если предполагается использовать несимметричный коаксиальный кабель, на этом этапе требуется симметричный резистор .
- Несимметричный кабель с относительно высоким импедансом (2200 Ом, если возможно) можно подключить к одному концу диполя. Если используется коаксиальный кабель с низким сопротивлением, на этом этапе требуется резонансный трансформатор для регулировки мощности ( см. Также раздел о стержне антенны в статье Волновое сопротивление ).
Импеданс
Затухание резонанса через излучение в свободное пространство вызывает сдвиг резонанса на несколько более низкую частоту и сложную часть импеданса базовой точки . Для открытого диполя с центральным питанием длиной λ / 2 это составляет (73,1 + j 42,5) Ом.
Чтобы компенсировать частотный сдвиг и исключить мнимую часть, диполь λ / 2 укорачивается до 96% длины без учета частотного сдвига. Это относится к бесконечно тонкому диполю. Однако, поскольку в действительности диаметр дипольных элементов> 0, коэффициент укорочения дополнительно уменьшается в зависимости от диаметра. Предметы возле антенны также увеличивают коэффициент укорочения. Основная причина дополнительного укорочения - сопротивление проводника окружающей среде. Полоса пропускания дипольной антенны увеличивается с увеличением диаметра, что особенно полезно для веерообразных и широкополосных диполей . Для диполя λ / 2 коэффициент укорочения V определяется длиной диполя l и диаметром d как:
Сложенный диполя также тип & lambda ; / 2 диполя. Он подается в середину одного из двух параллельных проводов, соединенных друг с другом на концах. Его импеданс в 4 раза выше, чем у растянутого диполя λ / 2, так как только половина тока проходит через точки питания. Это очень хорошо сочетается с балуном, сделанным из обходной линии λ / 2, что снижает импеданс до 1/4 и позволяет подключать стандартный коаксиальный кабель.
Диаграмма направленности
Диаграмма направленности антенны , то есть угол зависимость интенсивности излучения , может быть вычислена из распределения тока по длине проводника. Выражение является результатом приблизительно синусоидального распределения тока на диполе λ / 2 (вверху слева на рисунке справа)
- ,
где h - угол места для вертикальной антенны. Для сравнения: соответствующее выражение диполя Герца на рисунке справа просто cos ( h ). Вы можете видеть, что излучение диполя λ / 2 немного более направленное: излучаемая мощность уже упала наполовину при угле места 39 ° вместо 45 °.
Интеграция угловой зависимости по всем направлениям обеспечивает общую мощность и ее равномерное распределение как эталонное значение для интенсивности излучения ( изотропный излучатель ). Для диполя λ / 2 интенсивность излучения в главном направлении ( h = 0) в G = 1,64 (2,15 дБи ) раз больше, чем эталонное значение. С диполем Герца это усиление антенны G составляет всего 1,5 (1,76 дБи). При длине 5/4 λ наибольшее усиление диполя составляет 5,2 дБи. Боковые лепестки образуются выше, и лучшие значения возможны только с гораздо большим диполем. Вот почему диполи 5/4-λ используются в качестве простых направленных антенн, особенно в форме антенны на плоскости заземления с длиной 5/8-λ. Однако согласование импеданса имеет важное значение.
Согласованная по мощности антенна извлекает мощность из плоской волны, падающей с основного направления, которое соответствует ее эффективной площади A W. Для диполя λ / 2 это:
Направленность дипольной антенны может быть увеличена путем добавления дополнительных элементов, см. Антенну Яги .
В случаях, когда направленный эффект просто нежелателен, например B. Если вам нужен всесторонний прием или передача, вы можете использовать диполь изгиба, в котором два металлических стержня расположены под углом 90 ° друг к другу.
Полноволновые диполи
Если вы поместите два полуволновых диполя без питания вдоль друг друга и запитаете их обращенные друг к другу концы, будет создан полноволновый диполь. На концах элементов λ / 2 есть максимумы напряжения, поэтому двухполупериодные диполи имеют очень высокий импеданс питания (> 1 кОм). Преимуществом перед полуволновым диполем является немного улучшенный эффект направленности и, следовательно, увеличенное усиление антенны .
Чтобы собрать антенну из двух полуволновых диполей и добиться общего сопротивления кабеля (примерно 50 Ом), существуют разные возможности:
- Полуволновые диполи соединены в массив и запитаны параллельно с правильной фазой.
- Импеданс питания изменяется с помощью резонансного трансформатора .
- Вы можете снизить импеданс и в то же время увеличить полосу пропускания, если выберете плоские диполи вместо тонких стержней . Такие двухполупериодные диполи, состоящие из двух треугольных поверхностей (или эквивалентных стержней Х-образной формы), также используются в качестве излучателей в антеннах Яги. Пассивные элементы этих антенн рассчитаны на верхнюю часть полосы частот поверхностного диполя, так что усиление увеличивается по направлению к более высоким частотам.
Дальнейшее соединение диполей выполняется редко, поскольку это приводит к нежелательным «боковым лепесткам» на диаграмме излучения . Затем антенна «переключается».
Смотри тоже
литература
- Мартин Герхард Вегенер: Современные технологии радиоприема. Францис-Верлаг, Мюнхен 1985, ISBN 3-7723-7911-7 .
веб ссылки
- Представление распространения волны диполя
- Описание питаемых напряжением и укороченных диполей специальной формы pdf 3,5 МБ