Дипольная антенна

Полуволновой диполь УВЧ

Дипольная антенна, используемая радиовысотомером в самолете

Анимированная схема полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволны. Антенна состоит из двух металлических стержней, соединенных с Р. приемником Электрическое поле ( E , зеленые стрелки ) приходящей волны толкает электроны в стержнях взад и вперед, заряжая концы попеременно положительными (+) и отрицательными (-) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, колеблющееся поле индуцирует стоячие волны напряжения ( V , обозначенные красной полосой ) и тока в стержнях. Колебательные токи ( черные стрелки ) текут по линии передачи и через приемник (представлен сопротивлением R ).

В радио и телекоммуникациях или дипольная антенна дублет . — один из двух простейших и наиболее распространенных типов антенн ; другой — монополь . Диполь — это любая антенна из класса антенн, создающая диаграмму направленности, приближающуюся к диаграмме направленности элементарного электрического диполя с излучающей структурой, поддерживающей линейный ток, находящийся под таким напряжением, что ток имеет только один узел на каждом дальнем конце. Дипольная антенна обычно состоит из двух одинаковых проводящих элементов. например металлические проволоки или стержни. Ток возбуждения от передатчика подается или для приемных антенн подается выходной сигнал на приемник между двумя половинками антенны. Каждая сторона линии питания передатчика или приемника подключена к одному из проводников. Это контрастирует с монопольной антенной , которая состоит из одного стержня или проводника, к которому подключена одна сторона питающей линии, а другая сторона подключена к земле какого-либо типа. Типичным примером диполя является телевизионная антенна «кроличьи уши» , которую можно найти в вещательных телевизорах. Все диполи электрически эквивалентны двум монополям, установленным встык и питаемым противоположными фазами, при этом земляная плоскость между ними становится «виртуальной» противоположным монополем.

Диполь — самый простой тип антенны с теоретической точки зрения. Чаще всего он состоит из двух проводников одинаковой длины, расположенных встык, между которыми соединена линия питания. Диполи часто используются в качестве резонансных антенн . Если точку питания такой антенны закоротить, то она сможет резонировать на определенной частоте, подобно гитарной струне перещипанной . Использование антенны примерно на этой частоте выгодно с точки зрения импеданса точки питания (и, следовательно, коэффициента стоячей волны ), поэтому ее длина определяется предполагаемой длиной волны (или частотой) работы. Наиболее часто используется полуволновой диполь с центральным питанием , длина которого составляет чуть меньше полуволны. Диаграмма направленности полуволнового диполя максимально перпендикулярна проводнику и падает до нуля в осевом направлении, что позволяет реализовать всенаправленную антенну, если она установлена ​​вертикально, или (чаще) слабонаправленную антенну, если она установлена ​​горизонтально.

Хотя их можно использовать как автономные антенны с низким коэффициентом усиления , диполи также используются в качестве возбуждаемых элементов в более сложных конструкциях антенн. такие как антенна Яги и управляемые решетки . Дипольные антенны (или производные от них конструкции, включая немонопольный) используются для питания более сложных направленных антенн, таких как рупорная антенна , параболический отражатель или угловой отражатель . Инженеры анализируют вертикальные (или другие монопольные ) антенны на основе дипольных антенн, половиной которых они являются.

История

Немецкий физик Генрих Герц впервые продемонстрировал существование радиоволн в 1887 году, используя то, что мы теперь знаем как дипольную антенну (с емкостной торцевой нагрузкой). С другой стороны, Гульельмо Маркони эмпирически обнаружил, что он может просто заземлить передатчик (или одну сторону линии передачи, если она используется), обходясь без половины антенны, реализуя таким образом вертикальную или несимметричную антенну . Для низких частот, которые Маркони использовал для связи на большие расстояния, эта форма была более практичной; когда радио перешло на более высокие частоты (особенно передачи УКВ для FM-радио и телевидения), было выгодно, чтобы эти антенны гораздо меньшего размера были полностью расположены на вершине башни, что требовало дипольной антенны или одной из ее разновидностей.

На заре радио радио так называемые антенна Маркони (монополь) и дублет (диполь) рассматривались как отдельные изобретения. Однако теперь под «монопольной» антенной понимают частный случай диполя, имеющего виртуальный элемент «под землей».

Дипольные вариации

Короткий диполь

Короткий диполь — это диполь, образованный двумя проводниками общей длиной ℓ существенно меньше половины длины волны ( ⁠ 1/2 ​ ⁠ ) λ . Короткие диполи иногда используются в приложениях, где полный полуволновой диполь был бы слишком большим. Их можно легко проанализировать, используя результаты, полученные ниже для вымышленного диполя Герца. Будучи короче, чем резонансная антенна (длиной в половину длины волны), ее полное сопротивление в точке питания включает в себя большое емкостное реактивное сопротивление, требующее нагрузочной катушки или другой согласующей сети, чтобы быть практичным, особенно в качестве передающей антенны.

Чтобы найти электрические и магнитные поля в дальней зоне, генерируемые коротким диполем, мы используем результат, показанный ниже для диполя Герца (бесконечно малого элемента тока) на расстоянии r от тока и под углом θ к направлению тока: как:

${\begin{aligned}H_{\phi }&=j\ {\frac {\ I_{h}\ \ell \ k\ }{4\pi \ r}}\ e^{\ j\ \left(\omega t\ -\ kr\right)}\ \sin(\theta )\\E_{\theta }&=\zeta _{0}\ H_{\phi }=j\ {\frac {\ \zeta _{0}\ I_{h}\ \ell \ k\ }{4\pi \ r}}\ e^{\ j\ \left(\omega t\ -\ kr\right)}\ \sin(\theta )~.\end{aligned}}$

где радиатор состоит из тока $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ на короткой длине ℓ и $\ j^{2}\equiv -1\$ в электронике заменяет привычный математический символ i на «квадратный корень из −1 ». ω — радианная частота ( $\omega \equiv 2\pi f\$) и k — волновое число ( $\ k\equiv 2\pi /\lambda \$). ζ ₀ – импеданс свободного пространства ( $\zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}$), который представляет собой отношение напряженности электрического и магнитного поля плоской волны в свободном пространстве.

Diagram of a short dipole antenna

Точка питания обычно находится в центре диполя, как показано на схеме. Ток вдоль плеч диполя приближенно описывается как пропорциональный $\ \sin(\ k\ z\ )\$ где z — расстояние до конца рычага. В случае короткого диполя это, по сути, линейное падение от $\ I_{0}\$ в точке подачи до нуля в конце. Следовательно, это сравнимо с диполем Герца с эффективным током I _h, равным среднему току по проводнику, поэтому ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ Благодаря этой замене приведенные выше уравнения близко аппроксимируют поля, генерируемые коротким диполем, питаемым током. $\ I_{0}~.$

Из рассчитанных выше полей можно найти излучаемый поток (мощность на единицу площади) в любой точке как величину действительной части вектора Пойнтинга , S которая определяется выражением ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}~.}$ Поскольку E и H расположены под прямым углом и совпадают по фазе, мнимая часть отсутствует и просто равна ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ с фазовыми коэффициентами (экспонентами), компенсирующими, оставляя:

$S={\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}={\frac {1}{2}}\ {\frac {\ \zeta _{0}\ I_{h}^{2}\ \ell ^{2}\ k^{2}\ }{(4\pi r)^{2}}}\ \sin ^{2}(\theta )={\frac {\zeta _{0}}{32}}\ I_{0}^{2}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}\ {\frac {1}{r^{2}}}\ \sin ^{2}(\theta )~.$

Теперь мы выразили поток через ток в точке питания I ₀ и отношение длины короткого диполя ℓ к длине волны излучения λ . Диаграмма направленности, определяемая $\ \sin ^{2}(\theta )\$ Видно, что он аналогичен и лишь немного менее направлен, чем у полуволнового диполя.

Диаграмма направленности короткого диполя (пунктирная линия) по сравнению с полуволновым диполем (сплошная линия)

Используя приведенное выше выражение для излучения в дальней зоне при заданном токе в точке питания, мы можем проинтегрировать по всем телесным углам, чтобы получить полную излучаемую мощность.

$P_{\text{total}}={\frac {\pi }{12}}\ \zeta _{0}\ I_{0}^{2}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}~.$

Отсюда можно сделать вывод о сопротивлении излучения , равном резистивной (действительной) части импеданса точки питания, пренебрегая компонентом, обусловленным омическими потерями. Установив P _total на мощность, подаваемую в точке питания. ${\textstyle \ {\tfrac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ мы находим:

$\ R_{\text{radiation}}={\frac {\pi }{6}}\ \zeta _{0}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}\approx \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}(197\ \Omega )~.$

Опять же, эти приближения становятся весьма точными для ℓ ≪ ⁠ 1 / 2 ⁠ λ . Настройка ℓ = ⁠ 1 / 2 ⁠ λ, несмотря на то, что ее использование не совсем справедливо для такой большой части длины волны, формула предсказывает сопротивление излучения 49 Ом вместо фактического значения 73 Ом, создаваемого полуволновым диполем, когда более используются правильные четвертьволновые синусоидальные токи.

Дипольные антенны различной длины

Фундаментальный резонанс тонкого линейного проводника возникает на частоте, длина волны которой в свободном пространстве вдвое превышает длину провода; то есть где находится проводник ⁠ 1/2 ⁠ длины волны . Дипольные антенны часто используются примерно на этой частоте и поэтому называются полуволновыми дипольными антеннами. Этот важный случай рассматривается в следующем разделе.

Тонкие линейные проводники длиной $\ \ell \$ на самом деле резонансны при любом целом числе, кратном полуволне:

$\ \ell =n\times {\frac {\ \lambda \ }{2}}\$

где n — целое число, $\ \lambda ={\frac {\ c\ }{f}}\$ — длина волны, а c — приведенная скорость радиоволн в излучающем проводнике ( c ≈ 97%× c _o , скорость света ). Однако для диполя с центральным питанием существует большая разница между n нечетным и четным . Диполи, длина которых составляет нечетное число полуволн, имеют достаточно низкие импедансы движущей точки (которые на этой резонансной частоте являются чисто резистивными). Однако те, которые имеют длину четное число полуволн, то есть целое число длин волн, имеют высокий импеданс движущей точки (хотя и чисто резистивный на этой резонансной частоте).

Например, полноволновая дипольная антенна может быть изготовлена ​​из двух полуволновых проводников, расположенных встык, общей длиной примерно $\ \ell \approx \lambda \ .$ Это приводит к дополнительному выигрышу по сравнению с полуволновым диполем примерно на 2 дБ. Полноволновые диполи можно использовать в коротковолновом радиовещании только за счет очень большого эффективного диаметра и подачи питания от симметричной линии с высоким импедансом. Для получения большого диаметра часто используются клеточные диполи.

А ⁠ 5/4 - ⁠ согласующей волновая дипольная антенна имеет гораздо более низкий, но не чисто резистивный импеданс точки питания, что требует сети с импедансом линии передачи. Его усиление примерно на 3 дБ больше, чем у полуволнового диполя, что является самым высоким коэффициентом усиления среди любого диполя любой аналогичной длины.

Коэффициент усиления дипольных антенн

Длина, $\ \ell \$ в длины волн	Директива прирост (дБи)	Примечания
≪ 0.5	1.76	Низкая эффективность
0.5	2.15	Наиболее распространенный
1.0	4.0	Только с толстыми диполями
1.25	5.2	Наибольший выигрыш
1.5	3.5	Третья гармоника
2.0	4.3	Не используется

Диполи другой разумной длины не дают преимуществ и используются редко. Однако иногда используются обертонные резонансы полуволновой дипольной антенны на нечетных кратных ее основной частоте. Например, любительские радиоантенны . в качестве полуволновых диполей на частоте 7 МГц можно использовать и ⁠ 3/2 - ⁠ волновые диполи на 21 МГц; аналогично телевизионные антенны УКВ, резонирующие в нижнем телевизионном диапазоне УКВ (около 65 МГц), также резонансны в верхнем телевизионном диапазоне УКВ (около 195 МГц).

Полуволновой диполь

Анимация передающего полуволнового диполя, показывающая напряжение $\ V(x)\$ ( красный ,  ) и ток $\ I(x)\$ ( синий ,  ) из-за стоячей волны на антенне. Поскольку стоячая волна в основном сохраняет энергию, а не передает ее, ток не синфазен по фазе с напряжением, а сдвинут по фазе на 90°. В линии передачи подается колебательное напряжение. $\ V_{\text{i}}\cos \omega t\$ от передатчика между двумя антенными элементами, вызывая синусоидальные колебания. Для наглядности увеличен шаг напряжения питания; типичные диполи имеют достаточно высокую добротность , поэтому напряжение питания намного меньше по сравнению со стоячей волной. Поскольку антенна питается на своей резонансной частоте, входное напряжение находится в фазе с током (синяя полоса), поэтому антенна представляет собой чистое сопротивление линии питания. Энергия движущегося тока обеспечивает энергию, излучаемую в виде радиоволн. В приемной антенне фаза напряжения на линии передачи будет обратной, поскольку приемник поглощает энергию от антенны.

Полуволновая дипольная антенна состоит из двух четвертьволновых проводников, расположенных встык на общую длину примерно ℓ = ⁠ 1 / 2 ⁠ λ . Распределение тока представляет собой стоячую волну , приблизительно синусоидальную по длине диполя, с узлом на каждом конце и пучностью (пиковым током) в центре (точке питания):

$I(z)=I_{0}\cos(\omega t)\cos(kz)\ ,$

где к = ⁠ 2 π / λ ⁠ и z бежит от ⁠− + 1 / 2 ⁠ ℓ до ⁠+ + 1 / 2 ⁠ ℓ .

В дальнем поле это создает диаграмму направленности, электрическое поле которой определяется выражением

$\ E_{\theta }={\frac {\ \zeta _{0}I_{0}\ }{2\pi r}}\ {\frac {\ \cos \left({\frac {\pi }{2}}\ \cos \theta \right)\ }{\sin \theta }}\ \sin {(\omega t-kr)}~.$

Направленный фактор ${\textstyle \ {\frac {\cos \left[\ {\tfrac {\pi }{2}}\ \cos \theta \ \right]}{\sin \theta }}\ }$ почти то же самое, что и sin θ применительно к короткому диполю, что приводит к очень похожей диаграмме направленности, как отмечалось выше.

Численное интегрирование излучаемой мощности ${\textstyle \ {\frac {\ |E_{\theta }|^{2}\ }{2\zeta _{0}}}\ }$ по всему телесному углу, как мы это делали для короткого диполя, получаем значение полной мощности P _total, излучаемой диполем с током, имеющим пиковое значение I _0, как в форме, указанной выше. Разделив P _сумму на ${\textstyle 4\pi r^{2}}$ обеспечивает поток на большом расстоянии, усредненный по всем направлениям. Разделив поток в направлении θ = 0 (где он находится на пике) на таком большом расстоянии, на средний поток, мы находим директивное усиление равным 1,64. Это также можно вычислить напрямую, используя интеграл косинуса :

$G={\frac {4}{\ \operatorname {Cin} (2\pi )\ }}\approx 1.64~$ (2,15 дБи)

( Форма Cin( x ) косинусного интеграла не совпадает с формой Ci( x ) ; они отличаются логарифмом. И MATLAB , и Mathematica имеют встроенные функции, которые вычисляют Ci( x ) , но не Cin( x ) . См. страницу Википедии об интеграле косинуса, чтобы узнать о взаимосвязи между этими функциями .

Теперь мы также можем найти сопротивление излучения, как мы это делали для короткого диполя, решив:

$P_{\mathsf {total}}={\frac {1}{2}}I_{0}^{2}R_{\mathsf {radiation}}\$

чтобы получить:

$R_{\mathsf {radiation}}\approx 73.1\ {\mathsf {\Omega }}~.$

Используя метод наведенной ЭДС, действительную часть импеданса ведущей точки также можно записать через интеграл косинуса, получив тот же результат:

$R_{\mathsf {radiation}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 4\pi \ }}\operatorname {Cin} (2\pi )={\frac {\zeta _{0}}{\ 4\pi \ }}\int _{0}^{2\pi }{\frac {\ 1-\cos \theta \ }{\theta }}\ \mathrm {d} \theta \ \approx \ 73.1\ {\mathsf {\Omega }}~.$

Если полуволновой диполь возбуждается в точке, отличной от центра, сопротивление точки питания будет выше. Сопротивление излучения обычно выражается относительно максимального тока, проходящего вдоль антенного элемента, который для полуволнового диполя (и большинства других антенн) также является током в точке питания. Однако если диполь подается в другой точке на расстоянии x от максимума тока (центр в случае полуволнового диполя), то ток там будет не I ₀ , а только I ₀ cos( kx ) .

Чтобы обеспечить ту же мощность, напряжение в точке питания должно быть увеличено в аналогичном коэффициенте sec( kx ) . Следовательно, резистивная часть импеданса точки питания $\ \operatorname {\mathcal {R_{e}}} \left[{\tfrac {V}{\ I\ }}\right]\$ увеличивается на фактор сек ² ( к х ) :

$\ R_{\mathsf {feedpoint}}={\frac {\ R_{\mathsf {radiation}}\ }{\cos ^{2}(kx)}}\approx {\frac {73.1\ {\mathsf {\Omega }}}{\ \cos ^{2}(kx)\ }}\$

Это уравнение также можно использовать для дипольных антенн любой длины при условии, что R- _{излучение} рассчитывается относительно максимума тока, который обычно не совпадает с током в точке питания для диполей длиной более полуволны. Обратите внимание, что это уравнение нарушается при питании антенны рядом с текущим узлом, где cos( kx ) приближается к нулю. Импеданс ведущей точки действительно сильно возрастает, но, тем не менее, ограничен из-за компонентов более высокого порядка не совсем синусоидального тока элементов, которые игнорировались выше в модели распределения тока.

Складной диполь

Складчатый диполь представляет собой полуволновой диполь с дополнительным параллельным проводом, соединяющим два его конца. Если дополнительный провод имеет тот же диаметр и сечение, что и диполь, генерируются два почти одинаковых излучающих тока. Результирующая картина излучения в дальней зоне почти идентична картине для однопроводного диполя, описанной выше, но при резонансе его импеданс в точке питания $\ R_{\mathsf {f.d.}}\$ в четыре раза превышает радиационное сопротивление однопроволочного диполя.

Складной «диполь» технически представляет собой сложенную двухполупериодную рамочную антенну , в которой петля согнута на противоположных концах и сплющена на два параллельных провода в виде плоской линии. Хотя широкая полоса пропускания, высокий импеданс точки питания и высокая эффективность больше похожи на полнорамочную антенну, диаграмма направленности сложенного диполя больше похожа на обычный диполь. Поскольку работу одного полуволнового диполя легче понять, как полные, так и сложенные диполи часто описываются как два параллельных полуволновых диполя, соединенных на концах.

Высокое сопротивление точки питания $\ R_{\mathsf {f.d.}}\$ при резонансе происходит потому, что при фиксированной мощности общий ток излучения $\ I_{0}\$ равен удвоенному току в каждом проводе отдельно и, следовательно, равен удвоенному току в точке питания. Мы приравниваем среднюю излучаемую мощность к средней мощности, подаваемой в точку питания, можем написать

$\ {\frac {\ 1\ }{2}}\ R_{\mathsf {h.w.}}\ I_{0}^{2}={\frac {1}{2}}\ R_{\mathsf {f.d.}}\ \left({\frac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}\right)^{2}\ ,$

где $\ R_{\mathsf {h.w.}}\$ - нижнее сопротивление точки питания резонансного полуволнового диполя. Отсюда следует, что

$\ R_{\mathsf {f.d.}}=4R_{\mathsf {h.w.}}\approx 292\ {\mathsf {\Omega }}~.$

Полуволновые гнутые диполи часто используются в FM- радиоантеннах; версии с двойным проводом , которые можно повесить на внутреннюю стену, часто поставляются с FM-тюнерами. Они также широко используются в качестве приводных элементов для крышных Yagi телевизионных антенн . Антенна T²FD представляет собой сложенный диполь с резистором, добавленным на втором проводе, напротив точки питания.

Таким образом, сложенный диполь хорошо подходит для симметричных линий передачи с сопротивлением 300 Ом , таких как двойной ленточный кабель. Складной диполь имеет более широкую полосу пропускания, чем одиночный диполь. Их можно использовать для преобразования значения входного сопротивления диполя в широком диапазоне коэффициентов повышения путем изменения толщины жил проводов для питающей и сложенной сторон.

Вместо изменения толщины или расстояния можно добавить третий параллельный провод, чтобы увеличить полное сопротивление антенны в 9 раз по сравнению с однопроводным диполем, увеличив сопротивление до 658 Ом, что делает его подходящим для открытого питающего кабеля и еще больше расширив его. полоса резонансных частот антенны. Можно добавить больше дополнительных параллельных проводов: к антенне можно подключить любое количество дополнительных параллельных проводов, при этом сопротивление излучения (и полное сопротивление точки питания) определяется выражением

$\ R_{\mathsf {rad}}\approx n^{2}\ \times \ 73{\mathsf {\ \Omega \ ,}}$

где $\ n\$ - это количество параллельных полуволновых проводов, уложенных рядом в антенне и соединенных на своих концах. Также можно «обмануть» так называемую конструкцию с плоским контуром и получить почти такую ​​же хорошую производительность, сделав каждый параллельный провод слишком коротким на одинаковую величину, но подключив один провод емкостной нагрузки (выходящий в почти в любом направлении, чаще всего свисающие) на каждом из концов антенны. Длина нагрузочного провода равна единичной недостающей длине одного из параллельных проводов.

Другие варианты

Существует множество модификаций формы дипольной антенны, которые так или иначе полезны, но приводят к схожим характеристикам излучения (низкому усилению). Это не говоря уже о многих направленных антеннах , которые включают в свою конструкцию один или несколько дипольных элементов в качестве управляемых элементов , ссылки на многие из которых приведены в информационном окне внизу этой страницы.

• Антенна -бабочка представляет собой диполь с расширяющимися плечами треугольной формы. Форма дает ему гораздо более широкую полосу пропускания, чем у обычного диполя. Он широко используется в телевизионных антеннах УВЧ .

Каркасные дипольные антенны украинского УТР-2 радиотелескопа . Диполи из оцинкованной стальной проволоки диаметром 8 на 1,8 м имеют полосу пропускания 8–33 МГц.

• Клетчатый диполь представляет собой аналогичную модификацию, в которой полоса пропускания увеличена за счет использования толстых цилиндрических дипольных элементов, изготовленных из «клетки» из проводов (см. фото). Они используются в некоторых широкополосных антенных решетках в средневолновых и коротковолновых диапазонах для таких приложений, как загоризонтные радары и радиотелескопы .
• Гало -антенна представляет собой полуволновой диполь, изогнутый в круг, обеспечивающий почти однородную диаграмму направленности в плоскости круга. Когда круг гало горизонтален, он производит горизонтально поляризованное излучение почти всенаправленной диаграммы направленности, при этом к зениту теряется лишь небольшая мощность по сравнению с прямым горизонтальным диполем. На практике его классифицируют либо как изогнутый диполь, либо как рамочную антенну, в зависимости от предпочтений автора.
• состоит Турникетная антенна из двух диполей, скрещенных под прямым углом, и системы питания, которая создает четвертьволновую разность фаз между токами вдоль них. При такой геометрии два диполя не взаимодействуют электрически, но их поля складываются в дальней зоне, создавая результирующую диаграмму направленности, довольно близкую к изотропной , с горизонтальной поляризацией в плоскости элементов и круговой или эллиптической поляризацией под другими углами. Антенны турникета могут быть сложены друг на друга и питаться синфазно для создания всенаправленной широкой решетки или фазироваться для конечной решетки с круговой поляризацией.
• Антенна «крыло летучей мыши» представляет собой турникетную антенну с линейными элементами, расширенными, как в антенне с галстуком-бабочкой, опять же с целью расширения ее резонансной частоты и, таким образом, ее можно использовать в более широкой полосе пропускания без повторной настройки. При объединении в массив излучение становится всенаправленным, горизонтально поляризованным и с увеличенным усилением на малых высотах, что делает его идеальным для телевизионного вещания.
• Антенна « V » (или «Vee») представляет собой диполь с изгибом посередине, поэтому его плечи расположены под углом, а не коллинеарно.
• Квадрантная антенна представляет собой V-образную антенну с необычной общей длиной полной длины волны, с двумя полуволновыми горизонтальными элементами, встречающимися под прямым углом в месте подачи. Квадрантные антенны создают в основном горизонтальную поляризацию при углах места от низких до средних и имеют почти всенаправленную диаграмму направленности.

В одной реализации используются элементы «клетки» (см. выше); Толщина полученных элементов снижает высокий импеданс в точке возбуждения полноволнового диполя до значения, обеспечивающего разумное согласование с открытыми проводными линиями, и увеличивает полосу пропускания (с точки зрения КСВ) до полной октавы. Они используются для передач в HF-диапазоне .

• Антенна G5RV представляет собой дипольную антенну с сопротивлением 300 Ом или 450 Ом , питаемую косвенно через тщательно выбранный двойной провод , который действует как сеть согласования импеданса для подключения (через балун ) к стандартной коаксиальной линии передачи с сопротивлением 50 Ом.
• Наклонная антенна представляет собой наклонный вертикальный диполь, прикрепленный к вершине одиночной башни. Элемент может питаться от центра или с конца как несимметричная монопольная антенна от линии передачи наверху башни, и в этом случае «заземляющее» соединение монополя лучше рассматривать как второй элемент, включающий башню и / или экран линии электропередачи.
• Антенна в форме перевернутой буквы «V» также поддерживается одной башней, но представляет собой сбалансированную антенну с двумя симметричными элементами, расположенными под углом к ​​земле. Таким образом, это полуволновой диполь с изгибом посередине. Как и наклонный вариант , он имеет практическое преимущество, заключающееся в подъеме антенны, но для этого требуется только одна вышка.
• Антенна AS-2259 представляет собой дипольную антенну с перевернутым V-образным вырезом, используемую для местной связи через небесную волну ближнего вертикального падения (NVIS).

Вертикальные (монопольные) антенны

А ⁠ 1 / 4 ⁠ λ- монопольная антенна и ее наземное изображение вместе образуют ⁠ 1/2 - диполь , ⁠ λ излучающий только в верхнюю половину пространства.

«Вертикальная», «Маркони» или несимметричная антенна представляет собой одноэлементную антенну, обычно питаемую снизу (экранированная сторона ее несимметричной линии передачи соединена с землей). По сути, он ведет себя так же, как половина дипольной антенны. Земля (или плоскость заземления ) считается проводящей поверхностью, которая работает как отражатель (см. Эффект земли ). Вертикальные токи в отраженном изображении имеют то же направление (поэтому не отражаются от земли) и фазу, что и ток в реальной антенне. Проводник и его изображение вместе действуют как диполь в верхней половине пространства. Как и в случае с диполем, для достижения резонанса (резистивного импеданса точки питания) проводник должен иметь высоту около четверти длины волны (как и каждый проводник в полуволновом диполе).

В этой верхней части пространства излучаемое поле имеет ту же амплитуду, что и поле, излучаемое аналогичным диполем, питаемым тем же током. Следовательно, общая излучаемая мощность составляет половину излучаемой мощности диполя, питаемого тем же током. Поскольку ток одинаковый, сопротивление излучения (действительная часть последовательного импеданса) будет составлять половину последовательного сопротивления сопоставимого диполя. Тогда четвертьволновой монополь имеет полное сопротивление из ${\textstyle \ {\frac {\ 73\ +\ j\ 43\ }{2}}=36\ +\ j\ 21\ {\mathsf {\Omega }}~.}$ Другой способ увидеть это состоит в том, что настоящий диполь, получающий ток I, имеет напряжения на своих клеммах +V и -V , при импедансе на клеммах ⁠2 + V /   I   ⁠ , тогда как аналогичная вертикальная антенна имеет ток I но приложенное напряжение составляет всего В. ,

Поскольку поля над землей такие же, как и для диполя, но прикладывается только половина мощности, коэффициент усиления удваивается до 5,14 дБи. Это не является фактическим преимуществом в производительности само по себе , поскольку на практике диполь также отражает половину своей мощности от земли, что (в зависимости от высоты антенны и угла неба) может усиливать (или подавлять!) прямой сигнал. Вертикальная поляризация монополя (как и вертикально ориентированного диполя) предпочтительна при малых углах места, где отражение от земли сочетается с прямой волной примерно по фазе.

Земля действует как заземляющий слой, но она может быть плохим проводником, приводящим к потерям. Его проводимость можно улучшить (затратно), проложив медную сетку. Когда фактическое заземление недоступно (например, в транспортном средстве), плоскостью заземления могут служить другие металлические поверхности (обычно крыша автомобиля). Альтернативно, радиальные провода, расположенные у основания антенны, могут образовывать заземляющую пластину. Для диапазонов ОВЧ и УВЧ излучающие и заземляющие элементы могут быть изготовлены из жестких стержней или трубок. Использование такой искусственной заземляющей плоскости позволяет установить всю антенну и «землю» на произвольной высоте. В одной из распространенных модификаций радиальные линии, образующие заземляющую плоскость, наклонены вниз, что приводит к увеличению импеданса точки питания примерно до 50 Ом, что соответствует обычному коаксиальному кабелю. который больше не является настоящим заземлением Тогда рекомендуется использовать балун (например, простой дроссельный балун), .

Дипольные характеристики

Импеданс диполей различной длины

Резистивная (черная) и реактивная (синяя) части импеданса точки питания диполя в зависимости от общей длины в длинах волн, при условии, что диаметр проводника равен 0,001 длины волны.

Импеданс точки питания дипольной антенны чувствителен к ее электрической длине и положению точки питания. Следовательно, диполь обычно будет оптимально работать только в довольно узкой полосе пропускания, за пределами которой его импеданс станет плохо соответствовать передатчику или приемнику (и линии передачи). Действительная (резистивная) и мнимая (реактивная) составляющие этого импеданса в зависимости от электрической длины показаны на прилагаемом графике. Подробный расчет этих цифр описан ниже . Обратите внимание, что величина реактивного сопротивления сильно зависит от диаметра проводников; этот график предназначен для проводников диаметром 0,001 длины волны.

Диполи, размер которых намного меньше половины длины волны сигнала, называются короткими диполями . Они имеют очень низкую радиационную стойкость (и высокое емкостное реактивное сопротивление ), что делает их неэффективными антеннами. Большая часть тока передатчика рассеивается в виде тепла из-за конечного сопротивления проводников, которое превышает сопротивление излучения. Однако они, тем не менее, могут быть практичными приемными антеннами для более длинных волн.

Диполи, длина которых составляет примерно половину длины волны сигнала, называются полуволновыми диполями и широко используются как таковые или в качестве основы для производных конструкций антенн. Они имеют радиационное сопротивление, которое намного выше, ближе к характеристическому сопротивлению имеющихся линий передачи и обычно намного превышает сопротивление проводников, так что их эффективность приближается к 100%. В общей радиотехнике термин «диполь» , если не уточняется, используется для обозначения полуволнового диполя с центральным питанием.

Импеданс в точке питания (около) полуволновых диполей в зависимости от электрической длины в длинах волн. Черный: устойчивость к радиации ; синий: реактивное сопротивление для четырех разных значений диаметра проводника.

Настоящий полуволновой диполь имеет длину половину длины волны λ , где λ = ⁠   с   /   ж   ⁠ в свободном пространстве. Такой диполь имеет полное сопротивление в точке питания, состоящее из сопротивления 73 Ом и реактивного сопротивления +43 Ом, что представляет собой слегка индуктивное реактивное сопротивление. Чтобы нейтрализовать это реактивное сопротивление и представить чистое сопротивление линии питания, элемент укорачивается в коэффициент k на чистую длину. $\ \ell \$ из:

$\ \ell ={\frac {\ 1\ }{2}}\ k\ \lambda ={\frac {\ 1\ }{2}}\ k\ {\frac {\ c\ }{f}}\$

где λ — длина волны в свободном пространстве, c — скорость света в свободном пространстве, а f — частота. Поправочный коэффициент k , который позволяет исключить реактивное сопротивление в точке питания, зависит от диаметра проводника: как показано на прилагаемом графике. Относительный масштабный размер k колеблется от примерно 0,98 для тонких проводов (диаметр, 0,00001 волна ) до примерно 0,94 для толстых проводников (диаметр, 0,008 волны ). Это связано с тем, что влияние длины антенны на реактивное сопротивление (верхний график) намного сильнее для более тонких проводников, поэтому требуется меньшее отклонение от точной половины длины волны, чтобы компенсировать индуктивное реактивное сопротивление 43 Ом, которое она имеет, когда именно ⁠ 1 / 2 ⁠ λ . По той же причине антенны с более толстыми проводниками имеют более широкую рабочую полосу пропускания, в которой они достигают практического коэффициента стоячей волны , который ухудшается из-за любого оставшегося реактивного сопротивления.

Коэффициент уменьшения длины полуволнового диполя для достижения электрического резонанса (чисто резистивное сопротивление точки питания). Рассчитано с использованием метода наведенной ЭДС — приближения, которое не работает при больших диаметрах проводников (пунктирная часть графика).

Для типичного k около 0,95 приведенную выше формулу для скорректированной длины антенны можно записать для длины в метрах как ⁠ 143 / f ⁠ или длина в футах, как ⁠ 468 / f ⁠ где f — частота в мегагерцах.

Дипольные антенны длиной, примерно равной любому нечетному кратному ⁠ 1 / 2 ⁠ λ также являются резонансными и имеют небольшое реактивное сопротивление или вообще его не имеют (которое можно устранить, сделав небольшую регулировку длины). Однако они используются редко. Одним из размеров, который является гораздо более эффективным излучателем как с точки зрения выходной мощности , так и с точки зрения направления излучения, является диполь длиной ⁠ 5/4 ​ ⁠ ​ волна . Не быть рядом ⁠ 3/2 схемой ⁠ ( волна , сопротивление этой антенны имеет большое (отрицательное) реактивное сопротивление и может использоваться только с индуктивной согласования импеданса нагрузочная катушка с отводом или так называемый антенный тюнер ). Это желательная длина, поскольку такая антенна имеет самый высокий коэффициент усиления среди любого диполя, который ненамного длиннее.

Диаграмма направленности и усиление

Трехмерная диаграмма направленности вертикальной полуволновой дипольной антенны.

Диаграмма направленности вертикального полуволнового диполя; вертикальный разрез.
(вверху) В линейном масштабе
(внизу) В изотропных децибелах (дБи)

Диполь является всенаправленным в плоскости, перпендикулярной оси провода, при этом излучение падает до нуля на оси (за пределами концов антенны). В полуволновом диполе излучение максимально перпендикулярно антенне и уменьшается по мере $\ (\ \sin \theta \ )^{2}\$ до нуля на оси. Его диаграмма направленности в трех измерениях (см. рисунок) будет выглядеть примерно как тороид (форма пончика), симметричный относительно проводника. При вертикальной установке это приводит к максимальному излучению в горизонтальных направлениях. При горизонтальном монтаже пик излучения приходится на прямой угол (90°) к проводнику, а нулевое значение наблюдается в направлении диполя.

Если пренебречь электрической неэффективностью, усиление антенны равно директивному усилению , которое составляет 1,50 (1,76 дБи или -0,39 дБд) для короткого вибратора и увеличивается до 1,64 (2,15 дБи или 0 дБд) для полуволнового вибратора. Для В 5 / 4 - волновом диполе усиление дополнительно увеличивается примерно до 5,2 дБи, что делает эту длину желательной по этой причине, даже если антенна в этом случае находится вне резонанса. Более длинные диполи имеют многолепестковую диаграмму направленности с меньшим усилением (если только они не намного длиннее) даже вдоль самого сильного лепестка. Другие усовершенствования диполя (например, включение углового отражателя или массива диполей) могут рассматриваться, когда более существенная направленность требуется . Такие конструкции антенн хотя и основаны на полуволновом диполе, но, как правило, приобретают собственные названия.

Питание дипольной антенны

В идеале полуволновой диполь должен питаться через симметричную линию передачи, соответствующую его типичному входному сопротивлению 65–70 Ом. Двойной провод с аналогичным импедансом доступен, но используется редко и не соответствует разъемам симметричной антенны большинства радио- и телевизионных приемников. Гораздо более распространенным является использование обычного двойного провода сопротивлением 300 Ом в сочетании со свернутым диполем . Импеданс ведущей точки полуволнового гнутого вибратора в 4 раза больше, чем у простого полуволнового вибратора, что близко соответствует характеристическому импедансу 300 Ом . Большинство тюнеров FM-диапазона и старых аналоговых телевизоров оснащены входными разъемами симметричной антенны сопротивлением 300 Ом. Однако двойной провод имеет тот недостаток, что на него воздействует любой другой близлежащий проводник (включая землю); при использовании для передачи необходимо соблюдать осторожность и не размещать его рядом с другими проводниками.

Многие типы коаксиальных кабелей (или «коаксиалов») имеют характеристическое сопротивление 75 Ом, что в противном случае хорошо подходило бы для полуволнового диполя. Однако коаксиальный кабель представляет собой несимметричную линию, тогда как диполь с центральным питанием предполагает сбалансированную линию (например, двойной вывод). По симметрии можно видеть, что на клеммах диполя одинаковое, но противоположное напряжение, тогда как у коаксиального кабеля один проводник заземлен. Независимо от этого использование коаксиала приводит к несбалансированной линии, в которой токи вдоль двух проводников линии передачи больше не равны и не противоположны. Поскольку тогда у вас есть чистый ток вдоль линии передачи, линия передачи сама становится антенной с непредсказуемыми результатами (поскольку это зависит от пути линии передачи). Обычно это приводит к изменению предполагаемой диаграммы направленности антенны и изменению импеданса передатчика или приемника.

балун Для использования коаксиального кабеля с дипольной антенной требуется . Балун передает мощность между несимметричным коаксиальным кабелем и симметричной антенной, иногда с дополнительным изменением импеданса. Балун может быть реализован как трансформатор , который также позволяет осуществлять преобразование импеданса. Обычно он наматывается на ферритовый тороидальный сердечник . Материал тороидального сердечника должен соответствовать частоте использования, а в передающей антенне он должен быть достаточного размера, чтобы избежать насыщения . Другие конструкции балунов упомянуты ниже.

Питание дипольной антенны по коаксиальному кабелю

Коаксиальный кабель и антенна действуют как излучатели, а не только как антенна.

Диполь с токовым балуном

Складной диполь (300 Ом) для коаксиального (75 Ом) полуволнового симметрирующего устройства 4:1.

Диполь с использованием гильзового симметрирующего устройства

Текущий балун

В токовом балуне используется трансформатор, намотанный на тороид или стержень из магнитного материала, например феррита . Весь ток, видимый на входе, поступает на один вывод симметричной антенны. Он образует балун путем дросселирования синфазного тока. Материал не имеет решающего значения для соотношения 1:1, поскольку для получения желаемого дифференциального тока не применяется трансформаторное действие. Соответствующая конструкция включает два трансформатора и преобразование импеданса 1:4.

Коаксиальный балун

Коаксиальный балун — экономичный метод устранения излучения фидера, но он ограничен узким набором рабочих частот.

Один из простых способов сделать балун — использовать коаксиальный кабель длиной, равный половине длины волны. Внутренняя жила кабеля на каждом конце соединена с одним из симметричных соединений для фидера или диполя. Один из этих терминалов должен быть подключен к внутренней жиле коаксиального фидера. Все три косы следует соединить вместе. В результате образуется балун 4:1, который корректно работает только в узком диапазоне частот.

Рукавный балун

На частотах УКВ также может быть установлен муфтовый симметрирующий элемент для удаления фидерного излучения.

Другой узкополосный дизайн заключается в использовании ⁠ 1/4 ⁠ длины металлической λ трубы. Коаксиальный кабель размещается внутри трубы; на одном конце оплетка прикреплена к трубе, а на другом конце соединение с трубой не выполнено. Сбалансированный конец этого балуна находится на том конце, где нет соединения с трубой. Проводник ⁠ 1/4 действует как трансформатор, преобразуя нулевой импеданс ⁠ λ на коротком замыкании оплетки в бесконечное сопротивление на открытом конце. Этот бесконечный импеданс на открытом конце трубы предотвращает протекание тока во внешний коаксиальный кабель, образованный внешней частью внутреннего экрана коаксиального кабеля и трубой, заставляя ток оставаться во внутреннем коаксиальном кабеле. Такая конструкция симметрирующего устройства непрактична для низких частот из-за необходимости использования большой длины трубы.

Общие приложения

Телевизионная антенна "кроличьи ушки"

«заячьи уши» Телевизионная УКВ-антенна (малая петля — отдельная ДМВ-антенна).

Одним из наиболее распространенных применений дипольной антенны является с кроличьими ушками или кроличьими ушками телевизионная антенна , устанавливаемая на телевизионных приемниках . Он используется для приема диапазонов наземного телевидения УКВ, состоящих в США из 54–88 МГц ( диапазон I ) и 174–216 МГц ( диапазон III ), с длинами волн 5,5–1,4 м. Поскольку этот диапазон частот намного шире, чем может охватить одна фиксированная дипольная антенна, он выполнен с несколькими степенями регулировки. Он состоит из двух телескопических стержней, каждая из которых может удлиняться примерно до 1 м (четверть длины волны при 75 МГц). Контролируя длину сегментов, угол по отношению к вертикали и угол компаса, вы получаете гораздо большую гибкость в оптимизации приема, чем это возможно при использовании антенны на крыше, даже если она оснащена ротором антенны .

FM-вещательно-приемные антенны

В отличие от широких полос частот телевидения, диапазон FM-вещания (88–108 МГц) достаточно узок, чтобы его могла покрыть дипольная антенна. Для стационарного использования в домашних условиях тюнеры Hi-Fi обычно поставляются с простыми сложенными диполями, резонансными около центра этой полосы. Импеданс точки питания сложенного диполя, который в четыре раза превышает импеданс простого диполя, хорошо соответствует двойному проводу сопротивлением 300 Ом , поэтому он обычно используется для линии передачи к тюнеру. Обычно плечи сложенного диполя изготавливаются из сдвоенных проводов, закороченных на концах. Эту гибкую антенну удобно прикрепить скотчем или прибить к стене, повторяя контуры молдингов.

Коротковолновая антенна

Горизонтальные проволочные дипольные антенны популярны для использования в коротковолновых ВЧ- диапазонах как для передачи, так и для прослушивания коротковолновых волн . Обычно они состоят из двух отрезков провода, соединенных изолятором напряжения в центре, который является точкой питания. Концы можно прикрепить к существующим зданиям, сооружениям или деревьям, используя их высоту. При использовании для передачи необходимо, чтобы концы антенны были прикреплены к опорам через тензоизоляторы с достаточно высоким напряжением пробоя , так как там находятся высоковольтные пучности антенны . Будучи симметричными антеннами, их лучше всего запитывать через балун между (коаксиальной) линией передачи и точкой питания.

Их легко установить для временного или полевого использования. Но они также широко используются радиолюбителями и слушателями коротких волн в фиксированных местах из-за их простой (и недорогой) конструкции, при этом реализуя резонансную антенну на частотах, где резонансные антенные элементы должны быть довольно большого размера. Они являются привлекательным решением для этих частот, когда значительная направленность нежелательна, а стоимость нескольких таких резонансных антенн для разных диапазонов частот, построенных в домашних условиях, все же может быть намного меньше, чем одна антенна промышленного производства.

Дипольные башни

Антенны для СЧ и НЧ радиостанций обычно конструируются в виде мачтовых излучателей , в которых сама вертикальная мачта образует антенну. Хотя мачтовые излучатели чаще всего представляют собой монополи , некоторые из них являются диполями. Металлическая конструкция мачты разделена в средней точке на две изолированные секции. сделать вертикальный диполь, который приводится в движение в средней точке.

Дипольные массивы

Коллинеарная сложенная дипольная решетка

Многие типы антенных решеток состоят из нескольких диполей, обычно полуволновых. Цель использования нескольких диполей — увеличить направленное усиление антенны по сравнению с усилением одного диполя; излучение отдельных диполей интерферирует , увеличивая мощность, излучаемую в желаемых направлениях. дипольным В массивах с несколькими элементами с приводом линия питания разделяется с помощью электрической сети, чтобы обеспечить питание элементов, при этом особое внимание уделяется относительным фазовым задержкам из-за передачи между общей точкой и каждым элементом.

Чтобы увеличить усиление антенны в горизонтальном направлении (за счет излучения в сторону неба или земли), можно сложить антенны в вертикальном направлении в широкополосную решетку , где антенны питаются синфазно. При этом с горизонтальными дипольными антеннами сохраняется направленность этих диполей и нулевое значение в направлении их элементов. Однако, если каждый диполь ориентирован вертикально, в так называемой коллинеарной антенной решетке (см. рисунок), это нулевое направление становится вертикальным, и решетка приобретает всенаправленную диаграмму направленности (в горизонтальной плоскости), как это обычно желательно. Вертикальные коллинеарные решетки используются в диапазонах частот ОВЧ и УВЧ, на длинах волн размеры элементов достаточно малы, чтобы практически сложить несколько элементов на мачте. Они представляют собой альтернативу четвертьволновым наземным антеннам с более высоким коэффициентом усиления , используемым в фиксированных базовых станциях для мобильных двусторонних радиостанций , таких как диспетчеры полиции, пожарной охраны и такси.

Антенна с отражающей решеткой для радара, состоящая из множества диполей, питаемых синфазно (таким образом образуя широкую решетку ) перед большим отражателем (горизонтальные провода), чтобы сделать ее однонаправленной.

С другой стороны, для вращающейся антенны (или антенны, используемой только в определенном направлении) может потребоваться увеличение усиления и направленности в определенном горизонтальном направлении. Если рассмотренная выше широкополосная решетка (коллинеарная или нет) повернута горизонтально, то она получит больший коэффициент усиления в горизонтальном направлении, перпендикулярном антеннам, за счет большинства других направлений. К сожалению, это также означает, что направление, противоположное желаемому направлению, также имеет высокий коэффициент усиления, тогда как высокий коэффициент усиления обычно требуется в одном направлении. Однако мощность, которая теряется в обратном направлении, может быть перенаправлена, например, с помощью большого плоского отражателя, как это реализовано в отражающей решетчатой ​​антенне , увеличивая усиление в желаемом направлении еще на 3 дБ.

Альтернативной реализацией однонаправленной антенны является решетка с торцевым лучом . В этом случае диполи снова расположены рядом (но не коллинеарно), но питаются в прогрессирующих фазах и расположены так, что их волны когерентно складываются в одном направлении, но гасятся в противоположном направлении. Итак, теперь вместо того, чтобы быть перпендикулярным направлению массива, как в широкополосном массиве, направленность находится в направлении массива (т.е. в направлении линии, соединяющей их точки питания), но с подавлением одного из противоположных направлений.

Антенны Яги

Основная статья: Антенна Яги – Уда

Описанные выше антенны с несколькими возбуждаемыми элементами требуют сложной системы подачи сигнала, разделения, фазирования, распределения по элементам и согласования импедансов. Гораздо чаще используется другой тип массива конечного огня, основанный на использовании так называемых паразитных элементов . В популярной антенне Яги с высоким коэффициентом усиления только один из диполей фактически подключен электрически, а остальные принимают и переизлучают мощность, подаваемую возбуждаемым элементом. На этот раз фазировка осуществляется путем тщательного выбора длины, а также положения паразитных элементов, чтобы сконцентрировать усиление в одном направлении и в значительной степени подавить излучение в противоположном направлении (а также во всех других направлениях). Хотя реализованный коэффициент усиления меньше, чем у управляемой матрицы с тем же количеством элементов, простота электрических соединений делает Yagi более практичным для потребительских приложений.

Диполь как эталон

антенны Усиление часто измеряется в децибелах по отношению к полуволновому диполю. Одна из причин заключается в том, что практические измерения антенны требуют эталонной напряженности для сравнения напряженности поля тестируемой антенны на определенном расстоянии. Хотя такой вещи, как изотропный излучатель, не существует, полуволновой диполь хорошо изучен и его поведение хорошо изучено, и его можно сконструировать с почти 100% эффективностью. Это также более справедливое сравнение, поскольку усиление, получаемое самим диполем, по сути, «бесплатно», учитывая, что почти ни одна конструкция антенны не имеет меньшего коэффициента направленного усиления.

Для усиления, измеренного относительно диполя, говорят, что антенна имеет « усиление x дБд » (см. Децибел ). Чаще всего коэффициент усиления выражается относительно изотропного излучателя , поэтому коэффициент усиления кажется выше. Учитывая известный коэффициент усиления полуволнового диполя, 0 дБд определяется как 2,15 дБи; все усиление в «дБи» сдвигается на 2,15 выше, чем усиление в «дБд».

Диполь Герца

Диполь Герца крошечной длины $\ \delta \ell \ ,$ с текущим $\ I\ ,$ и поле ощущается на расстоянии $\ r\$ в $\theta \$ направление

или Диполь Герца элементарный дублет относится к теоретической конструкции, а не к физической конструкции антенны: это идеализированный крошечный сегмент проводника, по которому проходит радиочастотный ток с постоянной амплитудой и направлением по всей его (короткой) длине; настоящую антенну можно смоделировать как комбинацию множества диполей Герца, соединенных встык.

Диполь Герца можно определить как конечный колеблющийся ток (в заданном направлении) $\ I\ e^{i\omega t}\$ на крошечной или бесконечно малой длине $\ \delta \ell \$ в указанной позиции. Решение полей диполя Герца можно использовать в качестве основы для аналитического или численного расчета излучения антенн более сложной геометрии (например, практических диполей) путем формирования суперпозиции полей от большого количества диполей Герца, составляющих ток. диаграмма направленности реальной антенны. В зависимости от положения, взяв элементарные элементы тока $\ I\!\left(\mathbf {r} \right)\ ,$ умноженное на бесконечно малые длины $\ \delta \ell \ ,$ результирующая диаграмма поля затем сводится к интегралу по пути проводника антенны (смоделированного как тонкий провод).

Для следующего вывода мы будем считать, что ток находится в $\ z\$ направление с центром в начале координат, где $\ x=y=z=0\ ,$ с синусоидальной зависимостью от времени $\ e^{i\omega t}\$ для всех понимаемых величин. Самый простой подход - использовать расчет векторного потенциала $\ \mathbf {A} \!\left(\mathbf {r} \right)\$ используя формулу для запаздывающего потенциала . Хотя значение $\ \mathbf {A} \$ не является уникальным, мы ограничим его, приняв калибровку Лоренца и приняв синусоидальный ток на радианской частоте $\ \omega \$ запаздывание поля преобразуется просто в фазовый коэффициент $\ e^{-ikr}\ ,$ где волновое число ${\textstyle \ k={\frac {\omega }{\ c\ }}\ }$ в свободном пространстве и $\ r\$ — это линейное расстояние между рассматриваемой точкой и началом координат (где мы предполагали, что находится источник тока), поэтому $\ r\equiv \left|\ \mathbf {r} \ \right|~.$ Это приводит к в векторном потенциале $\ \mathbf {A} \$ на позиции $\ \mathbf {r} \$ только из-за этого текущего элемента, который, как мы обнаруживаем, находится исключительно в $\ z\$ направление (направление тока):

$\mathbf {A} \!\left(\mathbf {r} \right)=I\ \delta \ell \ {\frac {\mu _{0}}{\ 4\pi r\ }}\ e^{-ikr}\ {\hat {\mathbf {z} }}\$

где $\ \mu _{0}\$ это проницаемость свободного пространства . Затем используя

$\ \mu \mathbf {H} =\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} \$

мы можем найти магнитное поле $\ \mathbf {H} \ ,$ и отсюда (в зависимости от того, выбрали ли мы калибровку Лоренца) электрическое поле $\ \mathbf {E} \$ с использованием

$\mathbf {E} ={\frac {\ \nabla \times \mathbf {H} \ }{i\omega \epsilon }}$

В сферических координатах находим что магнитное поле $\ \mathbf {H} \$ имеет только компонент в $\ \phi \$ направление:

$\mathbf {H} =H_{\phi }\ {\hat {\boldsymbol {\phi }}}$

где

$H_{\phi }=i{\frac {\ I\ \delta \ell \ }{4\pi }}\left({\frac {\ k\ }{r}}-{\frac {i}{\ r^{2}}}\right)\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,$

в то время как электрическое поле имеет компоненты как в $\ \theta \$ и $\ r\$ направления:

$\mathbf {E} =E_{\theta }\ {\hat {\boldsymbol {\theta }}}+E_{r}\ {\hat {\mathbf {r} }}$

где

${\begin{aligned}E_{\theta }&=i{\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ }{4\pi }}\left({\frac {\ k\ }{r}}-{\frac {i}{\ r^{2}}}-{\frac {1}{\ k\ r^{3}}}\right)\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,\\[2pt]E_{r}&={\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ }{2\pi }}\left({\frac {1}{\ r^{2}\ }}-{\frac {i}{\ kr^{3}}}\right)\ e^{-ikr}\ \cos \theta \ ,\end{aligned}}$

с $\ \zeta _{0}\equiv {\sqrt {{\frac {\ \mu _{0}\ }{\epsilon _{0}}}\;}}\$ - сопротивление свободного пространства .

Анимированная диаграмма, показывающая, как поля E и H в xy плоскости зависят как от времени, так и от расстояния.

Это решение включает члены ближнего поля , которые очень сильны вблизи источника, но не излучаются . Как видно из сопровождающей анимации, $\ \mathbf {E} \$ и $\ \mathbf {H} \$ поля, очень близкие к источнику, сдвинуты по фазе почти на 90 °, таким образом, внося очень небольшой вклад в вектор Пойнтинга , по которому вычисляется излучаемый поток. Решение ближнего поля для антенного элемента (из интеграла по этой формуле по длине этого элемента) — это поле, которое можно использовать для расчета взаимного импеданса между ним и другим близлежащим элементом.

Для расчета диаграммы направленности в дальней зоне приведенные выше уравнения упрощаются, поскольку ${\textstyle \ {\frac {\ 1\ }{r}}\ }$ термины остаются значимыми:

${\begin{aligned}H_{\phi }&=i{\frac {\ I\ \delta \ell \ k\ }{4\pi r}}\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,\\[2pt]E_{\theta }&=i{\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ k\ }{4\pi r}}\ e^{-ikr}\ \sin \theta ~.\end{aligned}}$

  Линии электрического поля и   компоненты магнитного поля под прямым углом, составляющие электромагнитную волну , излучаемую   текущий элемент

Таким образом, диаграмма дальнего поля состоит из поперечной электромагнитной (ПЭМ) волны с электрическими и магнитными полями, расположенными под прямым углом друг к другу и под прямым углом к ​​направлению распространения (направлению $\ \mathbf {r} \$, поскольку мы предполагали, что источник находится в начале координат). Электрическая поляризация, в $\theta$ направлении, компланарно току источника (в $\ z\$ направлении), в то время как магнитное поле находится под прямым углом к ​​нему, в $\ \phi \$ направление. Из этих уравнений, а также из анимации видно, что поля на этих расстояниях находятся точно в фазе . Оба поля попадают в соответствии с ${\textstyle \ {\frac {\ 1\ }{r}}\ ,}$ при этом мощность падает в соответствии с ${\textstyle \ {\frac {1}{\ r^{2}}}\ }$ как это диктуется законом обратных квадратов .

Устойчивость к радиации

Если известна диаграмма направленности излучения в дальней зоне, обусловленная заданным током антенны, то можно рассчитать сопротивление излучения напрямую . Для вышеуказанных полей, создаваемых диполем Герца, мы можем вычислить поток мощности в соответствии с вектором Пойнтинга , что приведет к мощности (усредненной за один цикл):

$\langle \mathbf {S} \rangle ={\frac {\ 1\ }{2}}{\mathcal {R_{e}}}\left\{\ \mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ \right\}=\langle S_{\mathsf {r}}\rangle \ {\hat {\mathbf {r} }}+\langle S_{\mathsf {\phi }}\rangle \ {\hat {\boldsymbol {\phi }}}~.$

С увеличением $\ r\$ тот $\ \langle S_{\mathsf {\phi }}\rangle \$ становится ничтожно малым по сравнению с $\ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \$ компонент. Хотя это и не обязательно, проще всего работать только с асимптотическим значением, которое $\ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \$ приближается к большому $\ r\$ используя более простые выражения в дальнем поле для $\ \mathbf {E} \$ и $\ \mathbf {H} ~.$ Рассмотрим большую сферу, окружающую источник, радиусом $\ r~.$ Находим мощность на единицу площади, пересекающую поверхность этой сферы, в $\ {\hat {\mathbf {r} }}\$ направление такое:

$\left\langle S_{\mathsf {r}}\right\rangle ={\frac {\ \zeta _{0}\ }{2}}\ \left({\frac {\ \left|I\right|\ k\ \delta \ell \ }{4\pi r}}\ \sin \theta \right)^{2}\$

Интегрирование этого потока по всей сфере приводит к:

${\begin{aligned}P_{\mathsf {net}}&=\int _{0}^{2\pi }\!\!\int _{0}^{\pi }\left|\langle S_{\mathsf {r}}\rangle \right|\ r^{2}\sin \theta \ \mathrm {d} {\phi }\ \mathrm {d} \theta ={\tfrac {\ 1\ }{2}}\zeta _{0}\ \left({\frac {\ \left|I\right|\ k\ \delta \ell \ }{4\pi }}\right)^{2}\int _{0}^{2\pi }\!\!\int _{0}^{\pi }\sin ^{3}\theta \ \mathrm {d} {\phi }\ \mathrm {d} \theta \\&={\frac {\zeta _{0}}{\ 12\pi \ }}\left(\left|I\right|\ k\ \delta \ell \right)^{2}={\frac {\ \pi \ }{3}}\zeta _{0}\ \left(\left|I\right|{\frac {\ \delta \ell \ }{\lambda }}\right)^{2}\end{aligned}}$

где $\ \lambda =2\pi /k\$ длина волны в свободном пространстве, соответствующая радианской частоте $\ \omega ~.$ По определению, радиационная стойкость $R_{\text{rad}}$ умноженное на среднее значение квадрата текущего ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left|\ I\ \right|^{2}\ }$ - это полезная мощность, излучаемая этим током, поэтому приравниваем приведенное выше к ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left|I\right|^{2}R_{\text{rad}}\ }$ мы находим:

$R_{\text{rad}}={\tfrac {\ 2\ \pi \ }{3}}\zeta _{0}\ \left({\frac {\ \delta \ell \ }{\lambda }}\right)^{2}~.$

Этот метод можно использовать для расчета радиационной стойкости любой антенны, диаграмма направленности в дальней зоне которой была определена с точки зрения определенного тока антенны. Если пренебречь омическими потерями в проводниках, сопротивление излучения (рассматриваемое относительно точки питания) идентично резистивной (действительной) составляющей импеданса точки питания. К сожалению, это упражнение ничего не говорит нам о реактивной (мнимой) составляющей импеданса точки питания, расчет которой рассматривается ниже .

Директивное усиление

Используя приведенное выше выражение для излучаемого потока, заданного вектором Пойнтинга, также можно вычислить директивное усиление диполя Герца. Разделив общую мощность, вычисленную выше, на $4\pi r^{2}$ мы можем найти поток, усредненный по всем направлениям $\ P_{\text{avg}}\$ как

$\ P_{\text{avg}}={\frac {P_{\text{net}}}{\ 4\pi \ r^{2}}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 48\pi ^{2}\ r^{2}}}k^{2}\ \left|I\right|^{2}\ \left(\delta \ell \right)^{2}~.$

Разделив поток, излучаемый в определенном направлении, на $\ P_{\text{avg}}\$ мы получаем директивный коэффициент усиления $\ \operatorname {\mathsf {G}} \left(\theta \right)\ :$

$\ \operatorname {\mathsf {G}} \left(\theta \right)={\frac {\ \left\langle \mathbf {S} _{\mathsf {r}}\right\rangle \ }{P_{\text{avg}}}}={\tfrac {\ 3\ }{2}}\sin ^{2}\theta \$

Обычно упоминаемое «усиление» антенны, означающее пиковое значение диаграммы направленности (диаграммы направленности), оказывается на 1,5–1,76 дБи, что ниже, чем практически у любой другой конфигурации антенны.

Сравнение с коротким диполем

Диполь Герца похож на короткий диполь, рассмотренный выше, но отличается от него. В обоих случаях проводник очень короткий по сравнению с длиной волны, поэтому картина стоячей волны, присутствующая, например, в полуволновом диполе, отсутствует. Однако для диполя Герца мы указали, что ток вдоль этого проводника постоянен на его короткой длине. Это делает диполь Герца полезным для анализа более сложных конфигураций антенн, где каждый бесконечно малый участок проводника реальной антенны можно смоделировать как диполь Герца, при этом обнаруживается, что ток течет в этой реальной антенне.

Однако короткий проводник, на который подается высокочастотное напряжение, не будет иметь равномерный ток даже на таком коротком расстоянии. Скорее, в реальной жизни короткий диполь имеет ток, равный току точки питания в точке питания, но линейно падающий до нуля по длине этого короткого проводника. Размещая емкостную шляпу , например металлический шар, на конце проводника, его собственная емкость может поглощать ток из проводника и лучше приближаться к постоянному току, предполагаемому для диполя Герца. Но опять же, диполь Герца рассматривается только как теоретическая конструкция для анализа антенны.

Короткий диполь с током в точке питания $\ I_{0}\ ,$ имеет средний ток по каждому проводнику всего ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}~.}$ Приведенные выше уравнения поля для диполя Герца длины $\ \delta \ell \$ затем предсказал бы фактические поля для короткого диполя, используя этот эффективный ток ${\textstyle \ I={\tfrac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}~.}$ Это приведет к тому, что мощность, измеренная в дальней зоне, составит одну четверть , что определяется приведенным выше уравнением для величины вектора Пойнтинга. $\ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \$ если бы мы предположили, что ток элемента равен $\ I_{0}~.$ Следовательно, можно видеть, что радиационное сопротивление, рассчитанное для короткого диполя, составляет четверть от рассчитанного выше для диполя Герца. Но в остальном их диаграммы направленности (и коэффициент усиления) идентичны.

Подробный расчет импеданса дипольной точки питания

Импеданс, видимый в точке питания диполя различной длины, был построен выше в виде реальной (резистивной) составляющей R _диполя и мнимой ( реактивной ) составляющей j X _диполя этого импеданса. Для случая антенны с идеальными проводниками (без омических потерь) R _диполь идентичен сопротивлению излучения , которое легче вычислить из полной мощности в диаграмме направленности в дальней зоне для данного приложенного тока, как мы показали для короткий диполь. Расчет X- _диполя сложнее.

Метод наведенной ЭДС

С помощью метода наведенной ЭДС получены выражения в замкнутой форме для обеих составляющих импеданса точки питания; такие результаты представлены выше . Решение зависит от предположения о форме распределения тока по проводникам антенны. Для отношения длины волны к диаметру элемента, превышающего примерно 60, распределение тока вдоль каждого антенного элемента длиной ⁠ 1/2 ⁠ L очень хорошо аппроксимируется как имеющий вид синусоидальной функции в точках вдоль антенны z с током, достигающим нуля на концах элементов, где z = ± + 1/2 ⁠ : ⁠ L , следующим образом

$\ I(z)=A\sin {\Bigl (}\ k\left({\tfrac {\ 1\ }{2}}\ L-\left|z\right|\right)\ {\Bigr )}\ ,$

где k - волновое число , определяемое формулой k = ⁠ 2 π   / λ ⁠ = ⁠ 2 π f   / c ⁠ , а амплитуда A устанавливается в соответствии с заданным током в точке возбуждения при z = 0 .

В тех случаях, когда можно предположить приблизительно синусоидальное распределение тока, этот метод определяет импеданс ведущей точки в замкнутой форме с использованием косинусной и синусоидальной интегральных функций Si( x ) и Ci( x ) . Для диполя общей длиной L резистивная и реактивная составляющие импеданса точки возбуждения могут быть выражены как:

${\begin{aligned}R_{\mathsf {dipole}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 2\pi \sin ^{2}\left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ }}{\Biggl \{}\ \gamma _{e}+\ln(kL)-\operatorname {Ci} (kL)+{}&{\tfrac {1}{2}}\sin(kL)\,{\Bigl [}+\operatorname {Si} (2kL)-2\operatorname {Si} (kL)\ {\Bigr ]}\\{}+{}&{\tfrac {1}{2}}\cos(kL)\,{\Big [}+\operatorname {Ci} (2kL)-2\operatorname {Ci} (kL)+\gamma _{e}+\ln \left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ {\Bigr ]}\ {\Bigg \}}\ ,\\X_{\mathsf {dipole}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 2\pi \sin ^{2}\left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ }}{\Biggl \{}{}+\operatorname {Si} (kL)+{}&{\tfrac {1}{2}}\cos(kL)\,{\Bigl [}-\operatorname {Si} (2kL)+2\operatorname {Si} (kL)\ {\Bigr ]}\\{}+{}&{\tfrac {1}{2}}\sin(kL)\,{\Bigl [}+\operatorname {Ci} (2kL)-2\operatorname {Ci} (kL)+\operatorname {Ci} \left({\tfrac {\;2ka^{2}\ }{L}}\right)\ {\Bigr ]}\ {\Biggr \}}\ ,\end{aligned}}$

где a — радиус проводников, k — снова волновое число, определенное выше, ζ ₀ — импеданс пустого пространства , который почти такой же, как импеданс воздуха: ζ ₀ ≈ 377 Ом, и $\ \gamma _{e}=0.57721566\ \ldots \$ — постоянная Эйлера . Существует эквивалентная альтернативная форма, которую предпочитают некоторые авторы, которая использует другую функцию Cin .

Интегральные методы

Метод индуцированной ЭДС основан на предположении о синусоидальном распределении тока и обеспечивает точность выше примерно 10%, пока отношение длины волны к диаметру элемента превышает примерно 60. Однако для проводников еще большего размера требуются численные решения, которые определяют распределение тока в проводнике (вместо того, чтобы предполагать синусоидальную структуру). Это может быть основано на аппроксимации решений либо интегродифференциального уравнения Поклингтона , либо интегрального уравнения Халлена . Эти подходы также имеют большую универсальность, не ограничиваясь линейными проводниками.

Численное решение любого из них выполняется с использованием решения метода моментов , которое требует разложения этого тока в набор базисных функций ; Например, один простой (но не лучший) вариант — разбить проводник на N сегментов с постоянным током вдоль каждого. После установки соответствующей весовой функции стоимость можно минимизировать за счет инверсии N × N. матрицы Определение каждого элемента матрицы требует как минимум одного двойного интегрирования с использованием весовых функций, что может потребовать больших вычислительных ресурсов. Они упрощаются, если весовые функции представляют собой просто дельта-функции , что соответствует подгонке граничных условий для тока вдоль проводника только в N дискретных точках. Затем N × N необходимо инвертировать матрицу размера N. , что также требует больших вычислительных ресурсов по мере увеличения В одном простом примере Баланис (2011) выполняет это вычисление, чтобы найти импеданс антенны с разными N , используя метод Поклингтона, и находит это с помощью N > 60 растворы приближаются к своим предельным значениям с точностью до нескольких процентов.

См. также

• AM-вещание
• Любительское радио
• Балун
• Коаксиальная антенна
• Напряженность дипольного поля в свободном пространстве
• Приводной элемент
• Электронный символ
• FM-вещание
• Изотропная антенна
• Всенаправленная антенна
• Коротковолновое прослушивание
• Т-антенна
• Штыревая антенна

Источники элементарных, коротких и полуволновых диполей.

• Терман, Фредерик Э.; Хелливелл, Роберт (1955). Электронное радио и техника (4-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN  978-0-07-085795-7 .

• Фейнман, Ричард. Лейтон; Сэндс (ред.). Лекции Фейнмана по физике . Аддисон-Уэсли.

• Панофски, В.; Филлипс, М. Классическое электричество и магнетизм . Аддисон-Уэсли.

• Орфанидис, Софокл Дж. Электромагнитные волны и антенны (рукопись онлайн-учебника). Университет Рутгерса – через ece.rutgers.edu.

• Н0ХР . «Ресурсы проволочных антенн для любительского радио» . n0hr.com . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) — Ссылки на веб-сайты с проводными антеннами, включая диполь со смещенным от центра питанием (OCFD), калькуляторы диполей и строительные площадки.

• «Линейные антенны» (PDF) . Стивенс-tech.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2006 года.

• «Подвижные антенные направляющие» (PDF) . nt.hs-bremen.de . Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2007 года.

• Фитцпатрик, Ричард (2 февраля 2006 г.). «Диполь Герца» . Электромагнитное излучение. Farside.ph.utexas.edu (конспекты для курса физики среднего уровня). PHY 352K – Классический электромагнетизм . Остин, Техас: Техасский университет .

• Книга об антеннах ARRL (21-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . 2007. ISBN  978-0-87259-987-1 . Книги ARRL , каталог №6133 .

• Классика проволочных антенн ARRL . Том. 1. Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . 2005. ISBN  0-87259-707-5 . Книги ARRL , каталог №7075 . Сборник лучших статей из изданий ARRL

• Бухвальд, Дж. З. (ок. 2002 г.). Размышления о Герце и диполе Герца (Доклад). Массачусетский технологический институт и Институт Дибнера. Архивировано из оригинала 26 мая 2005 года . Проверено 13 марта 2011 г.

Внешние ссылки

• Динкинс, Родни Р., AC6V ( СК ); Динкинс, Джефф А., AC6V . «Ссылки» . ac6v.com . Самодельные антенны. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

• «Ваш первый ВЧ диполь» . eham.net . — простой и полный учебник

• «Дипольные статьи» . Антенны и распространение. электроника-notes.com . - указатель к серии статей о диполе в его различных формах.