Дипольная антенна половинной длины волны, или полуволновая дипольная антенна, является наиболее широко используемой версией популярной дипольной антенны.
Полуволновой диполь является наиболее популярной версией дипольной антенны или антенны. Как следует из названия, длина полуволнового диполя составляет половину длины волны. Это наименьшая резонансная длина, которую можно использовать для резонансного диполя. Также у него очень удобная диаграмма направленности.
Основы полуволнового диполя
Полуволновой диполь образован из проводящего элемента, который представляет собой проволоку или металлическую трубку, электрическая длина которой составляет половину длины волны. Полуволновой диполь обычно питается посередине, где импеданс падает до минимума. Таким образом, антенна состоит из фидера, соединенного с двумя четвертьволновыми элементами на одной линии друг с другом.
Следует помнить, что длина полуволнового диполя представляет собой электрическую половину длины волны для волны, бегущей в проводниках антенны. Это немного короче, чем эквивалентная длина волны, распространяющейся в свободном пространстве, поскольку проводники антенны влияют на длину волны.
Уровни напряжения и тока изменяются по длине излучающей части антенны. Это происходит потому, что по длине излучающего элемента образуются стоячие волны. Поскольку концы разомкнуты, ток в этих точках равен нулю, а напряжение максимально.
По мере того как точка, в которой измеряются эти величины, удаляется от концов, обнаруживается, что они изменяются синусоидально: напряжение падает, а ток растет. Затем ток достигает максимума, а напряжение минимума на расстоянии, равном четверти электрической волны от концов. Поскольку это полуволновой диполь, эта точка находится в центре.
Импеданс полуволнового диполя
Одним из основных соображений, касающихся любой антенны, является организация фидера – как передать мощность от фидера/линии передачи в саму антенну. Необходимо учитывать согласование импеданса, сбалансированность или несбалансированность и многие другие аспекты.
Во многих аспектах полуволновой диполь очень легко запитать. Фидер обычно подключается к центральной точке, где есть максимум тока и минимум напряжения. Это приводит к тому, что антенна имеет низкий импеданс по отношению к фидеру. Это гораздо проще подавать, потому что высокие ВЧ-напряжения, связанные с схемами питания с высоким импедансом, могут создавать много проблем для фидеров и согласующих устройств.
Для дипольной антенны с длиной электрической половины длины волны индуктивное и емкостное сопротивления компенсируют друг друга на резонансной частоте. Поскольку уровни индуктивного и емкостного реактивного сопротивления компенсируют друг друга, нагрузка становится чисто резистивной, что значительно упрощает питание полуволновой дипольной антенны. Диполь представляет собой симметричную антенну, и поэтому требуется симметричное облучающее устройство. Обычно для этого требуется форма двойного или сбалансированного питателя. Однако можно использовать коаксиальный фидер, если используется симметрирующий трансформатор (сбалансированный на несимметричный).
Коаксиальный фидер представляет собой очень привлекательный вариант, когда согласование импеданса хорошее и отсутствуют стоячие волны, а также гораздо проще согласовать с выходом передатчика, который хочет видеть только резистивную нагрузку. Нагрузки, включающие реактивные сопротивления, приводят к более высоким уровням напряжения или тока, которые преобразователь может не выдержать. Импеданс полуволновой дипольной антенны в свободном пространстве составляет 73 Ом, что хорошо соответствует коаксиальному фидеру 70 Ом, и это одна из причин, по которой коаксиальный кабель с таким импедансом был выбран для многих приложений. Полуволновой диполь часто питается фидером 50 Ом. Антенна часто обеспечивает очень хорошее согласование с ним, потому что близость других объектов, таких как Земля, установка антенны и т. д., означает, что импеданс снижается ниже 73 Ом, которые он представляет в свободном пространстве.
Длина полуволнового диполя
Хотя название диполя указывает его приблизительную длину, при проектировании и строительстве реального диполя требуется более точная длина. Фактическая длина полуволнового диполя немного короче половины длины волны в свободном пространстве из-за ряда эффектов, связанных с тем фактом, что радиочастотный сигнал передается по проводу, а также, скорее всего, не в вакууме. Расчеты длины полуволновой дипольной антенны учитывают такие элементы, как отношение толщины или диаметра проводника к длине, диэлектрическая проницаемость среды вокруг излучающего элемента и т.п. В некоторых случаях необходимо укоротить длину полуволновой дипольной антенны. Это может быть достигнуто путем добавления нагрузочного индуктора. Он помещается в излучающий элемент. Это работает, потому что дипольную антенну можно рассматривать как резонансный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Добавление дополнительной индуктивности снизит резонансную частоту, т.е. данная длина антенны будет резонировать на более низкой частоте, чем та, которая была бы возможна при отсутствии индуктора. Таким образом можно сократить длину антенны. Этот принцип может быть использован для любой формы антенны и часто используется там, где большое значение имеет пространство.
Диаграмма направленности и направленность полуволнового диполя
Можно рассчитать диаграмму направленности и, следовательно, определить направленность. Как и следовало ожидать, максимальная направленность полуволнового диполя показывает максимальное излучение под прямым углом к основному излучателю. При других углах угол θ в приведенной выше формуле полуволнового диполя можно использовать для определения напряженности поля.
Также можно рассматривать диаграмму направленности в плоскости, огибающей дипольную антенну, т.е. в плоскости, пересекающей диполь в его поле максимального излучения.
Как видно, при расположении оси антенны внутрь/вне экрана уровень излучения одинаков по всему периметру антенны. Этого и следовало ожидать, так как нет ничего, что отличало бы одно направление от другого или влияло бы на излучение в разных направлениях в этой плоскости.
Практические советы
При разработке, проектировании и установке полуволновой дипольной антенны существует ряд общих советов и советов, которым можно следовать, чтобы обеспечить оптимальные характеристики. Они выше обычных, используемых для установки антенны, например, для обеспечения оптимальной высоты и т. д.
- Используйте симметричный фидер или балун: дипольная антенна является симметричной антенной. Следовательно, необходимо использовать сбалансированный фидер, или, если необходимо использовать коаксиальный фидер, необходимо использовать балун — существует несколько типов, которые можно легко сконструировать.
- Полуволновой диполь не является полуволной: длина полуволновой дипольной антенны не равна половине длины волны в свободном пространстве. Конечные эффекты означают, что фактическая требуемая длина немного короче.
- Участки с максимальным током: можно показать, что области антенны, где ток максимален, вносят наибольший вклад в излучение/прием. Для обеспечения наиболее эффективной работы эти зоны должны быть свободны от препятствий и иметь оптимальное положение для излучения. Это наиболее применимо для антенн, используемых для более низких частот, где длина очень велика. Для антенн VHF и UHF, где антенны намного короче, вся длина диполя, вероятно, будет иметь аналогичный «вид». Для ВЧ-антенн иногда центр антенны может быть выше, чем концы, и, следовательно, у него больше шансов лучше излучать сигнал.
- Максимумы напряжения на концах антенны: Точки максимального напряжения находятся на концах антенны. Если они используются для передачи, убедитесь, что к ним нельзя случайно прикоснуться, а также убедитесь, что они надлежащим образом изолированы. Это важно при использовании проволочных антенн, концы которых используются в качестве опорных точек. Они также должны находиться вдали от близлежащих объектов, которые могут поглощать энергию и расстраивать антенну.
Полуволновая дипольная антенна, возможно, является наиболее широко используемой формой диполя — даже самой широко используемой формой антенны. Он прост, эффективен и может использоваться в качестве ведомого элемента во многих других формах антенн, от антенн Yagi до параболических отражателей и многих других.