Знание того, как правильно запитать дипольную антенну, может улучшить ее характеристики и уменьшить нежелательные эффекты.
При использовании дипольной антенны, как и любой другой формы антенны, особое значение имеют импеданс облучателя и знание наилучшего способа его подпитки. Для обеспечения оптимальной передачи энергии от фидера или источника/нагрузки импеданс фидера дипольной антенны должен быть таким же, как у источника или нагрузки. Путем согласования импеданса дипольного фидера или характеристического импеданса диполя с источником или нагрузкой антенна может работать с максимальной эффективностью. Чтобы гарантировать сохранение согласования импедансов, существует несколько способов питания диполя от его фидера.
Основы импеданса дипольного питания
Импеданс питания диполя определяется соотношением напряжения и тока в точке питания — он просто рассчитывается по закону Ома. Хотя диполь может питаться в любой точке, точка питания обычно находится в середине диполя. Это точка максимума тока и минимума напряжения. Это дает низкий импеданс диполя, как следует из закона Ома (V / I = R). Это гораздо легче приспособить, чем импеданс подачи с высоким импедансом, где могут присутствовать очень высокие напряжения при передаче даже с умеренными уровнями мощности. Хотя наиболее распространенным для диполя является полуволновой диполь, другие могут быть кратны половине длины волны. Таким образом, можно питать диполь в любой из этих точек минимума напряжения или максимума тока, которые находятся в точке, находящейся на расстоянии четверти длины волны от конца, а затем с интервалом в половину длины волны. Поскольку резонансные диполи кратны половине длины волны, это означает, что наиболее распространенная точка по-прежнему находится в центре антенны.
Волновое сопротивление диполя состоит из двух составляющих:
- Сопротивление потерь: Сопротивление потерь возникает из-за резистивных или омических потерь внутри излучающего элемента, т.е. диполя. Во многих случаях сопротивление дипольных потерь игнорируется, так как оно может быть низким. Чтобы он был низким, следует использовать достаточно толстый кабель или трубопровод, а металл должен иметь низкое сопротивление. Кожные эффекты, возможно, также необходимо учитывать.
- Радиационное сопротивление: Радиационное сопротивление — это элемент импеданса дипольной антенны, возникающий в результате мощности, излучаемой в виде электромагнитной волны — с точки зрения потерь мощности это может рассматриваться нагрузкой как мощность, рассеиваемая резистором. Задача любой антенны состоит в том, чтобы излучать или «рассеивать» таким образом как можно больше мощности.
Как и в случае с любой радиочастотной антенной, импеданс облучателя дипольной антенны зависит от множества факторов, включая длину, положение облучателя, окружающую среду и т.п. Полуволновая дипольная антенна с центральным питанием в свободном пространстве имеет импеданс излучения 73 Ом, что делает ее идеальной для питания фидером 75 Ом.
На самом деле, для всех реальных приложений близость земли и других объектов означает, что цифра 73 Ом встречается редко. Обычно более распространенный коаксиальный кабель 50 Ом используется для диполей, особенно тех, которые используются для коммерческих приложений радиосвязи — коаксиальный кабель 75 Ом широко используется для домашнего радио и телевизионного приема.
Факторы, влияющие на импеданс дипольного облучателя
Хотя стандартный входной импеданс диполя составляет 73 Ом (точнее, 73,1 Ом), это значение встречается редко, так как импеданс изменяется под действием ряда различных факторов. Одним из основных факторов, влияющих на использование диполей в КВ-диапазонах, может быть близость земли. Для диполей, излучающих на любой частоте, если они образуют излучающий элемент для более сложной формы радиочастотной антенны, то элементы антенны будут иметь эффект. Обычно это снижает импеданс. Оно может упасть до значений 10 Ом или даже меньше. Таким образом, необходимо обеспечить хорошее соответствие фидеру.
Высота диполя над землей
Для более крупных дипольных антенн, таких как те, которые используются для частот ниже 30–50 МГц, высота над землей может оказывать большое влияние на импеданс облучателя. На этих частотах расстояние между антенной и землей во многих случаях может составлять только одну или две длины волны. На таких высотах земля может оказывать большое влияние на импеданс, особенно когда антенна установлена горизонтально, как это часто бывает.
Как видно из графика изменения импеданса, наибольшие колебания импеданса наблюдаются, когда дипольная антенна находится ближе всего к земле. Затем он приближается к значению свободного пространства. Это означает, что фактическое значение для многих ВЧ-диполей будет относительно низким, поскольку во многих случаях невозможно поднять их очень высоко. Питание с помощью коаксиального фидера 50 Ом часто является хорошим компромиссом.
Для диполей VHF/UHF их можно поднять намного выше, хотя монтажные столбы и мачты могут взаимодействовать для снижения импеданса. Кроме того, диполи не часто используются сами по себе, поскольку они часто включаются в антенны, такие как Yagi.
Фидеры для дипольной антенны
Поскольку дипольная антенна является симметричной антенной, естественным выбором для ее питания будет симметричный фидер. В то время как сбалансированный открытый механизм подачи проволоки предлагает очень низкий уровень потерь и идеален во многих отношениях, он редко используется. Для этого есть две основные причины:
- Несбалансирован и имеет потери в зданиях: сбалансированный фидер состоит из двух проводов, разнесенных друг от друга, часто в виде плоского провода с пластиковой прокладкой, или двух параллельных проводов с прокладками через промежутки для сохранения расстояния. Проблема в том, что такая форма фидера идеальна для загона, но ее трудно проложить внутри здания, т.е. дома, радиорубки и т. д. Именно по этой причине несбалансированный коаксиальный кабель более удобен для прокладки. использовать.
- Обычно используется только на ВЧ: Сбалансированный фидер обычно используется только на ВЧ. Расстояние между параллельными проводами должно быть небольшим с точки зрения длины волны, и по мере роста частоты в некоторых случаях это может стать проблемой. Опять же, коаксиальный кабель более удобен в использовании, особенно на очень высоких частотах.
Использование коаксиального кабеля гораздо более распространено ввиду его удобства и производительности при работе с близко расположенными объектами, а также при прокладке через стены и помещения и т. д.
Однако для использования коаксиального кабеля требуется переход между симметричным и несимметричным кабелем. Обычно это достигается с помощью элемента, называемого симметрирующим устройством: от балансного до несимметричного. Если симметрирующего устройства нет, РЧ будет присутствовать на внешней стороне коаксиального кабеля, и это может означать, что коаксиальный кабель будет излучать или принимать сигналы. Это может привести к помехам от принимаемых устройств в здании или помехам, создаваемым передатчиком. Балун — это простой элемент, который часто представляет собой простой трансформатор (обычно для этого приложения это будет 1: 1), или его можно реализовать, поместив феррит на внешнюю часть коаксиального кабеля, чтобы предотвратить прохождение сигналов по внешней части коаксиального кабеля. , или просто смотать несколько витков коаксиального кабеля рядом с антенной.
Примечание по антенным балунам:
Балуны используются со многими антеннами и их системами питания для перехода от сбалансированной к несбалансированной системе или наоборот. Они могут принимать различные формы и использоваться во многих антенных системах. Дипольная антенна может работать особенно хорошо на всех частотах, но для обеспечения наилучших характеристик необходимо правильно управлять обработкой фидеров. Фидер с требуемыми импедансом и свойствами, а также симметричными и несимметричными характеристиками различных элементов всей системы радиосвязи.