Czym jest antena dipolowa? Kompletny przewodnik

Antena dipolowa jest jednym z najbardziej podstawowych i powszechnie stosowanych typów anten w systemach komunikacji co1TP14. Znane ze swojej prostoty i wydajności, anteny dipolowe odgrywają kluczową rolę w umożliwianiu bezprzewodowej komunikacji co1TP14 w różnych zastosowaniach, od nadawania radiowego po nowoczesne sieci IoT i 5G. Ich wszechstronność i łatwość wdrożenia sprawiły, że stały się punktem zwrotnym w ewolucji technologii communication.

W tym artykule szczegółowo omówiono anteny dipolowe i ich podstawowe zasady. Zbadamy ich kluczowe cechy, różne typy i wzorce promieniowania. Zaawansowane konfiguracje, takie jak anteny macierzowe i konstrukcje o podwójnej polaryzacji, zostaną omówione w celu podkreślenia ich możliwości adaptacji w nowoczesnych systemach. Dodatkowo zagłębimy się w zastosowania, zalety i ograniczenia anten dipolowych i porównamy je z antenami monopolowymi. Na koniec zbadamy ich rolę w nowoczesnych technologiach, w tym IoT, 5G i komunikacji kosmicznej. Na koniec zyskasz jasne zrozumienie, dlaczego anteny dipolowe pozostają niezbędne w systemach telekomunikacyjnych.

Co to jest antena dipolowa i jak działa?

Najprostszym, ale szeroko stosowanym typem anteny w radiokomunikacji i telekomunikacji jest antena dipolowa, która składa się z dwóch elementów przewodzących lub prętów, które wysyłają i odbierają fale elektromagnetyczne. Zazwyczaj dwie części przewodzące mają równe długości metalu. Jest to niezbędny element bezprzewodowych systemów telekomunikacyjnych ze względu na prostą konstrukcję, która umożliwia wydajne wysyłanie i odbieranie sygnałów w szerokim zakresie częstotliwości.

Pole elektryczne jest wytwarzane wokół anteny, gdy do linii zasilającej doprowadzany jest prąd zmienny (AC). Pole elektryczne zmienia kierunek w połączeniu z prądem przemiennym, wytwarzając fale elektromagnetyczne, które promieniują z anteny.

Długość anteny dipolowej jest ważna dla jej działania. Musi ona stanowić pewien procent długości fali sygnału radiowego, który ma być wysyłany lub odbierany. Określenie "półfalowa antena dipolowa" odnosi się do faktu, że długość ta jest zwykle równa połowie długości fali. Antena skutecznie przekształca energię elektryczną w fale radiowe, gdy długość i długość fali są dopasowane.

Anteny dipolowe nadają i odbierają sygnały równie dobrze w dwóch przeciwnych kierunkach prostopadłych do anteny, co jest znane jako dwukierunkowy wzór promieniowania. Wynika to z faktu, że pole elektryczne prądu przemiennego jest najsłabsze na końcach anteny i najwyższe w środku. W związku z tym większość energii emitowanej przez antenę jest skierowana prostopadle do jej długości.

Prąd zmienny jest wytwarzany w przewodnikach anteny dipolowej, gdy oddziałują na nią fale radiowe. Odbiornik lub inny sprzęt elektroniczny może być zasilany tym prądem po przesłaniu go do linii zasilającej. Przekształcając fale radiowe z powrotem w energię elektryczną, antena dipolowa służy jako antena odbiorcza.

Tak więc podczas wysyłania antena dipolowa przekształca energię elektryczną w fale radiowe, a podczas odbioru przekształca fale radiowe z powrotem w energię elektryczną. Dla skutecznej transmisji i odbioru sygnału ważna jest długość i konstrukcja anteny.

Kluczowa charakterystyka anteny dipolowej

1. Prosta konstrukcja

Struktura anteny dipolowej, która składa się z dwóch części przewodzących o równej długości połączonych z linią zasilającą, czyni ją prostą. Jej prosta konstrukcja ułatwia wdrożenie i produkcję. Anteny dipolowe mogą pracować w pasmach częstotliwości radiowych HF (wysoka częstotliwość), VHF (bardzo wysoka częstotliwość) i UHF (ultra wysoka częstotliwość).

2. Rezonans przy połowie długości fali

Elementy anteny dipolowej mają zazwyczaj połowę długości fali częstotliwości roboczej. Maksymalna wydajność promieniowania jest możliwa dzięki temu rezonansowi. Ponieważ długość dipola jest równa połowie fali i pierwszej długości rezonansowej, jego promień nie ma wpływu na impedancję wejściową. Przy częstotliwości rezonansowej, która występuje przy długości rezonansowej, antena działa wydajnie.

3. Wzorzec promieniowania dookólnego

To dookólne promieniowanie jest idealne do łączenia urządzeń na tej samej płaszczyźnie i po przeciwnych stronach ze względu na ich wzór emisji w kształcie pączka. Są one często nadużywane w zastosowaniach mobilnych i wewnątrzbudynkowych. Wielokierunkowe anteny dipolowe w zastosowaniach mobilnych nie mają odpowiedniego wzorca wymaganego do połączenia z wieżą na znacznie większej wysokości. Wielokierunkowe anteny dipolowe w niektórych zastosowaniach są szczególnie złe w przypadku wdrożeń punkt-wielopunkt, gdzie użytkownik może znajdować się w martwej strefie, stojąc bezpośrednio pod anteną nadawczą.

4. Polaryzacja liniowa

Polaryzacja anteny dipolowej jest z natury liniowa. Orientacja polaryzacji zależy od sposobu montażu anteny. Energia jest przesyłana w kierunku prostopadłym do pręta dipola, gdy antena dipolowa promieniuje na boki.

5. Zysk

Wzmocnienie anteny jest specyficznym parametrem używanym do pomiaru kierunkowości wzoru promieniowania anteny. W szczególności antena o wysokim zysku będzie emitować promieniowanie w określonym kierunku. Zysk anteny jest zjawiskiem pasywnym, w którym energia elektryczna jest po prostu realokowana w celu zapewnienia większej mocy promieniowania w określonym kierunku, a nie dodawana przez antenę. Zysk anteny może być wyrażony jako dBi i dBd.

W odniesieniu do referencyjnej anteny dipolowej, zysk anteny dipolowej można obliczyć w dBd. Zysk anteny dipolowej wynosi 2,15 dBi jako odniesienie. Korzystając ze wzoru dBi = dBd + 2,15, dość łatwo jest zmienić dBi na dBd, dodając lub odejmując 2,15.

Rodzaje anten dipolowych

1. Półfalowa antena dipolowa

Półfalowe anteny dipolowe są specyficznym typem anten dipolowych, w których długość dipola jest równa połowie długości fali na częstotliwości roboczej. Antena ta jest również zwykle określana jako antena Hertza. W porównaniu do innych anten, ta ma prostszą strukturę rezonansową, dzięki czemu nadaje się zarówno do nadawania, jak i odbioru w różnych zastosowaniach. Antena ta działa w zakresie częstotliwości od 3 kHz do 300 GHz.

Półfalowe anteny dipolowe mają następujące zalety: są lekkie, ekonomiczne i mają impedancję wejściową porównywalną z impedancją linii transmisyjnej. Wady anteny półfalowej obejmują jej dookólny wzór promieniowania i niezależność, co pozwala jej służyć jako podstawowy element dla innych rodzajów anten, które działają na bardzo wysokich częstotliwościach. Odbiorniki telewizyjne i radiowe są głównymi urządzeniami wykorzystującymi te anteny.

2. Składana antena dipolowa

Antena składana to grupa dwóch anten dipolowych, które są po prostu łączone pojedynczo, tworząc cienką pętlę z drutu. Jak sama nazwa wskazuje, antena dipolowa jest zagięta do tyłu i składa się z dwóch dipoli półfalowych, z których jeden jest podzielony w środku, a drugi ciągły. Na obu końcach są one złożone i połączone równolegle.

Wzór promieniowania złożonej anteny dipolowej jest porównywalny do zwykłego dipola, z wyjątkiem większej impedancji wejściowej i dwukierunkowej kierunkowości. Szeroka szerokość pasma i wysoka wartość impedancji zasilającej tej anteny są podstawowymi cechami jej zastosowania. W rezultacie anteny te są używane niezależnie, jako kluczowa część innych anten i w celu zapewnienia wysokiej przepustowości. Istnieją dwuprzewodowe i trójprzewodowe typy tych anten.

3. Krótka antena dipolowa

Najbardziej podstawowym typem anteny jest krótki dipol. Jest to tylko przewód, który jest zasilany w środku i jest otwarty. W inżynierii antenowej terminy "mały" lub "krótki" zawsze oznaczają "w stosunku do długości fali". Dlatego liczy się tylko rozmiar przewodu w stosunku do długości fali częstotliwości roboczej, a nie dokładny rozmiar anteny dipolowej. Jeśli długość dipola jest mniejsza niż jedna dziesiąta długości fali, jest on ogólnie uważany za krótki.

4. Logo-periodyczna antena dipolowa

Kierunkowa, wieloelementowa antena o szerokim zakresie częstotliwości pracy nazywana jest anteną logarytmiczno-periodyczną. Jest ona idealna do zastosowań wymagających niezawodnych, elastycznych pod względem częstotliwości rozwiązań komunikacyjnych co1TP14 ze względu na swoją charakterystyczną strukturę geometryczną, która zapewnia stałą wydajność i zysk w całym paśmie.

5. Skrzyżowana antena dipolowa

Skrzyżowana antena dipolowa, znana również jako antena obrotowa, to rodzaj anteny radiowej składającej się z dwóch identycznych anten dipolowych, które są zasilane w kwadraturze fazowej i ustawione pod kątem prostym względem siebie. Dwa prądy przyłożone do dipoli są 90 stopni poza fazą. Idea, że antena przypomina kołowrót, gdy jest ustawiona poziomo, znajduje odzwierciedlenie w nazwie.

Antena działa w dwóch trybach. W trybie normalnym antena emituje fale radiowe spolaryzowane poziomo i prostopadle do swojej osi. W trybie osiowym antena emituje promieniowanie spolaryzowane kołowo wzdłuż swojej osi. Anteny te są idealne do zastosowań MIMO i satelitarnych.

Wzór promieniowania anten dipolowych

Wzór promieniowania anteny dipolowej jest toroidalny, przypominający pączek. Ma maksymalne promieniowanie prostopadłe do osi anteny i minimalne promieniowanie wzdłuż osi. Ten wzór jest skuteczny w przypadku komunikacji poziomej, dzięki czemu anteny dipolowe są bardzo wszechstronne.

Główne 2 zaawansowane konfiguracje Dipole to:

1. Anteny macierzowe wykorzystujące dipole

Układy anten dipolowych mogą być wykorzystywane do zwiększenia zasięgu, zysku i kierunkowości. Wielkoskalowe systemy telekomunikacyjne i radarowe to dwa przykłady zastosowań, które wykorzystują te matryce. W konstrukcji różnych typów anten macierzowych stosuje się kilka dipoli, często dipoli półfalowych. Wykorzystanie wielu dipoli ma na celu zwiększenie zysku kierunkowego anteny powyżej zysku pojedynczego dipola, promieniowanie z poszczególnych dipoli zakłóca zwiększoną moc emitowaną w określonych kierunkach. Linia zasilająca jest podzielona za pomocą sieci elektrycznej, aby dostarczyć moc do elementów w macierzach z wieloma elementami napędzanymi dipolami. Względne opóźnienia fazowe wynikające z transmisji między punktem common a każdym elementem są dokładnie uwzględniane.

Aby poprawić zysk anteny w kierunku poziomym, można ułożyć anteny w kierunku pionowym w układzie szerokostronnym, w którym anteny są zasilane w fazie względem siebie. Zachowuje to kierunkowość poziomych anten dipolowych i zerowanie w kierunku ich elementów. Ten kierunek zerowy staje się jednak pionowy w tak zwanym układzie anten współliniowych, jeśli każdy dipol jest zorientowany pionowo. Pozwala to na uzyskanie zwykle wymaganego dookólnego wzoru promieniowania (w płaszczyźnie poziomej). W pasmach częstotliwości VHF i UHF, gdzie długości fal elementów są małe, aby można było ułożyć kilka na wieży, stosuje się pionowe macierze współliniowe.

2. Dwupolaryzacyjne konstrukcje dipolowe (anteny MIMO)

Dipole o podwójnej polaryzacji mogą obsługiwać wiele sygnałów jednocześnie, wykorzystując dwie anteny spolaryzowane ortogonalnie. Nowoczesne sieci bezprzewodowe w znacznym stopniu korzystają z tej konstrukcji, która jest niezbędna w systemach MIMO i zwiększa przepustowość i niezawodność danych. Antena, która może jednocześnie odbierać i nadawać sygnały o częstotliwości radiowej z dwiema różnymi polaryzacjami, zazwyczaj poziomą lub pionową, jest znana jako dipol. Antena MIMO o podwójnej polaryzacji.

W kierunku propagacji sygnały radiowe są emitowane przez anteny spolaryzowane liniowo w jednej płaszczyźnie. Oprócz konieczności wyrównania nadajnika i odbiornika, anteny o polaryzacji liniowej mogą być ustawione pionowo lub poziomo. Anteny o polaryzacji kołowej emitują częstotliwość radiową w układzie cylindrycznym.

Zarówno poziome, jak i pionowe wzorce częstotliwości radiowych są jednocześnie emitowane przez anteny o podwójnej polaryzacji. Zastosowanie anten o podwójnej polaryzacji w miejscach o dużej gęstości zaludnienia jest ich główną zaletą w porównaniu z antenami o polaryzacji poziomej i pionowej. Obszary o dużej gęstości zaludnienia doświadczają ekstremalnego przeciążenia częstotliwości radiowych, co obejmuje wysoki poziom zakłóceń i szumów. W przeciwieństwie do tradycyjnych anten o polaryzacji liniowej, które promieniują tylko w jednym wzorze liniowym, anteny o podwójnej polaryzacji pokonują zatory, emitując zarówno w układzie poziomym, jak i pionowym.

Istnieją trzy techniki polaryzacji anten RF: najczęściej stosowana jest polaryzacja pionowa, następnie pozioma, a najmniej popularna jest polaryzacja kołowa. Orientacja fali radiowej jest określana przez płaszczyznę pola elektrycznego.

Do czego służy antena dipolowa?

Anteny dipolowe są ważne w systemach telekomunikacyjnych ze względu na ich zdolność adaptacji. Oto kilka najczęściej używanych aplikacji:

1. Transmisja radiowa

Radio co1TP14Urządzenia telekomunikacyjne, takie jak krótkofalówki i radiotelefony dwukierunkowe, często wykorzystują anteny dipolowe. Są one używane do transmisji i odbioru sygnału krótkiego zasięgu.

2. Transmisja telewizyjna

Zapewniają one skuteczną transmisję i odbiór sygnału i są często spotykane w antenach telewizyjnych VHF i UHF. Sygnały telewizyjne są przesyłane ze stacji nadawczych do domów za pośrednictwem anten dipolowych. Mogą być również wykorzystywane do odbioru sygnałów telewizyjnych w domach, które nie mają dostępu do Internetu lub telewizji satelitarnej.

3. Bezprzewodowa komunikacja Co1TP8

Anteny dipolowe zapewniają niezawodną łączność i są niezbędne w urządzeniach Bluetooth, systemach Wi-Fi i innych rozwiązaniach sieci bezprzewodowych. Routery Wi-Fi i punkty dostępowe to przykłady bezprzewodowych urządzeń sieciowych wykorzystujących anteny dipolowe. Bezprzewodowy dostęp do Internetu jest możliwy dzięki ich pomocy w transmisji i odbiorze sygnału między urządzeniami.

4. Sieci komórkowe

Stacje bazowe wykorzystują anteny dipolowe do zapewnienia komunikacji komórkowej, umożliwiając niezawodną łączność i szybki transfer danych. Sygnały komórkowe są przesyłane i odbierane przez telefony komórkowe za pomocą anten dipolowych. Obsługują one niezawodną komunikację między wieżami komórkowymi a urządzeniami mobilnymi.

5. Ham Radio (radio amatorskie)

Anteny dipolowe są używane do komunikacji VHF i UHF ze względu na ich łatwość użytkowania i wydajność. Operatorzy krótkofalówek, zwani dalej radioamatorami, często używają anten dipolowych. W radiokomunikacji krótkofalarskiej są one wykorzystywane zarówno do transmisji, jak i odbioru sygnału.

6. Komunikacja lotnicza Co1TP14

Anteny dipolowe są wykorzystywane przez samoloty w systemach komunikacji VHF co1TP14, które zapewniają wydajność i bezpieczeństwo w lotnictwie. Systemy radarowe, które wykrywają i śledzą obiekty, takie jak statki, samoloty i wzorce pogodowe, wykorzystują anteny dipolowe. Wspomagając transmisję i odbiór sygnałów radarowych, umożliwiają one pomiar odległości, prędkości i kierunku obiektu.

Zalety anten dipolowych

1. Prostota

Konstrukcja anten dipolowych jest prosta: dwa przewodzące elementy o równej długości są połączone z linią zasilającą. Ze względu na swoją prostotę, mogą być budowane z prostą znajomością technologii i narzędzi. Dodatkowo, ponieważ rozwiązywanie problemów i naprawy wymagają jedynie niewielkich modyfikacji lub wymiany, ich prosta metoda sprawia, że są łatwe w utrzymaniu.

2. Efektywność kosztowa

Anteny dipolowe są wykonane z łatwo dostępnych i niedrogich materiałów, takich jak miedź i aluminium. To, wraz z prostą konstrukcją, która eliminuje potrzebę stosowania złożonych komponentów, gwarantuje, że anteny dipolowe są jednymi z najtańszych anten. Ze względu na przystępną cenę są idealne do instalacji na dużą skalę, takich jak masowa elektronika użytkowa lub transmisja radiowa.

3. Wszechstronność

Anteny dipolowe można łatwo modyfikować dla różnych zakresów częstotliwości poprzez zmianę długości elementów przewodzących. Ze względu na ich zdolność adaptacji, mogą być wykorzystywane do różnych celów, w tym w sieciach komórkowych, Wi-Fi o wysokiej częstotliwości i transmisjach radiowych AM o niskiej częstotliwości. Ich zastosowanie zarówno w tradycyjnych, jak i nowoczesnych systemach telekomunikacyjnych jest zapewnione dzięki ich zdolności do skutecznego działania w szerokim zakresie częstotliwości.

4. Niezawodna wydajność

Anteny dipolowe są skutecznie wykorzystywane od wielu lat w sieciach bezprzewodowych, transmisjach radiowych i telewizyjnych oraz komunikacji lotniczej. Ich skuteczność w wysyłaniu i odbieraniu wiadomości, a także ich regularne wzorce promieniowania, są głównymi przyczynami ich niezawodności. Są one uważane za niezawodną opcję zarówno w systemach krytycznych, jak i niekrytycznych.

5. Promieniowanie dookólne

Anteny dipolowe emitują energię równomiernie w płaszczyźnie poziomej, co oznacza, że zapewniają stałą siłę sygnału we wszystkich kierunkach prostopadłych do osi anteny. Są idealne do zastosowań takich jak Wi-Fi i nadawanie, gdzie zasięg w wielu kierunkach jest ważny ze względu na ich dookólny wzór promieniowania. Ich zdolność do oferowania spójnego zasięgu poziomego poprawia połączenie i gwarantuje niezawodne działanie w wielu środowiskach.

Ograniczenia anten dipolowych

1. Rozmiar anteny

Długość fali sygnału przeznaczonego dla anteny dipolowej ma bezpośredni związek z jej długością. Całkowita długość anteny dla dipola półfalowego wynosi połowę długości fali sygnału. Dłuższe elementy dipolowe są potrzebne do transmisji o niższej częstotliwości, ponieważ długość fali rośnie wraz ze spadkiem częstotliwości. Na przykład dipol półfalowy używany w radiu FM, który został zaprojektowany na częstotliwość 100 MHz, miałby około 1,5 metra długości. W przypadku zastosowań takich jak nadawanie radiowe AM, które muszą działać przy bardzo niskich częstotliwościach, rozmiar ten może stać się niewykonalny.

2. Ograniczenia kierunkowe

Anteny dipolowe emitują energię równomiernie w poprzek anteny i zazwyczaj posiadają dookólny wzór promieniowania w płaszczyźnie poziomej. Gdy potrzebna jest skupiona lub ukierunkowana wiązka, jak w systemach komunikacji punkt-punkt, staje się to ograniczeniem, nawet jeśli jest to korzystne w zastosowaniach wymagających szerokiego zasięgu. Inne elementy, takie jak reflektory lub direktory (stosowane w antenach Yagi-Uda) lub łączenie dipoli w matryce, są wymagane do uzyskania promieniowania kierunkowego, co komplikuje projekt.

3. Dopasowanie impedancji

Aby uzyskać optymalne wyniki, impedancja anteny musi być zgodna z impedancją linii transmisyjnej i wszelkich podłączonych urządzeń; w większości systemów telekomunikacyjnych co1TP14 jest to 50 lub 75 omów. W wolnej przestrzeni impedancja wejściowa standardowej anteny dipolowej wynosi około 73 omów. Mimo że są to wartości dość zbliżone do standardowych, różnice wynikające ze środowiska lub konfiguracji instalacji mogą powodować niedopasowanie impedancji, co może prowadzić do utraty mocy i odbicia sygnału. Wdrożenie staje się bardziej złożone, gdy wymagane są odpowiednie modyfikacje, takie jak użycie balunów lub obwodów dopasowujących, aby zagwarantować skuteczny transfer mocy.

Anteny dipolowe a anteny monopolowe

Istnieją różne sposoby, w jakie antena dipolowa różni się od anteny monopolowej. Przeanalizujmy bardziej szczegółowo podstawowe różnice między tymi dwoma typami anten.

1. Antena dipolowa ma promieniowanie na dole i pola po obu stronach. I odwrotnie, antena monopolowa ma zerowe promieniowanie poniżej płaszczyzny uziemienia i tylko jedno pole w górnej połowie obszaru.

2. Aby stworzyć syntetyczną płaszczyznę uziemienia, anteny dipolowe zazwyczaj wymagają dodatkowego promiennika. Z drugiej strony, antena monopolowa wymaga prawdziwej płaszczyzny uziemienia.

3. Elementy promieniujące anteny dipolowej są przesunięte w fazie o 180 stopni. Z drugiej strony antena monopolowa ma zewnętrzny przewodnik kabla koncentrycznego i płaszczyznę odniesienia połączenia linii transmisyjnej. W przypadku korzystania z anteny monopolowej wzory te tworzą płaszczyznę uziemienia.

4. Wzór promieniowania anteny dipolowej jest pionowo symmetric, ale anteny monopolowej nie. Podczas gdy wzór promieniowania anteny monopolowej zależy od orientacji płaszczyzny uziemienia, antena dipolowa jest bardzo częstym typem anteny.

5. Antena monopolowa ma ograniczoną liczbę rodzajów i odmian na rynku, podczas gdy dipol jest anteną kommon z wieloma odmianami.

Anteny dipolowe z nowoczesną technologią

Anteny dipolowe stały się kluczowe dla sieci 5G i urządzeń Internetu rzeczy, ponieważ oferują niezawodne usługi i szybką łączność w małych konstrukcjach. Spełniają wiele wymagań i wysokie zapotrzebowanie na dane w nowoczesnych technologiach. Anteny dipolowe są szeroko stosowane w wielu aplikacjach technologii bezprzewodowej do komunikacji bezprzewodowej. Anteny dipolowe mogą obsługiwać komunikację wieloczęstotliwościową, taką jak 5G, LTE, Wi-Fi itp. ponieważ często mają dużą przepustowość.

W communication satelitarnej, skrzyżowane anteny dipolowe są wykorzystywane do polaryzacji kołowej, co pozwala na niezawodną transmisję sygnału w przestrzeni kosmicznej. Proste anteny drutowe zwane dipolami są często spotykane w systemach telekomunikacyjnych i satelitarnych.

Wnioski

Prostota, przystępna cena i wydajność anteny dipolowej sprawiają, że jest to doskonały wybór. Jest prosta w budowie i nie wymaga skomplikowanego strojenia lub dopasowywania obwodów. Może działać dobrze na różnych częstotliwościach i ma dużą szerokość pasma. Antena dipolowa zapewnia również zrównoważone zasilanie, co zmniejsza zakłócenia i szumy w trybie common. Biorąc wszystko pod uwagę, antena dipolowa jest idealnym wyborem do wielu zastosowań.

Podsumowując, komunikacja bezprzewodowa wymaga anten dipolowych. Zapewniają one dobrą równowagę między wydajnością i prostotą. Zrozumienie anten dipolowych przyniesie korzyści w branży bezprzewodowej, niezależnie od doświadczenia.