Что такое дипольная антенна? Полное руководство

Дипольная антенна - один из наиболее фундаментальных и широко используемых типов антенн в системах связи. Известные своей простотой и эффективностью, дипольные антенны играют ключевую роль в обеспечении беспроводной связи в различных областях применения, от радиовещания до современных сетей IoT и 5G. Их универсальность и простота реализации сделали их поворотным пунктом в эволюции коммуникационных технологий.

В этой статье мы подробно рассмотрим дипольные антенны и их фундаментальные принципы. Мы рассмотрим их ключевые характеристики, различные типы и диаграммы направленности излучения. Будут рассмотрены усовершенствованные конфигурации, такие как антенные решетки и двухполяризованные конструкции, чтобы подчеркнуть их адаптивность в современных системах. Кроме того, мы рассмотрим применение, преимущества и ограничения дипольных антенн и сравним их с монопольными. Наконец, мы рассмотрим их роль в современных технологиях, включая IoT, 5G и космическую связь. К концу курса вы получите четкое понимание того, почему дипольные антенны остаются незаменимыми в системах связи.

Что такое дипольная антенна и как она работает?

Простейший, но широко используемый в радиосвязи и телекоммуникациях тип антенны - дипольная антенна, состоящая из двух проводящих элементов или стержней, которые передают и принимают электромагнитные волны. Как правило, обе проводящие части имеют равную длину металла. Она является важным компонентом систем беспроводной связи благодаря своей простой конструкции, которая позволяет ей эффективно передавать и принимать сигналы в широком диапазоне частот.

При подаче переменного тока (AC) на фидлайн вокруг антенны создается электрическое поле. Электрическое поле меняет направление вместе с переменным током, создавая электромагнитные волны, которые излучаются из антенны.

Длина дипольной антенны важна для ее работы. Она должна составлять определенный процент от длины волны радиосигнала, который она должна передавать или принимать. Термин "полуволновая дипольная антенна" означает, что эта длина обычно равна половине длины волны. Антенна эффективно преобразует электрическую энергию в радиоволны, когда длина и длина волны совпадают.

Дипольные антенны одинаково хорошо передают и принимают сигналы в двух противоположных направлениях, перпендикулярных антенне, что называется двунаправленной диаграммой направленности излучения. Это связано с тем, что электрическое поле переменного тока слабее всего на концах антенны и выше всего в центре. Следовательно, большая часть энергии, излучаемой антенной, направлена перпендикулярно ее длине.

При воздействии радиоволн в проводниках дипольной антенны возникает переменный ток. Приемник или другое электронное оборудование может питаться этим током после передачи его в фидлайн. Преобразуя радиоволны обратно в электрическую энергию, дипольная антенна служит в качестве приемной антенны.

Таким образом, при передаче дипольная антенна преобразует электрическую энергию в радиоволны, а при приеме - радиоволны обратно в электрическую энергию. Для эффективной передачи и приема сигнала важны ее длина и конструкция.

Основные характеристики дипольной антенны

1. Простой дизайн

Структура дипольной антенны, состоящей из двух проводящих частей одинаковой длины, соединенных с фидерной линией, делает ее простой. Ее простая конструкция облегчает развертывание и производство. Дипольные антенны могут работать в диапазонах HF (высокие частоты), VHF (очень высокие частоты) и UHF (сверхвысокие частоты) радиочастотного спектра.

2. Резонанс на половине длины волны

Элементы дипольной антенны обычно имеют половину длины волны рабочей частоты. Благодаря этому резонансу достигается максимальная эффективность излучения. Поскольку длина диполя равна половине волны и первой резонансной длине, его радиус не влияет на входной импеданс. На своей резонансной частоте, которая приходится на резонансную длину, антенна работает эффективно.

3. Всенаправленная диаграмма направленности излучения

Всенаправленное излучение идеально подходит для соединения устройств, расположенных в одной плоскости и по разные стороны друг от друга, благодаря своей пончикообразной форме излучения. Их часто неправильно используют в мобильных и внутридомовых приложениях. Всенаправленные дипольные антенны в мобильных приложениях не имеют правильной диаграммы направленности, необходимой для подключения к вышке, расположенной на значительно большей высоте. Всенаправленные дипольные антенны в некоторых приложениях особенно плохи в системах "точка-многоточка", где пользователь может оказаться в мертвой зоне, находясь непосредственно под передающей антенной.

4. Линейная поляризация

Поляризация дипольной антенны по своей природе линейна. Направление поляризации зависит от того, как установлена антенна. Энергия передается в направлении, перпендикулярном стержню диполя, когда дипольная антенна излучает в широком направлении.

5. Усиление

Коэффициент усиления антенны - это специфический параметр, используемый для измерения направленности диаграммы направленности излучения антенны. В частности, антенна с высоким коэффициентом усиления будет излучать в определенном направлении. Коэффициент усиления антенны - это пассивное явление, при котором электроэнергия просто перераспределяется для обеспечения большей излучаемой мощности в определенном направлении, а не добавляется через антенну. Коэффициент усиления антенны может быть выражен как dBi и дБд.

Относительно эталонной дипольной антенны коэффициент усиления дипольной антенны может быть рассчитан в дБд. В качестве эталона коэффициент усиления дипольной антенны равен 2,15 dBi. Используя формулу dBi = dBd + 2.15, можно легко изменить значения dBi и dBd, добавляя или вычитая 2.15.

Типы дипольных антенн

1. Полуволновая дипольная антенна

Полуволновые дипольные антенны - это особый тип дипольных антенн, в которых длина диполя равна половине длины волны на рабочей частоте. Такую антенну также обычно называют антенной Герца. По сравнению с другими антеннами, эта имеет более простую резонансную структуру, что делает ее пригодной как для передачи, так и для приема в различных приложениях. Эта антенна работает в диапазоне частот от 3 кГц до 300 GHz.

Полуволновые дипольные антенны обладают следующими преимуществами: они легкие, экономичные и имеют входной импеданс, сопоставимый с сопротивлением линии передачи. К недостаткам полуволновой антенны можно отнести ее всенаправленную диаграмму направленности излучения и независимость, что позволяет использовать ее в качестве базового компонента для других видов антенн, работающих на очень высоких частотах. Теле- и радиоприемники - основные устройства, в которых используются такие антенны.

2. Сложенная дипольная антенна

Сложенный тип антенны - это группа из двух дипольных антенн, которые просто соединяются по одной, образуя тонкую проволочную петлю. Как следует из названия, дипольная антенна складывается и состоит из двух полуволновых диполей, один из которых разделен в центре, а другой сплошной. На обоих концах они складываются и соединяются параллельно.

Диаграмма направленности излучения сложенной дипольной антенны сравнима с диаграммой направленности обычного диполя, за исключением большего входного импеданса и двунаправленной направленности. Широкая полоса пропускания и высокое значение импеданса фидера являются основными характеристиками этой антенны. В результате эти антенны используются как самостоятельно, так и в составе других антенн, а также для обеспечения высокой пропускной способности. Существуют двухпроводные и трехпроводные типы этих антенн.

3. Короткая дипольная антенна

Самый простой тип антенны - короткий диполь. Это всего лишь провод, питаемый по центру и замкнутый накоротко. В антенной технике термины "маленький" или "короткий" всегда означают "относительно длины волны". Поэтому значение имеет только размер провода по отношению к длине волны рабочей частоты, а не точный размер дипольной антенны. Если длина диполя составляет менее десятой части длины волны, его принято считать коротким.

4. Лог-периодическая дипольная антенна

Направленная многоэлементная антенна с широким диапазоном рабочих частот называется лог-периодической антенной. Она идеально подходит для приложений, требующих надежных, частотно-устойчивых решений для связи, благодаря своей отличительной геометрической структуре, которая обеспечивает стабильную производительность и усиление в диапазоне частот.

5. Скрещенная дипольная антенна

Антенна со скрещенными диполями, также известная как антенна-турникет, - это тип радиоантенны, состоящей из двух одинаковых дипольных антенн, которые питаются в фазовой квадратуре и расположены под прямым углом друг к другу. Два тока, подаваемые на диполи, расходятся по фазе на 90 градусов. Идея о том, что антенна напоминает турникет при горизонтальном расположении, отражена в названии.

Существует два режима работы антенны. В нормальном режиме антенна излучает горизонтально поляризованные радиоволны, направленные перпендикулярно ее оси. В осевом режиме антенна излучает циркулярно поляризованное излучение вдоль своей оси. Для MIMO и спутниковых приложений эти антенны подходят идеально.

Диаграмма направленности излучения дипольных антенн

Диаграмма направленности излучения дипольной антенны имеет тороидальную форму, напоминающую пончик. Она имеет максимальное излучение перпендикулярно оси антенны и минимальное излучение вдоль оси. Такая диаграмма направленности эффективна для горизонтальной связи, что делает дипольные антенны весьма универсальными.

Основными двумя передовыми конфигурациями диполей являются:

1. Массивные антенны с использованием диполей

Массивы дипольных антенн могут использоваться для увеличения зоны охвата, усиления и направленности. Крупномасштабные системы связи и радары - два примера приложений, в которых используются такие решетки. В конструкции различных типов антенных решеток используется несколько диполей, часто полуволновых. Использование нескольких диполей позволяет увеличить коэффициент направленного усиления антенны по сравнению с одним диполем, при этом излучение отдельных диполей мешает увеличению мощности, излучаемой в определенных направлениях. Фидерная линия разделяется с помощью электрической сети для подачи питания на элементы в решетках с многочисленными дипольными элементами. При этом тщательно учитываются относительные фазовые задержки, возникающие при передаче сигнала между общей точкой и каждым элементом.

Чтобы улучшить усиление антенны в горизонтальном направлении, можно сложить антенны в вертикальном направлении в широкую решетку, где антенны подаются в фазе друг с другом. При этом сохраняется направленность горизонтальных дипольных антенн и нулевое направление их элементов. Однако это нулевое направление становится вертикальным в так называемой коллинеарной антенной решетке, если каждый диполь ориентирован вертикально. Это позволяет решетке приобрести обычно требуемую всенаправленную диаграмму направленности излучения (в горизонтальной плоскости). В частотных диапазонах ОВЧ и УВЧ, где длина волны элементов мала, чтобы их можно было разместить на башне, используются вертикальные коллинеарные решетки.

2. Конструкции двухполяризованных диполей (MIMO-антенны)

Двухполяризованные диполи могут обрабатывать несколько сигналов одновременно благодаря использованию двух ортогонально поляризованных антенн. Современные беспроводные сети получают значительные преимущества от такой конструкции, которая необходима для систем MIMO и повышает пропускную способность и надежность передачи данных. Антенна, которая может одновременно принимать и передавать радиочастотные сигналы с двумя различными поляризациями, обычно горизонтальной или вертикальной, называется двухполюсная MIMO-антенна.

В направлении распространения радиочастотные сигналы излучаются линейно поляризованными антеннами в одной плоскости. Кроме того, что передатчик и приемник должны быть выровнены, линейно поляризованные антенны могут быть ориентированы как вертикально, так и горизонтально. Антенны с круговой поляризацией излучают радиосигнал в цилиндрической плоскости.

Двухполярные антенны одновременно излучают как горизонтальные, так и вертикальные радиочастотные сигналы. Применение антенн с двойной полярностью в условиях высокой плотности населения является их основным преимуществом по сравнению с антеннами с горизонтальной и вертикальной полярностью. Районы с высокой плотностью населения испытывают экстремальную перегрузку радиочастот, которая включает в себя высокий уровень помех и шумов. В отличие от традиционных линейно поляризованных антенн, которые излучают только в одной линейной диаграмме направленности, антенны двойной полярности преодолевают перегрузки, излучая как в горизонтальной, так и в вертикальной диаграммах направленности.

Существует три способа поляризации радиочастотных антенн: наиболее часто используется вертикальная поляризация, затем горизонтальная и наименее популярная - круговая поляризация. Ориентация радиочастотной волны определяется плоскостью электрического поля.

Для чего используется дипольная антенна?

Дипольные антенны играют важную роль в системах связи благодаря своей адаптивности. Вот несколько наиболее часто используемых приложений:

1. Радиовещание

В устройствах радиосвязи, таких как рации и двухсторонние радиостанции, часто используются дипольные антенны. Они используются для передачи и приема сигналов на малые расстояния.

2. Телевизионное вещание

Они обеспечивают эффективную передачу и прием сигнала и часто встречаются в телевизионных антеннах VHF и UHF. С помощью дипольных антенн телевизионные сигналы передаются от передающих станций к жилым домам. Они также могут использоваться для приема телевизионных сигналов в домах, где нет доступа в Интернет или спутникового телевидения.

3. Беспроводная связь

Дипольные антенны обеспечивают надежное соединение и необходимы для устройств Bluetooth, систем Wi-Fi и других беспроводных сетевых решений. Маршрутизаторы и точки доступа Wi-Fi являются примерами беспроводных сетевых устройств, в которых используются дипольные антенны. Беспроводной доступ в Интернет становится возможным благодаря их помощи в передаче и приеме сигнала между устройствами.

4. Сотовые сети

Базовые станции используют дипольные антенны для обеспечения сотовой связи, обеспечивая надежное соединение и быструю передачу данных. Сигналы сотовой связи передаются и принимаются мобильными телефонами с помощью дипольных антенн. Они обеспечивают надежную связь между вышками сотовой связи и мобильными устройствами.

5. Ham Radio (любительское радио)

Дипольные антенны используются для связи в диапазонах VHF и UHF благодаря простоте использования и эффективности. Дипольные антенны часто используют радиолюбители, которых обычно называют радиолюбителями. В радиосвязи они используются как для передачи, так и для приема сигнала.

6. Авиационная связь

Дипольные антенны используются в самолетах для систем УКВ-связи, которые обеспечивают эффективность и безопасность авиации. В радиолокационных системах, которые обнаруживают и отслеживают такие объекты, как корабли, самолеты и погодные условия, используются дипольные антенны. Помогая передавать и принимать радиолокационные сигналы, они позволяют измерять расстояние, скорость и направление движения объекта.

Преимущества дипольных антенн

1. Простота

Конструкция дипольных антенн проста: два проводящих отрезка одинаковой длины соединяются с фидерной линией. Благодаря своей простоте они могут быть построены с помощью простых знаний технологии и инструментов. Кроме того, поскольку для устранения неполадок и ремонта требуются лишь незначительные изменения или замены, их простой метод делает их легкими в обслуживании.

2. Экономическая эффективность

Дипольные антенны изготавливаются из общедоступных и недорогих материалов, таких как медь и алюминий. Это, а также простая конструкция, исключающая необходимость использования сложных компонентов, гарантирует, что дипольные антенны являются одними из самых недорогих вариантов антенн. Благодаря своей доступности они идеально подходят для крупномасштабных установок, таких как массовая бытовая электроника или радиопередача.

3. Универсальность

Дипольные антенны можно легко модифицировать для работы в различных частотных диапазонах, изменяя длину проводящих элементов. Благодаря своей адаптивности они могут использоваться для самых разных целей, включая сотовые сети, высокочастотный Wi-Fi и низкочастотное AM-радиовещание. Их применимость как в традиционных, так и в современных системах связи обеспечивается способностью эффективно работать в диапазоне частот.

4. Надежная работа

Дипольные антенны уже много лет эффективно используются в беспроводных сетях, радио- и телевещании, авиационной связи. Их эффективность при передаче и приеме сообщений, а также регулярная диаграмма направленности излучения являются основными причинами их надежности. Они считаются надежным вариантом как в критически важных, так и в некритически важных системах.

5. Всенаправленное излучение

Дипольные антенны излучают энергию равномерно в горизонтальной плоскости, то есть обеспечивают постоянный уровень сигнала во всех направлениях, перпендикулярных оси антенны. Благодаря всенаправленной диаграмме направленности излучения они идеально подходят для таких приложений, как Wi-Fi и вещание, где важно покрытие в нескольких направлениях. Их способность обеспечивать постоянное горизонтальное покрытие улучшает соединение и гарантирует надежную работу в различных условиях.

Ограничения дипольных антенн

1. Размер антенны

Длина волны сигнала, на который рассчитана дипольная антенна, находится в прямой зависимости от ее длины. Общая длина антенны для полуволнового диполя равна половине длины волны сигнала. Более длинные дипольные элементы необходимы для низкочастотных передач, поскольку длина волны растет по мере снижения частоты. Например, длина полуволнового диполя, используемого в FM-радиовещании и рассчитанного на частоту 100 MHz, составляет примерно 1,5 метра. Для таких приложений, как AM-радиовещание, которые должны работать на очень низких частотах, такой размер может стать невыполнимым.

2. Ограничения направленности

Дипольные антенны излучают энергию равномерно по всей антенне и обычно имеют всенаправленную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Когда требуется сфокусированный или направленный луч, как в системах связи "точка-точка", это становится ограничением, хотя и выгодно для приложений, требующих широкого охвата. Для достижения направленного излучения требуются другие детали, такие как рефлекторы или директора (используемые в антеннах Yagi-Uda) или объединение диполей в решетки, что усложняет конструкцию.

3. Согласование импеданса

Для достижения оптимальных результатов импеданс антенны должен соответствовать импедансу линии передачи и всех подключенных устройств; в большинстве систем связи этот показатель составляет 50 или 75 Ом. В свободном пространстве входной импеданс стандартной дипольной антенны составляет около 73 Ом. Несмотря на то, что эти значения довольно близки к стандартным, различия, обусловленные окружающей средой или установкой, могут привести к несоответствию импеданса, что может привести к потере мощности и отражению сигнала. Развертывание становится более сложным, когда для обеспечения эффективной передачи энергии требуются соответствующие модификации, например, использование балунов или согласующих цепей.

Дипольные антенны и монопольные антенны

Существуют различные способы, которыми дипольная антенна отличается от монопольной. Давайте проанализируем основные отличия этих двух типов антенн более подробно.

1. Дипольная антенна имеет излучение в нижней части и поля с обеих сторон. И наоборот, монопольная антенна имеет нулевое излучение под плоскостью земли и только одно поле в верхней половине области.

2. Для создания синтетической плоскости земли дипольные антенны обычно требуют дополнительного радиатора. С другой стороны, для монопольной антенны требуется реальная плоскость земли.

3. Излучающие элементы дипольной антенны расходятся по фазе на 180 градусов. Монопольная антенна, с другой стороны, имеет внешний проводник коаксиального кабеля и опорную плоскость соединения линии передачи. При использовании монопольной антенны эти детали образуют плоскость земли.

4. Диаграмма направленности излучения дипольной антенны вертикально симметрична, а монопольной - нет. В то время как диаграмма направленности излучения монопольной антенны зависит от ориентации плоскости земли, дипольная антенна является очень часто встречающимся типом антенн.

5. Монопольная антенна имеет ограниченное количество видов и разновидностей на рынке, в то время как диполь является распространенной антенной с большим количеством разновидностей.

Дипольные антенны с использованием современных технологий

Дипольные антенны играют важнейшую роль в сетях 5G и устройствах Интернета вещей, поскольку они обеспечивают надежное обслуживание и быстрое подключение в небольших конструкциях. Они отвечают многочисленным требованиям и высоким требованиям современных технологий к передаче данных. Дипольные антенны широко используются во многих приложениях беспроводных технологий для беспроводной связи. Дипольные антенны могут поддерживать многочастотную связь, например 5G, LTE, Wi-Fi и т. д., поскольку часто имеют большую пропускную способность.

В спутниковой связи скрещенные дипольные антенны используются для круговой поляризации, что обеспечивает надежную передачу сигнала в космосе. Простые проволочные антенны, называемые диполями, часто встречаются в системах связи и спутникового вещания.

Заключение

Простота, доступность и эффективность дипольной антенны делают ее отличным выбором. Она проста в изготовлении и не нуждается в сложных схемах настройки или согласования. Она может хорошо работать на различных частотах и имеет большую полосу пропускания. Дипольная антенна также обеспечивает сбалансированное питание, что снижает уровень помех и синфазных шумов. В целом, дипольная антенна - идеальный выбор для множества применений.

В заключение следует отметить, что беспроводная связь требует использования дипольных антенн. Они обеспечивают хороший баланс между производительностью и простотой. Понимание дипольных антенн принесет вам пользу в индустрии беспроводной связи, независимо от вашего опыта.