Основы радиолокации — Полуволновая антенна

Полуволновая антенна

Полуволновая дипольная антенна представляет собой простейшую резонансную структуру среди антенных технологий. Такие антенны используются в качестве основного элемента в антеннах почти всех форм, а также иногода рассматриваются в качестве эталонной антенны наряду с изотропным всенаправленным излучателем.

Большинство излучателей в заданном направлении излучают сильнее, чем в любом другом направлении. Излучатели такого типа называют анизотропными.

Полуволновая антенна (называемая также дипольной антенной, антенной Герца, диполем Герца, полуволновым вибратором) состоит из двух отрезков проволоки или трубки, каждый из которых имеет длину, равную ¼ длины рабочей волны антенны. Такая антенна является базовым элементом, из которого конструируются много более сложных антенн. Для полуволнового диполя протекающий по нему ток имеет максимальное значение в центре, а минимальные — по краям диполя.

Напряжение, напротив, минимально в центре диполя и максимально на его краях.

Энергию к такой антенне можно подавать, подключив линию передачи от выходного каскада передатчика к отрезкам, из которых состоит антенна. При использовании двухпроводной линии передачи, например, коаксиального кабеля, центральная его жила подключается к одному плечу, а оплетка — к другому. Поскольку в этом случае точка питания антенны находится в ее центре (точке минимума напряжения и максимума тока), такой тип питания называют центральным питанием или токовым питанием. Выбор точки питания дипольной антенны важен с точки зрения типа используемой линии питания.

Стоячие волны тока и напряжения возникают так же, как и в параллельном колебательном контуре. В отличие от изотропного излучателя, коэффициент усиления которого равен 1, полуволновая антенна имееет коэффициент усиления уже около 1,5, при этом максимум излучения приходится в направлении, перепендикулярном ее оси.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

ширина луча

Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны

ширина луча

Рисунок 2. Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны

ширина луча

уровень боковых
лепестков

уровень заднего
лепестка

Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги

ширина луча

уровень боковых
лепестков

уровень заднего
лепестка

Рисунок 3. Диаграмма антенны Яги

Bild 5: Das Antennendiagramm eines vertikalen Dipols in einer 3D-Simulation

Возникновение полуволновой антенны

Рисунок 4. Возникновение полуволновой антенны

Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура. Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны (Рисунок 4). Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором.

По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля (которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство. Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой, а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство. Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание.

Полуволновый диполь также возникает из простого колебательного контура.
Для простоты предположим, что пластины конденсатора колебательного контура понемногу наклоняются и расходятся в стороны. Емкость конденсатора в этом случае уменьшается, но он при этом все еще остается конденсатором.
По мере расхождения пластин конденсатора силовые линии линии электрического поля (которые начинаются на одной пластине и заканчиваются на другой) должны охватывать все большее и большее пространство.
Наступает момент когда конденсатор перестает существовать как таковой, а а силовые линии электрического поля теперь замыкаются через свободное пространство.
Возникший в результате полуволновый диполь имеет центральное питание.

Рисунок 5. Диаграмма направленности вертикального диполя, построенная по результатам трехмерного моделирования.

Теория антенн — полуволновой диполь

Дипольная антенна разрезана и согнута для эффективного излучения. Длина всего провода, который используется в качестве диполя, равна половине длины волны (т. Е. L = λ / 2). Такая антенна называется полуволновой дипольной антенной . Это наиболее широко используемая антенна из-за ее преимуществ. Он также известен как антенна Герца .

Диапазон частот

Диапазон частот, в которых работает полуволновой диполь, составляет от 3 кГц до 300 ГГц. Это в основном используется в радиоприемниках.

Строительство и работа полуволнового диполя

Это обычная дипольная антенна, где частота ее работы составляет половину ее длины волны . Следовательно, она называется полуволновой дипольной антенной.

Край диполя имеет максимальное напряжение. Это напряжение переменного (переменного) характера. При положительном пике напряжения электроны стремятся двигаться в одном направлении, а при отрицательном пике электроны движутся в другом направлении. Это можно объяснить цифрами, приведенными ниже.

Цифры, приведенные выше, показывают работу полуволнового диполя.

• На рис. 1 показан диполь, когда индуцированные заряды находятся в положительном полупериоде. Теперь электроны стремятся двигаться к заряду.

• На рис. 2 показан диполь с отрицательными зарядами. Электроны здесь стремятся отойти от диполя.

• На рис. 3 показан диполь со следующим положительным полупериодом.

  Следовательно, электроны снова движутся к заряду.

На рис. 1 показан диполь, когда индуцированные заряды находятся в положительном полупериоде. Теперь электроны стремятся двигаться к заряду.

На рис. 2 показан диполь с отрицательными зарядами. Электроны здесь стремятся отойти от диполя.

На рис. 3 показан диполь со следующим положительным полупериодом. Следовательно, электроны снова движутся к заряду.

Кумулятивный эффект этого производит эффект переменного поля, который излучается по той же схеме, что и на нем. Следовательно, выходной сигнал будет эффективным излучением, следующим за циклами диаграммы выходного напряжения. Таким образом, полуволновой диполь

излучает эффективно .

На рисунке выше показано распределение тока в полуволновом диполе. Направленность полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, что достаточно хорошо. Где «i» представляет изотропное излучение.

Радиационная картина

Диаграмма направленности этого полуволнового диполя является ненаправленной в H-плоскости. Это желательно для многих приложений, таких как мобильная связь, радиоприемники и т. Д.

На приведенном выше рисунке показана диаграмма излучения полуволнового диполя как в плоскости H, так и в плоскости V.

Радиус диполя не влияет на его входной импеданс в этом полуволновом диполе, потому что длина этого диполя равна полуволне, и это первая резонансная длина. Антенна эффективно работает на своей резонансной частоте , которая происходит на своей резонансной длине.

преимущества

Ниже приведены преимущества полуволновой дипольной антенны –

• Входное сопротивление не чувствительно.

• Хорошо сочетается с импедансом линии передачи.

• Имеет разумную длину.

• Длина антенны соответствует размеру и направленности.

Входное сопротивление не чувствительно.

Хорошо сочетается с импедансом линии передачи.

Имеет разумную длину.

Длина антенны соответствует размеру и направленности.

Недостатки

Ниже приведены недостатки полуволновой дипольной антенны –

Не очень эффективно из-за одного элемента.

Может работать лучше только с комбинацией.

Ниже приведены применения полуволновой дипольной антенны –

Используется в радиоприемниках.

Используется в телевизионных приемниках.

Когда используется с другими, используется для широкого спектра применений.

(Полуволновая) Полуволновая дипольная антенна

Полуволновая дипольная антенна является лишь частным случаем дипольная антенна, но достаточно важно, чтобы у него был собственный раздел. Обратите внимание, что термин «полуволна» означает, что длина этой дипольной антенны равна половине длины волны на рабочей частоте. Чтобы было кристально ясно, если антенна должна излучать на частоте 600 МГц, какого размера должен быть полуволновой диполь? Одна длина волны на частоте 600 МГц равна = c/f = 0,5 метра. Следовательно, полуволна длина дипольной антенны составляет 0,25 метра (или 9,85 дюйма, если вам не нравится метрическая система). Полуволновая дипольная антенна, как и следовало ожидать, представляет собой простой полуволновой провод. питание по центру, как показано на рисунке 1: Рисунок 1. Электрический ток на полуволновой дипольной антенне. Входное сопротивление полуволновой дипольной антенны равно Zin = 73 + j42,5 Ом. Поля от полуволновой дипольной антенны дают: Направленность полуволновой дипольной антенны составляет 1,64 (2,15 дБ). HPBW составляет 78 градусов. При рассмотрении импеданса как функции длины диполя в разделе дипольные антенны, можно отметить, что при незначительном уменьшении длины антенна может стать резонансный. Если длина диполя уменьшена до 0,48 , входное сопротивление антенны становится Zвх = 70 Ом, без реактивной составляющей. Этот является желательным свойством, поскольку антенна будет лучше согласована с радио (передатчиком или приемником), и, следовательно, на практике это часто делается для тонких диполей. Диаграмма излучения остается практически таким же. Вышеупомянутая резонансная длина (0,48) действительна, если диполь очень тонкий. На практике диполи часто изготавливают с более толстый или более толстый материал, который имеет тенденцию увеличивать пропускная способность антенны. Когда это В этом случае резонансная длина уменьшается в зависимости от толщины диполя. У очень толстых диполей резонансная длина может быть уменьшена до 0,45 и ниже. Видеоанализ полуволновых дипольных антенн В этом видео мы рассмотрим антенну с коротким диполем, антенну с полуволновым диполем и обычная дипольная антенна. Идея состоит в том, чтобы дать интуитивно понятный обзор первых 3 антенн. мы обсудили. Этот материал в основном обзорный; это здесь, чтобы представить информацию на другом носителе, который, я надеюсь, будет полезен большинству людей. Не стесняйтесь пропустить это если это не ваша чашка чая. Далее: Широкополосные дипольные антенны Вверху: полуволновые диполи Список антенн Главная: Учебное пособие по антенне Эта страница о полуволновых дипольных антеннах (полуволновая дипольная антенна) защищена авторским правом, но может быть воспроизводится без разрешения автора при условии ссылки на источник. Авторское право антенна-теория.com, 2009-2021, полуволновая дипольная антенна, полуволновая дипольная антенна.

Полуволновая дипольная антенна » Electronics Notes

Полуволновая дипольная антенна, полуволновая дипольная антенна, является наиболее широко используемой версией популярной дипольной антенны.

---

Дипольные антенны Включает:
Основы дипольной антенны Ток и напряжение Полуволновой диполь Сложенный диполь Короткий диполь Дублет Длина диполя Дипольные каналы Диаграмма направленности Построить ВЧ диполь Перевернутый V-диполь ВЧ многодиапазонный веерный диполь ВЧ многодиапазонный диполь-ловушка Антенна G5RV FM-дипольный дизайн

---

Полуволновой диполь — самая популярная версия 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 формируется из проводящего элемента, представляющего собой проволоку или металлическую трубку, длина которой составляет половину длины волны электрического тока. 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 по проводникам антенны. Это немного короче, чем эквивалентная длина волны, распространяющейся в свободном пространстве, поскольку проводники антенны влияют на длину волны.

Базовая полуволновая дипольная антенна

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 меняются 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.

Сопротивление питания полуволнового диполя

Одно из основных соображений, касающихся любой антенны, — это схема подачи — 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.

Формы сигналов тока и напряжения на полуволновом диполе

Для дипольной антенны, имеющей электрическую половину 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, 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 в названии диполя указана его приблизительная длина, при проектировании и строительстве настоящего диполя требуется более точная длина.

Фактическая длина полуволнового диполя немного короче половины длины волны в свободном пространстве из-за ряда эффектов, связанных с тем, что форма радиочастотного сигнала передается внутри провода, 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 так далее.

Подробнее о расчете длины диполя

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. Антенна данной длины 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.

Полярная диаграмма полуволнового диполя

Можно также рассматривать диаграмму направленности в плоскости, огибающей дипольную антенну, т.е. в плоскости, пересекающей диполь в его поле максимального излучения.

Диаграмма направленности с осью антенны в/из экрана

Как видно, с осью антенны в/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 полуволновым:   Длина полуволновой дипольной антенны не равна половине длины волны в свободном пространстве. Конечные эффекты означают, что фактическая требуемая длина немного короче.
• Секции максимального тока:   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».