Дипольная антенна

Антенна, состоящая из двух стержневых проводников

Полуволновой диполь УВЧ

Дипольная антенна, используемая радиолокационным высотомером в самолете

Анимированная схема полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволну. Антенна состоит из двух металлических стержней, соединенных с приемником R. Электрическое поле ( E , зеленые стрелки ) входящей волны толкает электроны в стержнях вперед и назад, заряжая концы попеременно положительно (+) и отрицательно (−) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, осциллирующее поле индуцирует стоячие волны напряжения ( V , представлено красной полосой ) и тока в стержнях. Осциллирующие токи ( черные стрелки ) текут по линии передачи и через приемник (представлен сопротивлением R ).

В радио и телекоммуникациях дипольная антенна или дублет ^[1] является одним из двух простейших и наиболее широко используемых типов антенн ; другой — монополь . ^{[2] [3] [ полная цитата необходима ]} Диполь — это любой из класса антенн, создающих диаграмму направленности, приближающуюся к диаграмме направленности элементарного электрического диполя с излучающей структурой, поддерживающей линейный ток, заряженный так, что ток имеет только один узел на каждом дальнем конце. ^[a] Дипольная антенна обычно состоит из двух идентичных проводящих элементов ^[5], таких как металлические провода или стержни. ^{[2] [6] [7] (стр. 3)} Ток возбуждения от передатчика подается, или для приемных антенн выходной сигнал на приемник берется между двумя половинами антенны. Каждая сторона линии подачи к передатчику или приемнику подключена к одному из проводников. Это контрастирует с монопольной антенной , которая состоит из одного стержня или проводника, к которому подключена одна сторона линии подачи, а другая сторона подключена к некоторому типу заземления. ^[7] Обычным примером диполя является телевизионная антенна «кроличьи уши» , которая используется в вещательных телевизорах. Все диполи электрически эквивалентны двум монополям, установленным вплотную друг к другу и питаемым противоположными фазами, причем заземляющая плоскость между ними сделана виртуальной противоположным монополем.

Диполь — это простейший тип антенны с теоретической точки зрения. ^[1] Чаще всего он состоит из двух проводников одинаковой длины, ориентированных конец к концу с фидерной линией, соединенной между ними. ^{[8] [9]} Диполи часто используются в качестве резонансных антенн . Если точка питания такой антенны закорочена, то она сможет резонировать на определенной частоте, как струна гитары , которую дергают. Использование антенны на этой частоте выгодно с точки зрения сопротивления точки питания (и, следовательно, коэффициента стоячей волны ), поэтому ее длина определяется предполагаемой длиной волны (или частотой) работы. ^{[2] Чаще всего используется} полуволновой диполь с центральным питанием , который имеет длину чуть меньше половины длины волны. Диаграмма направленности полуволнового диполя максимально перпендикулярна проводнику, спадая до нуля в осевом направлении, таким образом реализуя всенаправленную антенну при вертикальной установке или (чаще) слабонаправленную антенну при горизонтальной установке. ^[10]

Хотя они могут использоваться как автономные антенны с низким коэффициентом усиления , диполи также используются в качестве управляемых элементов в более сложных конструкциях антенн ^{[2] [5],} таких как антенна Yagi и управляемые решетки . Дипольные антенны (или такие конструкции, полученные из них, включая монополь) используются для питания более сложных направленных антенн, таких как рупорная антенна , параболический отражатель или уголковый отражатель . Инженеры анализируют вертикальные (или другие монопольные ) антенны на основе дипольных антенн, половиной которых они являются.

История

Немецкий физик Генрих Герц впервые продемонстрировал существование радиоволн в 1887 году, используя то, что мы сейчас знаем как дипольную антенну (с емкостной конечной нагрузкой). С другой стороны, Гульельмо Маркони эмпирически обнаружил, что он может просто заземлить передатчик (или одну сторону линии передачи, если она используется), обходясь без половины антенны, таким образом реализуя вертикальную или монопольную антенну . ^{[7] (стр. 3)} Для низких частот, которые Маркони использовал для достижения дальней связи, эта форма была более практичной; когда радио перешло на более высокие частоты (особенно передачи VHF для FM-радио и телевидения), было выгодно, чтобы эти гораздо меньшие антенны были полностью наверху башни, поэтому потребовалась дипольная антенна или одна из ее разновидностей.

На заре радио так называемая антенна Маркони (монополь) и дублет (диполь) рассматривались как отдельные изобретения. Теперь, однако, монопольная антенна понимается как частный случай диполя, который имеет виртуальный элемент под землей.

Дипольные вариации

Короткий диполь

Короткий диполь — это диполь, образованный двумя проводниками с общей длиной ℓ, существенно меньшей половины длины волны ( ⁠1/ 2 ⁠ λ ). Короткие диполи иногда используются в приложениях, где полный полуволновой диполь был бы слишком большим. Их можно легко проанализировать, используя результаты, полученные ниже для диполя Герца, фиктивной сущности. Будучи короче резонансной антенны (длина в половину длины волны), его импеданс в точке питания включает большое емкостное сопротивление, требующее нагрузочной катушки или другой согласующей цепи, чтобы быть практичным, особенно в качестве передающей антенны.

Чтобы найти электрические и магнитные поля в дальней зоне, создаваемые коротким диполем, мы используем результат, показанный ниже для диполя Герца (бесконечно малого элемента тока) на расстоянии r от тока и под углом θ к направлению тока, как указано ниже: ^{[11] (стр. 132)}

${\displaystyle {\begin{aligned}H_{\phi }&=j\ {\frac {\ I_{h}\ \ell \ k\ }{4\pi \ r}}\ e^{\ j\ \left(\omega t\ -\ kr\right)}\ \sin(\theta )\\E_{\theta }&=\zeta _{0}\ H_{\phi }=j\ {\frac {\ \zeta _{0}\ I_{h}\ \ell \ k\ }{4\pi \ r}}\ e^{\ j\ \left(\omega t\ -\ kr\right)}\ \sin(\theta )~.\end{aligned}}}$

где излучатель состоит из тока на короткой длине ℓ и в электронике заменяет привычный математический символ i для квадратного корня из −1 . ω — радианная частота ( ), а k — волновое число ( ). ζ ₀ — импеданс свободного пространства ( ), который представляет собой отношение напряженности электрического поля плоской волны свободного пространства к напряженности магнитного поля. ${\displaystyle \ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\ }$ ${\displaystyle \ j^{2}\equiv -1\ }$ ${\displaystyle \omega \equiv 2\pi f\ }$ ${\displaystyle \ k\equiv 2\pi /\lambda \ }$ ${\displaystyle \zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}}$

Схема короткой дипольной антенны

Точка питания обычно находится в центре диполя, как показано на схеме. Ток вдоль плеч диполя приблизительно описывается как пропорциональный , где z — расстояние до конца плеча. В случае короткого диполя это по сути линейное падение от точки питания до нуля на конце. Следовательно, это сопоставимо с диполем Герца с эффективным током I _{h ,} равным среднему току по проводнику, поэтому с этой заменой приведенные выше уравнения близко приближают поля, создаваемые коротким диполем, питаемым током ${\displaystyle \ \sin(\ k\ z\ )\ }$ ${\displaystyle \ I_{0}\ }$ ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ ${\displaystyle \ I_{0}~.}$

Из полей, рассчитанных выше, можно найти излучаемый поток (мощность на единицу площади) в любой точке как величину действительной части вектора Пойнтинга , S , который определяется выражением: При том, что E и H находятся под прямым углом и совпадают по фазе, мнимая часть отсутствует и просто равна с учетом сокращения фазовых множителей (экспонент), в результате чего получается: ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}~.}$ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$

${\displaystyle S={\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}={\frac {1}{2}}\ {\frac {\ \zeta _{0}\ I_{h}^{2}\ \ell ^{2}\ k^{2}\ }{(4\pi r)^{2}}}\ \sin ^{2}(\theta )={\frac {\zeta _{0}}{32}}\ I_{0}^{2}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}\ {\frac {1}{r^{2}}}\ \sin ^{2}(\theta )~.}$

Теперь мы выразили поток через ток в точке питания I ₀ и отношение длины короткого диполя ℓ к длине волны излучения λ . Видно, что диаграмма направленности излучения, заданная выражением, похожа на диаграмму направленности полуволнового диполя и лишь немного менее направлена. ${\displaystyle \ \sin ^{2}(\theta )\ }$

Диаграмма направленности короткого диполя (штриховая линия) в сравнении с полуволновым диполем (сплошная линия)

Используя приведенное выше выражение для излучения в дальнем поле при заданном токе в точке питания, мы можем проинтегрировать по всем телесным углам, чтобы получить общую излучаемую мощность.

${\displaystyle P_{\text{total}}={\frac {\pi }{12}}\ \zeta _{0}\ I_{0}^{2}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}~.}$

Из этого можно вывести сопротивление излучения , равное резистивной (действительной) части импеданса точки питания, пренебрегая компонентом, обусловленным омическими потерями. Приравнивая P _total к мощности, подаваемой в точку питания, находим: ${\textstyle \ {\tfrac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$

${\displaystyle \ R_{\text{radiation}}={\frac {\pi }{6}}\ \zeta _{0}\ \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}\approx \left({\frac {\ell }{\lambda }}\right)^{2}(197\ \Omega )~.}$

Опять же, эти приближения становятся довольно точными для ℓ ≪ ⁠ 1/ 2 ⁠ λ . Установка ℓ = ⁠ 1/ 2 ⁠ λ, несмотря на то, что ее использование не совсем верно для столь большой доли длины волны, формула предсказывает сопротивление излучения 49 Ом вместо фактического значения 73 Ом, создаваемого полуволновым диполем при использовании более правильных четвертьволновых синусоидальных токов.

Дипольные антенны различной длины

Основной резонанс тонкого линейного проводника происходит на частоте, длина волны которой в свободном пространстве в два раза больше длины провода; т. е. там, где проводник ⁠ 1 /2⁠ длина волны. Дипольные антенны часто используются на этой частоте и поэтому называются полуволновыми дипольными антеннами. Этот важный случай рассматривается в следующем разделе.

Тонкие линейные проводники длины фактически резонируют при любом целом кратном половине длины волны: ${\displaystyle \ \ell \ }$

${\displaystyle \ \ell =n\times {\frac {\ \lambda \ }{2}}\ }$

где n — целое число, — длина волны, а c — приведенная скорость радиоволн в излучающем проводнике ( c ≈ 97%× c _o , скорость света ). Однако для диполя с центральным питанием существует большая разница между нечетным и четным n . Диполи, длина которых составляет нечетное число полуволн, имеют достаточно низкие сопротивления точки возбуждения (которые являются чисто резистивными на этой резонансной частоте). Однако те, длина которых составляет четное число полуволн, то есть целое число длин волн, имеют высокое сопротивление точки возбуждения (хотя и чисто резистивное на этой резонансной частоте). ${\displaystyle \ \lambda ={\frac {\ c\ }{f}}\ }$

Например, антенну с полным волновым диполем можно сделать из двух проводников длиной в полволны, размещенных вплотную друг к другу, общей длиной около Это дает дополнительное усиление по сравнению с полуволновым диполем около 2 дБ. Полноволновые диполи можно использовать в коротковолновом вещании, только сделав эффективный диаметр очень большим и запитав от сбалансированной линии с высоким импедансом. Для получения большого диаметра часто используют диполи в клетке. ${\displaystyle \ \ell \approx \lambda \ .}$

А ⁠ 5 /4⁠ -волновая дипольная антенна имеет гораздо более низкое, но не чисто резистивное сопротивление точки питания, что требует согласующей сети с сопротивлением линии передачи. Ее усиление примерно на 3 дБ больше, чем у полуволнового диполя, это самое высокое усиление любого диполя любой аналогичной длины.

Другие разумные длины диполя не дают преимуществ и используются редко. Однако иногда используются обертонные резонансы полуволновой дипольной антенны на нечетных кратных ее основной частоте. Например, любительские радиоантенны , спроектированные как полуволновые диполи на 7 МГц, также могут использоваться как ⁠ 3 /2⁠ -волновые диполи на частоте 21 МГц; аналогично, антенны УКВ-телевидения, резонирующие в нижнем телевизионном диапазоне УКВ (с центром около 65 МГц), также резонируют в верхнем телевизионном диапазоне УКВ (около 195 МГц).

Полуволновой диполь

Анимация передающего полуволнового диполя, показывающая напряжение ( красный , ${\displaystyle \ V(x)\ }$  ) и текущий ( синий , ${\displaystyle \ I(x)\ }$  ) из-за стоячей волны на антенне. Поскольку стоячая волна в основном накапливает энергию, а не переносит мощность, ток не находится в фазе с напряжением, а сдвинут на 90° по фазе. Линия передачи прикладывает колебательное напряжение от передатчика между двумя элементами антенны, возбуждая синусоидальные колебания. Шаг напряжения питания был увеличен для наглядности; типичные диполи имеют достаточно высокий коэффициент добротности , поэтому напряжение питания намного меньше по отношению к стоячей волне. Поскольку антенна питается на своей резонансной частоте, входное напряжение находится в фазе с током (синяя полоса), поэтому антенна представляет собой чистое сопротивление линии питания. Энергия от возбуждающего тока обеспечивает энергию, излучаемую в виде радиоволн. В приемной антенне фаза напряжения на линии передачи будет обратной, поскольку приемник поглощает энергию от антенны. ${\displaystyle \ V_{\text{i}}\cos \omega t\ }$

Полуволновая дипольная антенна состоит из двух проводников длиной в четверть волны, расположенных вплотную друг к другу, общая длина которых составляет приблизительно ℓ = ⁠1/2⁠ λ .Распределение тока представляет собойстоячую волну, приблизительно синусоидальную по длине диполя, с узлами на каждом конце и пучностью (пиковый ток) в центре (точке питания):^{[12] (стр. 98–99)}

${\displaystyle I(z)=I_{0}\cos(\omega t)\cos(kz)\ ,}$

где к = ⁠ 2π​/λ⁠ иzпробегает от ⁠−+1/2⁠ ℓ к ⁠++1/2⁠ л .

В дальней зоне это создает диаграмму направленности, электрическое поле которой определяется выражением ^{[12] (стр. 98–99)}

${\displaystyle \ E_{\theta }={\frac {\ \zeta _{0}I_{0}\ }{2\pi r}}\ {\frac {\ \cos \left({\frac {\pi }{2}}\ \cos \theta \right)\ }{\sin \theta }}\ \sin {(\omega t-kr)}~.}$

Направленный фактор почти такой же, как sin  θ , применяемый к короткому диполю, что приводит к очень похожей диаграмме направленности, как отмечено выше. ^{[12] (стр. 98–99)} ${\textstyle \ {\frac {\cos \left[\ {\tfrac {\pi }{2}}\ \cos \theta \ \right]}{\sin \theta }}\ }$

Численное интегрирование излучаемой мощности по всем телесным углам, как мы делали для короткого диполя, дает значение для полной мощности P _total, излучаемой диполем с током, имеющим пиковое значение I ₀ , как в форме, указанной выше. Деление P _total на дает поток на большом расстоянии, усредненный по всем направлениям. Разделив поток в направлении θ = 0 (где он находится на пике) на этом большом расстоянии на средний поток, мы находим, что коэффициент направленного усиления равен 1,64. Это также можно напрямую вычислить с помощью косинусного интеграла : ${\textstyle \ {\frac {\ |E_{\theta }|^{2}\ }{2\zeta _{0}}}\ }$ ${\textstyle 4\pi r^{2}}$

${\displaystyle G={\frac {4}{\ \operatorname {Cin} (2\pi )\ }}\approx 1.64~}$(2,15 дБи)

(  Форма Cin( x ) косинусного интеграла не совпадает с формой Ci( x ) ; они отличаются логарифмом. И MATLAB , и Mathematica имеют встроенные функции, которые вычисляют Ci( x ) , но не Cin( x ) . См. страницу Википедии об косинусном интеграле для получения информации о связи между этими функциями.  )

Теперь мы также можем найти сопротивление излучения, как мы это делали для короткого диполя, решив:

${\displaystyle P_{\mathsf {total}}={\frac {1}{2}}I_{0}^{2}R_{\mathsf {radiation}}\ }$

получить:

${\displaystyle R_{\mathsf {radiation}}\approx 73.1\ {\mathsf {\Omega }}~.}$

Используя метод индуцированной ЭДС ^{[11] (стр. 224),} действительную часть импеданса возбуждающей точки можно также записать в терминах косинусного интеграла, получив тот же результат:

${\displaystyle R_{\mathsf {radiation}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 4\pi \ }}\operatorname {Cin} (2\pi )={\frac {\zeta _{0}}{\ 4\pi \ }}\int _{0}^{2\pi }{\frac {\ 1-\cos \theta \ }{\theta }}\ \mathrm {d} \theta \ \approx \ 73.1\ {\mathsf {\Omega }}~.}$

Если полуволновой диполь возбуждается в точке, отличной от центра, то сопротивление точки питания будет выше. Сопротивление излучения обычно выражается относительно максимального тока, присутствующего вдоль элемента антенны, который для полуволнового диполя (и большинства других антенн) также является током в точке питания. Однако, если диполь питается в другой точке на расстоянии x от максимума тока (центра в случае полуволнового диполя), то ток там не равен I _{0 ,} а только I ₀ cos( kx ) .

Для обеспечения той же мощности напряжение в точке питания должно быть увеличено аналогичным образом на коэффициент sec( kx ) . Следовательно, резистивная часть сопротивления точки питания увеличивается ^{[11] (стр. 227)} на коэффициент sec ² ( k x )  : ${\displaystyle \ \operatorname {\mathcal {R_{e}}} \left[{\tfrac {V}{\ I\ }}\right]\ }$

${\displaystyle \ R_{\mathsf {feedpoint}}={\frac {\ R_{\mathsf {radiation}}\ }{\cos ^{2}(kx)}}\approx {\frac {73.1\ {\mathsf {\Omega }}}{\ \cos ^{2}(kx)\ }}\ }$

Это уравнение также можно использовать для дипольных антенн любой длины, при условии, что _{излучение} R было вычислено относительно максимального тока, который обычно не совпадает с током в точке питания для диполей длиннее полуволны. Обратите внимание, что это уравнение нарушается при питании антенны вблизи узла тока, где cos( kx ) приближается к нулю. Сопротивление точки возбуждения действительно значительно возрастает, но тем не менее ограничено из-за компонентов более высокого порядка не совсем точно синусоидального тока элементов, которые были проигнорированы выше в модели для распределения тока. ^{[11] (стр. 228)}

Сложенный диполь

Сложенный диполь — это полуволновой диполь с дополнительным параллельным проводом, соединяющим два его конца. Если дополнительный провод имеет тот же диаметр и поперечное сечение, что и диполь, генерируются два почти идентичных излучающих тока. Результирующая картина излучения в дальней зоне почти идентична картине для однопроводного диполя, описанной выше, но при резонансе его импеданс в точке питания в четыре раза превышает сопротивление излучения однопроводного диполя. ${\displaystyle \ R_{\mathsf {f.d.}}\ }$

Свернутый диполь, технически, является свернутой полноволновой рамочной антенной , где петля согнута на противоположных концах и сплющена в два параллельных провода в плоскую линию. Хотя широкая полоса пропускания, высокое сопротивление точки питания и высокая эффективность являются характеристиками, более похожими на полноволновую рамочную антенну, диаграмма направленности свернутого диполя больше похожа на обычный диполь. Поскольку работу одного полуволнового диполя понять проще, как полные петли, так и свернутые диполи часто описываются как два полуволновых диполя, соединенных параллельно на концах.

Высокий импеданс точки питания при резонансе обусловлен тем, что для фиксированного количества мощности общий излучаемый ток равен удвоенному току в каждом проводе по отдельности и, таким образом, равен удвоенному току в точке питания. Приравнивая среднюю излучаемую мощность к средней мощности, подаваемой в точку питания, мы можем записать ${\displaystyle \ R_{\mathsf {f.d.}}\ }$ ${\displaystyle \ I_{0}\ }$

${\displaystyle \ {\frac {\ 1\ }{2}}\ R_{\mathsf {h.w.}}\ I_{0}^{2}={\frac {1}{2}}\ R_{\mathsf {f.d.}}\ \left({\frac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}\right)^{2}\ ,}$

где - нижний импеданс точки питания резонансного полуволнового диполя. Отсюда следует, что ${\displaystyle \ R_{\mathsf {h.w.}}\ }$

${\displaystyle \ R_{\mathsf {f.d.}}=4R_{\mathsf {h.w.}}\approx 292\ {\mathsf {\Omega }}~.}$

Полуволновые сложенные диполи часто используются для антенн FM-радио ; версии, изготовленные с двойным выводом , которые можно повесить на внутреннюю стену, часто поставляются с FM-тюнерами. Они также широко используются в качестве управляемых элементов для телевизионных антенн Yagi на крыше . Антенна T²FD представляет собой сложенный диполь с резистором, добавленным на втором проводе, напротив точки питания.

Сложенный диполь, таким образом, хорошо подходит для сбалансированных линий передачи 300  Ом , таких как двухпоточный ленточный кабель. Сложенный диполь имеет более широкую полосу пропускания, чем одиночный диполь. Они могут использоваться для преобразования значения входного импеданса диполя в широком диапазоне коэффициентов повышения путем изменения толщины проводников проводов для питающей и сложенной сторон. ^[13]

Вместо изменения толщины или расстояния можно добавить третий параллельный провод, чтобы увеличить сопротивление антенны в 9 раз по сравнению с однопроводным диполем, увеличив сопротивление до 658 Ом, что обеспечивает хорошее соответствие открытому кабелю питания и еще больше расширяет резонансную полосу частот антенны. Можно добавить больше дополнительных параллельных проводов: Любое количество дополнительных параллельных проводов может быть присоединено к антенне, при этом сопротивление излучения (и сопротивление точки питания) определяется как

${\displaystyle \ R_{\mathsf {rad}}\approx n^{2}\ \times \ 73{\mathsf {\ \Omega \ ,}}}$

где — количество параллельных полуволновых проводов, уложенных рядом в антенне и соединенных на концах. Также можно модифицировать так называемую конструкцию с уплощенной петлей и получить почти такую ​​же хорошую производительность, сделав каждый из параллельных проводов короче на ту же величину, но подключив один емкостный нагрузочный провод (идущий почти в любом направлении, чаще всего свисающий) к каждому из концов антенны. Длина нагрузочного провода равна единственной недостающей длине одного из параллельных проводов. ${\displaystyle \ n\ }$

Другие варианты

Существует множество модификаций формы дипольной антенны, которые полезны тем или иным образом, но приводят к схожим характеристикам излучения (низкий коэффициент усиления). Это не говоря уже о многочисленных направленных антеннах , которые включают в свою конструкцию один или несколько дипольных элементов в качестве управляемых элементов , многие из которых связаны в информационном поле внизу этой страницы.

• Антенна -бабочка представляет собой диполь с расширяющимися треугольными плечами. Такая форма обеспечивает ему гораздо более широкую полосу пропускания, чем обычному диполю. Она широко используется в телевизионных антеннах UHF .

Антенны-диполи в клеточном исполнении украинского радиотелескопа УТР-2 . Диполи из оцинкованной стальной проволоки диаметром 8 м на 1,8 м имеют полосу пропускания 8–33 МГц.

• Дипольная клетка — это похожая модификация, в которой полоса пропускания увеличивается за счет использования толстых цилиндрических дипольных элементов, изготовленных из клетки проводов (см. фото). Они используются в нескольких широкополосных антенных решетках в диапазонах средних и коротких волн для таких приложений, как загоризонтные радары и радиотелескопы .
• Гало -антенна — это полуволновой диполь, изогнутый в круг для почти равномерной диаграммы направленности в плоскости круга. Когда круг гало горизонтален, он производит горизонтально поляризованное излучение в почти всенаправленной диаграмме с небольшой потерей мощности в направлении зенита по сравнению с прямым горизонтальным диполем. На практике его классифицируют либо как изогнутый диполь, либо как рамочную антенну, в зависимости от предпочтений автора. ^[b]
• Турникетная антенна состоит из двух диполей, скрещенных под прямым углом, и системы питания, которая вводит четвертьволновую разность фаз между токами вдоль двух. При такой геометрии два диполя не взаимодействуют электрически, но их поля складываются в дальнем поле, создавая чистую диаграмму направленности, которая довольно близка к изотропной , с горизонтальной поляризацией в плоскости элементов и круговой или эллиптической поляризацией под другими углами. Турникетные антенны могут быть сложены и запитаны в фазе для реализации всенаправленной решетки поперечного излучения или фазированы для решетки торцевого излучения с круговой поляризацией.
• Антенна типа «крыло летучей мыши» представляет собой турникетную антенну с линейными элементами, расширенными как в антенне типа «галстук-бабочка», опять же с целью расширения ее резонансной частоты и, таким образом, возможности использования в более широкой полосе пропускания без перенастройки. При сложении в массив излучение становится всенаправленным, горизонтально поляризованным и с повышенным усилением на малых высотах, что делает его идеальным для телевизионного вещания.
• V- образная антенна представляет собой диполь с изгибом в середине, поэтому ее плечи расположены под углом, а не на одной прямой.
• Квадрантная антенна представляет собой антенну в форме буквы «V» с необычной общей длиной полной длины волны, с двумя полуволновыми горизонтальными элементами, встречающимися под прямым углом, где она питается. ^[14] Квадрантные антенны создают в основном горизонтальную поляризацию при малых и средних углах возвышения и имеют почти всенаправленную диаграмму направленности. ^[15]

В одной из реализаций используются элементы клетки (см. выше); толщина полученных элементов снижает импеданс высокой точки возбуждения двухполупериодного диполя до значения, которое обеспечивает разумное соответствие открытым проводным линиям и увеличивает полосу пропускания (с точки зрения КСВ) до полной октавы. Они используются для передач в диапазоне КВ .

• Антенна G5RV представляет собой дипольную антенну , запитываемую непрямым способом через тщательно подобранный двойной провод сопротивлением 300 Ом или 450 Ом , который действует как согласующая цепь для подключения (через симметрирующее устройство ) к стандартной коаксиальной линии передачи сопротивлением 50 Ом.
• Антенна Sloper представляет собой наклонную вертикальную дипольную антенну, прикрепленную к вершине одной башни. Элемент может быть запитан в центре или может быть запитан с конца как несимметричная монопольная антенна от линии передачи на вершине башни, в этом случае заземление монополя можно лучше рассматривать как второй элемент, включающий экран башни или линии передачи.
• Антенна в форме перевернутой буквы «V» также поддерживается с помощью одной башни, но является сбалансированной антенной с двумя симметричными элементами, наклоненными к земле. Таким образом, это полуволновой диполь с изгибом посередине. Как и у Sloper , это имеет практическое преимущество в том, что антенна поднимается, но для этого требуется только одна башня.
• Антенна AS-2259 представляет собой перевернутую V-образную дипольную антенну, используемую для местной связи посредством ионосферной волны с вертикальным падением (NVIS).

Вертикальные (монопольные) антенны

А ⁠1/4⁠  λ-  монопольная антенна и ее наземное изображение вместе образуют ⁠1/2⁠  λ-  диполь, излучающий только в верхнюю половину пространства.

Вертикальная , Маркони или монопольная антенна представляет собой одноэлементную антенну, обычно питаемую снизу (со стороной экрана ее несбалансированной линии передачи, подключенной к земле). Она ведет себя по сути так же, как половина дипольной антенны. Земля (или плоскость заземления ) считается проводящей поверхностью, которая работает как отражатель (см. эффект земли ). Вертикальные токи в отраженном изображении имеют то же направление (таким образом, не отражаются относительно земли) и фазу, что и ток в реальной антенне. ^{[7] (стр. 164)} Проводник и его изображение вместе действуют как диполь в верхней половине пространства. Подобно диполю, для достижения резонанса (резистивного сопротивления точки питания) проводник должен быть близок к четверти длины волны по высоте (как каждый проводник в полуволновом диполе).

В этой верхней части пространства излучаемое поле имеет ту же амплитуду, что и поле, излучаемое подобным диполем, питаемым тем же током. Следовательно, общая излучаемая мощность составляет половину излучаемой мощности диполя, питаемого тем же током. Поскольку ток тот же, сопротивление излучения (действительная часть последовательного импеданса) будет составлять половину последовательного импеданса сопоставимого диполя. Четвертьволновой монополь, таким образом, имеет импеданс ^{[7] (стр. 173)} Другой способ увидеть это заключается в том, что истинный диполь, получающий ток I, имеет напряжения на своих клеммах +V и −V для импеданса на клеммах ⁠2 ${\textstyle \ {\frac {\ 73\ +\ j\ 43\ }{2}}=36\ +\ j\ 21\ {\mathsf {\Omega }}~.}$+В/ я ⁠ , тогда как сопоставимая вертикальная антенна имеет ток I , но приложенное напряжение составляет только V .

Поскольку поля над землей такие же, как и у диполя, но применяется только половина мощности, усиление удваивается до 5,14 дБи. Это не является фактическим преимуществом производительности как таковым , поскольку на практике диполь также отражает половину своей мощности от земли, что (в зависимости от высоты антенны и угла неба) может усиливать (или отменять!) прямой сигнал. Вертикальная поляризация монополя (как и для вертикально ориентированного диполя) выгодна при малых углах возвышения, где отражение от земли объединяется с прямой волной приблизительно в фазе.

Земля действует как заземляющая плоскость, но она может быть плохим проводником, что приводит к потерям. Ее проводимость можно улучшить (за счет затрат), проложив медную сетку. Когда фактическое заземление отсутствует (например, в транспортном средстве), другие металлические поверхности могут служить заземляющей плоскостью (обычно крыша транспортного средства). В качестве альтернативы радиальные провода, размещенные у основания антенны, могут образовывать заземляющую плоскость. Для диапазонов VHF и UHF излучающие и заземляющие элементы могут быть изготовлены из жестких стержней или трубок. Использование такой искусственной заземляющей плоскости позволяет монтировать всю антенну и заземление на произвольной высоте. Одна из распространенных модификаций заключается в том, что радиальные элементы, образующие заземляющую плоскость, наклонены вниз, что приводит к повышению сопротивления точки питания примерно до 50 Ом, что соответствует обычному коаксиальному кабелю. Больше не являясь истинной землей, в таком случае рекомендуется использовать симметрирующий трансформатор (например, простой дроссельный симметрирующий трансформатор).

Характеристики диполя

Сопротивление диполей различной длины

Резистивная (черная) и реактивная (синяя) части импеданса точки питания диполя в зависимости от общей длины в длинах волн, предполагая, что диаметр проводника составляет 0,001 длины волны

Сопротивление точки питания дипольной антенны чувствительно к ее электрической длине и положению точки питания. ^{[8] [9]} Поэтому диполь, как правило, будет работать оптимально только в довольно узкой полосе пропускания, за пределами которой его сопротивление станет плохо соответствовать передатчику или приемнику (и линии передачи). Действительная (резистивная) и мнимая (реактивная) составляющие этого сопротивления как функции электрической длины показаны на прилагаемом графике. Подробный расчет этих чисел описан ниже. Обратите внимание, что значение реактивного сопротивления сильно зависит от диаметра проводников; этот график предназначен для проводников с диаметром 0,001 длины волны.

Диполи, которые намного меньше половины длины волны сигнала, называются короткими диполями . Они имеют очень низкое сопротивление излучения (и высокое емкостное сопротивление ), что делает их неэффективными антеннами. Большая часть тока передатчика рассеивается в виде тепла из-за конечного сопротивления проводников, которое больше сопротивления излучения. Однако они, тем не менее, могут быть практичными приемными антеннами для более длинных волн. ^[c]

Диполи, длина которых составляет примерно половину длины волны сигнала, называются полуволновыми диполями и широко используются как таковые или как основа для производных конструкций антенн. Они имеют сопротивление излучения, которое намного больше, ближе к характеристическому сопротивлению имеющихся линий передачи , и обычно намного больше сопротивления проводников, так что их эффективность приближается к 100%. В общей радиотехнике термин «диполь» , если не уточняется, означает полуволновой диполь с центральным питанием.

Сопротивление точки питания (почти) полуволновых диполей в зависимости от электрической длины в длинах волн. Черный: сопротивление излучения ; синий: реактивное сопротивление для четырех различных значений диаметра проводника.

Истинный полуволновой диполь имеет длину, равную половине длины волны λ , где λ = ⁠ с / ф ⁠ в свободном пространстве. Такой диполь имеет импеданс точки питания, состоящий из сопротивления 73 Ом и реактивного сопротивления +43 Ом, таким образом представляя слегка индуктивное реактивное сопротивление. Чтобы отменить это реактивное сопротивление и представить чистое сопротивление линии питания, элемент укорачивается на коэффициентkдля чистой длины: ${\displaystyle \ \ell \ }$

${\displaystyle \ \ell ={\frac {\ 1\ }{2}}\ k\ \lambda ={\frac {\ 1\ }{2}}\ k\ {\frac {\ c\ }{f}}\ }$

где λ — длина волны в свободном пространстве, c — скорость света в свободном пространстве, а f — частота. Коэффициент корректировки k , который приводит к устранению реактивного сопротивления в точке питания, зависит от диаметра проводника ^[17] , как показано на прилагаемом графике. Относительный размер масштаба k варьируется от примерно 0,98 для тонких проводов (диаметр, 0,00001  волны ) до примерно 0,94 для толстых проводников (диаметр, 0,008  волны ). Это связано с тем, что влияние длины антенны на реактивное сопротивление (верхний график) намного больше для более тонких проводников, поэтому требуется меньшее отклонение от точной половины длины волны, чтобы отменить индуктивное реактивное сопротивление 43 Ом, которое оно имеет, когда точно ⁠ 1 /2⁠ λ .По той же причине антенны с более толстыми проводниками имеют более широкую рабочую полосу пропускания, в которой они достигают практическогокоэффициента стоячей волны, который ухудшается любым остаточным реактивным сопротивлением.

Коэффициент уменьшения длины полуволнового диполя для достижения электрического резонанса (чисто резистивное сопротивление точки питания). Рассчитано с использованием метода индуцированной ЭДС, приближения, которое нарушается при больших диаметрах проводника (пунктирная часть графика).

Для типичного значения k около 0,95 приведенную выше формулу для скорректированной длины антенны можно записать для длины в метрах как ⁠ 143 / ф ⁠ , или длина в футах как ⁠ 468 / ф ⁠ где f — частота в мегагерцах. ^[18]

Дипольные антенны, длины которых приблизительно равны любому нечетному кратному ⁠ 1 /2⁠ λ также являются резонансными, представляя малое или нулевоереактивное сопротивление(которое можно устранить, выполнив небольшую регулировку длины). Однако они редко используются. Один размер, который является гораздо более эффективным излучателем как с точки зрениямощности, так и в направлении излучения, — это диполь с длиной ⁠ 5 /4⁠ помахать .Не быть рядом с ⁠ 3 /2⁠ волна ,сопротивление этой антенны имеет большое (отрицательное) реактивное сопротивление и может использоваться только с индуктивнойсогласующейцепью импеданса (катушка с ответвлениямиилитак называемыйантенный тюнер). Это желательная длина, поскольку такая антенна имеет самый высокий коэффициент усиления для любого диполя, который не намного длиннее.

Диаграмма направленности и коэффициент усиления

Диаграмма направленности вертикального полуволнового диполя; вертикальное сечение.
(вверху) В линейном масштабе
(внизу) В децибелах изотропно (дБи)

Диполь является всенаправленным в плоскости, перпендикулярной оси провода, с излучением, падающим до нуля на оси (вне концов антенны). В полуволновом диполе излучение максимально перпендикулярно антенне, снижаясь до нуля на оси. Его диаграмма направленности в трех измерениях (см. рисунок) будет изображена приблизительно как тороид (форма бублика), симметричный относительно проводника. При вертикальной установке это приводит к максимальному излучению в горизонтальных направлениях. При горизонтальной установке пики излучения находятся под прямым углом (90°) к проводнику, с нулями в направлении диполя. ${\displaystyle \ (\ \sin \theta \ )^{2}\ }$

Пренебрегая электрической неэффективностью, коэффициент усиления антенны равен коэффициенту направленного усиления , который составляет 1,50 (1,76 дБи или -0,39 дБд) для короткого диполя, увеличиваясь до 1,64 (2,15 дБи или 0 дБд) для полуволнового диполя. Для ⁠  5 /4⁠ волновойдиполь усиление дополнительно увеличивается примерно до 5,2 дБи, что делает эту длину желательной по этой причине, даже если антенна тогда не резонансная. Более длинные диполи, чем эта, имеют диаграммы направленности, которые являются многолепестковыми, с худшим усилением (если они ненамногодлиннее) даже вдоль самого сильного лепестка. Другие усовершенствования диполя (такие как включениеуголкового отражателяили массива диполей) могут быть рассмотрены, когда требуется более существеннаянаправленность. Такие конструкции антенн, хотя и основаны на полуволновом диполе, обычно получают свои собственные названия.

Питание дипольной антенны

В идеале полуволновой диполь должен питаться с помощью сбалансированной линии передачи, соответствующей его типичному входному сопротивлению 65–70 Ом. Двойной провод с аналогичным сопротивлением доступен, но используется редко и не соответствует сбалансированным антенным клеммам большинства радио- и телевизионных приемников. Гораздо более распространенным является использование обычного двойного провода 300 Ом в сочетании с фальцованным диполем . Сопротивление точки возбуждения полуволнового фальцованного диполя в 4 раза больше, чем у простого полуволнового диполя, таким образом, близко соответствует характеристическому сопротивлению 300 Ом . ^{[19] [ необходима полная цитата ]} Большинство тюнеров диапазона FM-вещания и старые аналоговые телевизоры включают сбалансированные входные клеммы антенны 300 Ом. Однако двойной провод имеет тот недостаток, что он электрически нарушается любым другим близлежащим проводником (включая землю); при использовании для передачи следует соблюдать осторожность, чтобы не размещать его рядом с другими проводниками.

Многие типы коаксиального кабеля (или коаксиала) имеют характеристическое сопротивление 75 Ом, что в противном случае было бы хорошим соответствием для полуволнового диполя. Однако коаксиал является однопроводной линией, тогда как центрально-запитанный диполь ожидает сбалансированную линию (например, двухпроводную). По симметрии можно видеть, что клеммы диполя имеют равное, но противоположное напряжение, тогда как коаксиал имеет один заземленный проводник. Использование коаксиала независимо приводит к несбалансированной линии, в которой токи вдоль двух проводников линии передачи больше не равны и противоположны. Поскольку тогда у вас есть чистый ток вдоль линии передачи, линия передачи сама становится антенной, с непредсказуемыми результатами (так как это зависит от пути линии передачи). ^[20] Это, как правило, изменит предполагаемую диаграмму направленности антенны и изменит сопротивление, видимое на передатчике или приемнике.

Для использования коаксиального кабеля с дипольной антенной требуется симметрирующий трансформатор . Симметрирующий трансформатор передает мощность между односторонним коаксиальным кабелем и сбалансированной антенной, иногда с дополнительным изменением импеданса. Симметрирующий трансформатор может быть реализован как трансформатор , который также позволяет преобразовывать импеданс. Обычно он наматывается на ферритовый тороидальный сердечник . Материал тороидального сердечника должен подходить для используемой частоты, а в передающей антенне он должен иметь достаточный размер, чтобы избежать насыщения . ^[21] Другие конструкции симметрирующих трансформаторов указаны ниже. ^{[22] [23]}

Питание дипольной антенны с помощью коаксиального кабеля

Текущий балун

Балун тока использует трансформатор, намотанный на тороид или стержень из магнитного материала, такого как феррит . Весь ток, видимый на входе, поступает на один вывод сбалансированной антенны. Он образует балун, заглушая синфазный ток. Материал не имеет решающего значения для 1:1, поскольку к желаемому дифференциальному току не применяется действие трансформатора. ^{[24] [25]} Схожая конструкция включает два трансформатора и включает преобразование импеданса 1:4. ^{[20] [24]}

Коаксиальный балун

Коаксиальный симметрирующий трансформатор является экономически эффективным методом устранения излучения фидера, но его применение ограничено узким набором рабочих частот.

Один из простых способов сделать балун — использовать коаксиальный кабель длиной, равной половине длины волны. Внутренний сердечник кабеля на каждом конце соединен с одним из сбалансированных соединений для фидера или диполя. Один из этих выводов должен быть соединен с внутренним сердечником коаксиального фидера. Все три оплетки должны быть соединены вместе. Это затем образует балун 4:1, который работает правильно только в узкой полосе частот.

Рукавный балун

На частотах VHF также можно построить трубчатый симметрирующий трансформатор для устранения излучения фидера. ^[26]

Другая узкополосная конструкция заключается в использовании ⁠  1 /4⁠ λ длина металлической трубы. Коаксиальный кабель помещается внутрь трубы; на одном конце оплетка проложена к трубе, а на другом конце нет соединения с трубой. Сбалансированный конец этого балуна находится на конце, где нет соединения с трубой. ⁠  1 /4⁠ Проводник λ действует как трансформатор, преобразуя нулевое сопротивление на коротком замыкании с оплеткой в ​​бесконечное сопротивление на открытом конце. Это бесконечное сопротивление на открытом конце трубы предотвращает протекание тока во внешний коаксиал, образованный внешней частью внутреннего экрана коаксиала и трубой, заставляя ток оставаться во внутреннем коаксиале. Такая конструкция симметрирующего трансформатора непрактична для низких частот из-за большой длины трубы, которая потребуется.

Распространенные приложения

Телевизионная антенна "Уши кролика"

Телевизионная антенна УКВ диапазона «Заячьи уши» (маленькая петля — отдельная антенна УКВ диапазона).

Одним из наиболее распространенных применений дипольной антенны является телевизионная антенна «кроличьи уши» или «кроличьи уши» , которая устанавливается на приемниках вещательного телевидения . Она используется для приема наземных телевизионных диапазонов VHF, состоящих в США из 54–88 МГц ( диапазон I ) и 174–216 МГц ( диапазон III ), с длинами волн 5,5–1,4 м. Поскольку этот диапазон частот намного шире, чем может покрыть одна фиксированная дипольная антенна, она изготавливается с несколькими степенями регулировки. Она состоит из двух телескопических стержней, каждый из которых может быть выдвинут примерно на 1 м в длину (четверть длины волны при 75 МГц). Благодаря контролю длины сегментов, угла относительно вертикали и угла компаса, можно получить гораздо больше гибкости в оптимизации приема, чем доступно с антенной на крыше, даже если она оснащена ротором антенны .

Антенны для приема FM-вещания

В отличие от широких телевизионных частотных диапазонов, диапазон вещания FM (88-108 МГц) достаточно узкий, чтобы его могла покрыть дипольная антенна. Для стационарного использования в домах hi-fi -тюнеры обычно поставляются с простыми сложенными диполями, резонирующими вблизи центра этого диапазона. Сопротивление точки питания сложенного диполя, которое в четыре раза больше сопротивления простого диполя, хорошо подходит для 300-омного двойного провода , поэтому он обычно используется для линии передачи к тюнеру. Распространенная конструкция заключается в том, чтобы сделать плечи сложенного диполя также из двойного провода, закороченного на концах. Эту гибкую антенну можно удобно прикрепить скотчем или прибить гвоздями к стенам, следуя контурам молдингов.

Коротковолновая антенна

Горизонтальные проволочные дипольные антенны популярны для использования на коротких волнах КВ диапазона , как для передачи, так и для прослушивания коротких волн . Они обычно состоят из двух отрезков провода, соединенных натяжным изолятором в центре, который является точкой питания. Концы могут быть прикреплены к существующим зданиям, сооружениям или деревьям, используя их высоту. Если они используются для передачи, важно, чтобы концы антенны были прикреплены к опорам через натяжные изоляторы с достаточно высоким напряжением пробоя , поскольку там возникают пучности высокого напряжения антенны . Будучи сбалансированными антеннами, они лучше всего питаются с помощью симметрирующего трансформатора между (коаксиальной) линией передачи и точкой питания.

Их легко устанавливать для временного или полевого использования. Но они также широко используются радиолюбителями и слушателями коротких волн в стационарных местах из-за их простой (и недорогой) конструкции, при этом реализуя резонансную антенну на частотах, где резонансные элементы антенны должны быть довольно большого размера. Они являются привлекательным решением для этих частот, когда не требуется значительная направленность, а стоимость нескольких таких резонансных антенн для разных диапазонов частот, построенных дома, может быть намного меньше стоимости одной антенны, произведенной в коммерческих целях.

Дипольные вышки

Антенны для MF и LF радиостанций обычно строятся как мачтовые излучатели , в которых вертикальная мачта сама по себе образует антенну. Хотя мачтовые излучатели чаще всего являются монополями , некоторые из них являются диполями. Металлическая структура мачты разделена в ее средней точке на две изолированные секции ^{[ требуется ссылка ]} для создания вертикального диполя, который приводится в действие в средней точке.

Дипольные решетки

Коллинеарная сложенная дипольная решетка

Многие типы антенных решеток построены с использованием нескольких диполей, обычно полуволновых диполей. Цель использования нескольких диполей — увеличить направленное усиление антенны по сравнению с усилением одного диполя; излучение отдельных диполей интерферирует , увеличивая мощность, излучаемую в желаемых направлениях. В решетках с несколькими элементами, управляемыми диполями , фидерная линия разделяется с помощью электрической сети для подачи питания на элементы, при этом особое внимание уделяется относительным задержкам фазы из-за передачи между общей точкой и каждым элементом.

Чтобы увеличить усиление антенны в горизонтальном направлении (за счет излучения в сторону неба или в сторону земли), можно сложить антенны в вертикальном направлении в решетку с широким углом обзора , где антенны питаются в фазе. Это с помощью горизонтальных дипольных антенн сохраняет направленность этих диполей и ноль в направлении их элементов. Однако, если каждый диполь ориентирован вертикально, в так называемой коллинеарной антенной решетке (см. рисунок), это нулевое направление становится вертикальным, и решетка приобретает всенаправленную диаграмму направленности (в горизонтальной плоскости), как обычно и требуется. Вертикальные коллинеарные решетки используются в диапазонах частот VHF и UHF, на которых длины волн размер элементов достаточно мал, чтобы практически сложить несколько на мачте. Они являются более высокоусиленной альтернативой четвертьволновым антеннам наземной плоскости, используемым в стационарных базовых станциях для мобильных двусторонних радиостанций , таких как полиция, пожарные и диспетчеры такси.

Антенна с отражательной решеткой для радара, состоящая из множества диполей, питаемых синфазно (таким образом реализуя решетку с поперечным сечением ) перед большим отражателем (горизонтальными проводами), что делает ее однонаправленной.

С другой стороны, для вращающейся антенны (или той, которая используется только в определенном направлении) может потребоваться повышенное усиление и направленность в определенном горизонтальном направлении. Если рассмотренная выше решетка поперечных лучей (независимо от того, коллинеарная она или нет) повернута горизонтально, то она получает большее усиление в горизонтальном направлении, перпендикулярном антеннам, за счет большинства других направлений. К сожалению, это также означает, что направление, противоположное желаемому направлению, также имеет высокое усиление, тогда как высокое усиление обычно требуется в одном единственном направлении. Однако мощность, которая тратится впустую в обратном направлении, может быть перенаправлена, например, с помощью большого плоского отражателя, как это достигается в отражательной антенной решетке , увеличивая усиление в желаемом направлении еще на 3 дБ

Альтернативной реализацией однонаправленной антенны является антенная решетка с торцевым излучением . В этом случае диполи снова расположены рядом (но не коллинеарно), но питаются в прогрессирующих фазах, расположенных так, что их волны когерентно складываются в одном направлении, но нейтрализуются в противоположном направлении. Таким образом, теперь, вместо того, чтобы быть перпендикулярными направлению решетки, как в антенной решетке с поперечным излучением, направленность направлена ​​в направлении решетки (т. е. в направлении линии, соединяющей их точки питания), но с подавленным одним из противоположных направлений.

Антенны типа «волновой канал»

Вышеописанные антенны с несколькими активными элементами требуют сложной системы подачи сигнала, фазирования, распределения по элементам и согласования импеданса. Другой вид антенной решетки с торцевым излучением, который используется гораздо чаще, основан на использовании так называемых паразитных элементов . В популярной антенне Yagi с высоким коэффициентом усиления только один из диполей фактически подключен электрически, но остальные принимают и переизлучают мощность, подаваемую активным элементом. На этот раз фазирование достигается путем тщательного выбора длин, а также положений паразитных элементов, чтобы сконцентрировать усиление в одном направлении и в значительной степени подавить излучение в противоположном направлении (а также во всех других направлениях). Хотя реализованное усиление меньше, чем у активируемой решетки с тем же количеством элементов, простота электрических соединений делает Yagi более практичной для потребительских приложений.

Диполь как эталон

Коэффициент усиления антенны часто измеряется в децибелах относительно полуволнового диполя. Одна из причин заключается в том, что практические измерения антенн требуют опорной напряженности для сравнения напряженности поля испытываемой антенны на определенном расстоянии с. Хотя не существует такого понятия, как изотропный излучатель, полуволновой диполь хорошо изучен и ведет себя, и может быть сконструирован так, чтобы быть почти 100% эффективным. Это также более справедливое сравнение, поскольку усиление, получаемое самим диполем, по сути, «свободно», учитывая, что почти ни одна конструкция антенны не имеет меньшего направленного усиления.

Для усиления, измеренного относительно диполя, говорят, что антенна имеет усиление " x dBd " (см. Децибел ). Чаще усиление выражается относительно изотропного излучателя , из-за чего усиление кажется выше. Принимая во внимание известное усиление полуволнового диполя, 0 dBd определяется как 2,15 dBi; все усиления в "dBi" смещены на 2,15 выше, чем усиления в "dBd".

диполь Герца

Диполь Герца малой длины с током и полем, ощущаемым на расстоянии в направлении ${\displaystyle \ \delta \ell \ ,}$ ${\displaystyle \ I\ ,}$ ${\displaystyle \ r\ }$ ${\displaystyle \theta \ }$

Диполь Герца или элементарный дублет относится к теоретической конструкции, а не к физической конструкции антенны: это идеализированный крошечный сегмент проводника, по которому проходит радиочастотный ток с постоянной амплитудой и направлением по всей его (короткой) длине; реальную антенну можно смоделировать как комбинацию множества диполей Герца, расположенных друг за другом.

Диполь Герца может быть определен как конечный колеблющийся ток (в указанном направлении) сверх крошечной или бесконечно малой длины в указанном положении. Решение полей от диполя Герца может быть использовано в качестве основы для аналитического или численного расчета излучения от более сложных геометрий антенн (таких как практические диполи) путем формирования суперпозиции полей от большого числа диполей Герца, составляющих картину тока фактической антенны. В качестве функции положения, беря элементарные элементы тока , умноженные на бесконечно малые длины, результирующая картина поля затем сводится к интегралу по пути проводника антенны (моделируемого как тонкий провод). ${\displaystyle \ I\ e^{i\omega t}\ }$ ${\displaystyle \ \delta \ell \ }$ ${\displaystyle \ I\!\left(\mathbf {r} \right)\ ,}$ ${\displaystyle \ \delta \ell \ ,}$

Для следующего вывода мы возьмем ток в направлении, центрированном в начале координат, где с синусоидальной зависимостью от времени для всех величин, понимаемых. Самый простой подход - использовать расчет векторного потенциала с использованием формулы для запаздывающего потенциала . Хотя значение не является уникальным, мы ограничим его, приняв калибровку Лоренца , и предположив синусоидальный ток на радианной частоте, запаздывание поля преобразуется просто в фазовый множитель , где волновое число в свободном пространстве и является линейным расстоянием между рассматриваемой точкой и началом координат (где мы предположили, что находится источник тока), так что Это приводит ^[27] к векторному потенциалу в положении, обусловленному только этим элементом тока, который, как мы обнаруживаем, находится исключительно в направлении (направление тока): ${\displaystyle \ z\ }$ ${\displaystyle \ x=y=z=0\ ,}$ ${\displaystyle \ e^{i\omega t}\ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {A} \!\left(\mathbf {r} \right)\ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {A} \ }$ ${\displaystyle \ \omega \ }$ ${\displaystyle \ e^{-ikr}\ ,}$ ${\textstyle \ k={\frac {\omega }{\ c\ }}\ }$ ${\displaystyle \ r\ }$ ${\displaystyle \ r\equiv \left|\ \mathbf {r} \ \right|~.}$ ${\displaystyle \ \mathbf {A} \ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {r} \ }$ ${\displaystyle \ z\ }$

${\displaystyle \mathbf {A} \!\left(\mathbf {r} \right)=I\ \delta \ell \ {\frac {\mu _{0}}{\ 4\pi r\ }}\ e^{-ikr}\ {\hat {\mathbf {z} }}\ }$

где - проницаемость свободного пространства . Тогда с помощью ${\displaystyle \ \mu _{0}\ }$

${\displaystyle \ \mu \mathbf {H} =\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} \ }$

мы можем решить для магнитного поля и из него (в зависимости от того, выбрали ли мы калибровку Лоренца) электрическое поле, используя ${\displaystyle \ \mathbf {H} \ ,}$ ${\displaystyle \ \mathbf {E} \ }$

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {\ \nabla \times \mathbf {H} \ }{i\omega \epsilon }}}$

В сферических координатах находим ^{[12] (стр. 92–94)} , что магнитное поле имеет только компоненту в направлении: ${\displaystyle \ \mathbf {H} \ }$ ${\displaystyle \ \phi \ }$

${\displaystyle \mathbf {H} =H_{\phi }\ {\hat {\boldsymbol {\phi }}}}$

где

${\displaystyle H_{\phi }=i{\frac {\ I\ \delta \ell \ }{4\pi }}\left({\frac {\ k\ }{r}}-{\frac {i}{\ r^{2}}}\right)\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,}$

в то время как электрическое поле имеет компоненты как в направлениях, так и : ${\displaystyle \ \theta \ }$ ${\displaystyle \ r\ }$

${\displaystyle \mathbf {E} =E_{\theta }\ {\hat {\boldsymbol {\theta }}}+E_{r}\ {\hat {\mathbf {r} }}}$

где

${\displaystyle {\begin{aligned}E_{\theta }&=i{\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ }{4\pi }}\left({\frac {\ k\ }{r}}-{\frac {i}{\ r^{2}}}-{\frac {1}{\ k\ r^{3}}}\right)\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,\\[2pt]E_{r}&={\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ }{2\pi }}\left({\frac {1}{\ r^{2}\ }}-{\frac {i}{\ kr^{3}}}\right)\ e^{-ikr}\ \cos \theta \ ,\end{aligned}}}$

где - импеданс свободного пространства . ${\displaystyle \ \zeta _{0}\equiv {\sqrt {{\frac {\ \mu _{0}\ }{\epsilon _{0}}}\;}}\ }$

Анимированная диаграмма, показывающая, как поля E и H в плоскости x y зависят от времени и расстояния.

Это решение включает в себя члены ближнего поля , которые очень сильны вблизи источника, но которые не излучаются . Как видно из прилагаемой анимации, поля и очень близко к источнику почти на 90° не совпадают по фазе, таким образом, внося очень малый вклад в вектор Пойнтинга, с помощью которого вычисляется излучаемый поток. Решение ближнего поля для элемента антенны (из интеграла с использованием этой формулы по длине этого элемента) — это поле, которое можно использовать для вычисления взаимного импеданса между ним и другим близлежащим элементом. ${\displaystyle \ \mathbf {E} \ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {H} \ }$

Для расчета диаграммы направленности в дальней зоне приведенные выше уравнения упрощаются, поскольку значимыми остаются только члены: ^{[12] (стр. 92–94)} ${\textstyle \ {\frac {\ 1\ }{r}}\ }$

${\displaystyle {\begin{aligned}H_{\phi }&=i{\frac {\ I\ \delta \ell \ k\ }{4\pi r}}\ e^{-ikr}\ \sin \theta \ ,\\[2pt]E_{\theta }&=i{\frac {\ \zeta _{0}\ I\ \delta \ell \ k\ }{4\pi r}}\ e^{-ikr}\ \sin \theta ~.\end{aligned}}}$

  Линии электрического поля и  компоненты магнитного поля под прямым углом, составляющие электромагнитную волну , излучаемую  текущий элемент

Таким образом, картина дальнего поля представляется состоящей из поперечной электромагнитной (TEM) волны с электрическими и магнитными полями под прямым углом друг к другу и под прямым углом к ​​направлению распространения (направлению , поскольку мы предположили, что источник находится в начале координат). Электрическая поляризация в направлении копланарна с током источника (в направлении ), в то время как магнитное поле находится под прямым углом к ​​нему в направлении . Из этих уравнений, а также из анимации видно, что поля на этих расстояниях точно совпадают по фазе . Оба поля падают в соответствии с мощностью, таким образом, падая в соответствии с , как диктует закон обратных квадратов . ${\displaystyle \ \mathbf {r} \ }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \ z\ }$ ${\displaystyle \ \phi \ }$ ${\textstyle \ {\frac {\ 1\ }{r}}\ ,}$ ${\textstyle \ {\frac {1}{\ r^{2}}}\ }$

Стойкость к радиации

Если известна диаграмма направленности излучения в дальней зоне из-за заданного тока антенны, то можно напрямую вычислить сопротивление излучения . Для вышеуказанных полей из-за диполя Герца мы можем вычислить поток мощности в соответствии с вектором Пойнтинга , что даст мощность (усредненную за один цикл):

${\displaystyle \langle \mathbf {S} \rangle ={\frac {\ 1\ }{2}}{\mathcal {R_{e}}}\left\{\ \mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ \right\}=\langle S_{\mathsf {r}}\rangle \ {\hat {\mathbf {r} }}+\langle S_{\mathsf {\phi }}\rangle \ {\hat {\boldsymbol {\phi }}}~.}$

С увеличением становится незначительно малым по сравнению с компонентом. Хотя это и не обязательно, проще всего работать только с асимптотическим значением, которое приближается к большому, используя более простые выражения для дальней зоны и Рассмотрим большую сферу, окружающую источник с радиусом. Мы находим, что мощность на единицу площади, пересекающая поверхность этой сферы в направлении, равна: ${\displaystyle \ r\ }$ ${\displaystyle \ \langle S_{\mathsf {\phi }}\rangle \ }$ ${\displaystyle \ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \ }$ ${\displaystyle \ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \ }$ ${\displaystyle \ r\ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {E} \ }$ ${\displaystyle \ \mathbf {H} ~.}$ ${\displaystyle \ r~.}$ ${\displaystyle \ {\hat {\mathbf {r} }}\ }$

${\displaystyle \left\langle S_{\mathsf {r}}\right\rangle ={\frac {\ \zeta _{0}\ }{2}}\ \left({\frac {\ \left|I\right|\ k\ \delta \ell \ }{4\pi r}}\ \sin \theta \right)^{2}\ }$

Интеграция этого потока по всей сфере дает:

${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathsf {net}}&=\int _{0}^{2\pi }\!\!\int _{0}^{\pi }\left|\langle S_{\mathsf {r}}\rangle \right|\ r^{2}\sin \theta \ \mathrm {d} {\phi }\ \mathrm {d} \theta ={\tfrac {\ 1\ }{2}}\zeta _{0}\ \left({\frac {\ \left|I\right|\ k\ \delta \ell \ }{4\pi }}\right)^{2}\int _{0}^{2\pi }\!\!\int _{0}^{\pi }\sin ^{3}\theta \ \mathrm {d} {\phi }\ \mathrm {d} \theta \\&={\frac {\zeta _{0}}{\ 12\pi \ }}\left(\left|I\right|\ k\ \delta \ell \right)^{2}={\frac {\ \pi \ }{3}}\zeta _{0}\ \left(\left|I\right|{\frac {\ \delta \ell \ }{\lambda }}\right)^{2}\end{aligned}}}$

где — длина волны в свободном пространстве, соответствующая радианной частоте. По определению, сопротивление излучения , умноженное на среднее значение квадрата тока, представляет собой чистую мощность, излучаемую этим током, поэтому, приравнивая вышесказанное к, находим: ${\displaystyle \ \lambda =2\pi /k\ }$ ${\displaystyle \ \omega ~.}$ ${\displaystyle R_{\text{rad}}}$ ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left|\ I\ \right|^{2}\ }$ ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left|I\right|^{2}R_{\text{rad}}\ }$

${\displaystyle R_{\text{rad}}={\tfrac {\ 2\ \pi \ }{3}}\zeta _{0}\ \left({\frac {\ \delta \ell \ }{\lambda }}\right)^{2}~.}$

Этот метод можно использовать для расчета сопротивления излучения для любой антенны, диаграмма направленности излучения которой в дальней зоне найдена в терминах определенного тока антенны. Если пренебречь омическими потерями в проводниках, сопротивление излучения (рассматриваемое относительно точки питания) идентично резистивной (действительной) составляющей импеданса точки питания. К сожалению, это упражнение ничего не говорит нам о реактивной (мнимой) составляющей импеданса точки питания, расчет которой рассматривается ниже.

Усиление направленности

Используя приведенное выше выражение для излучаемого потока, заданного вектором Пойнтинга, можно также вычислить направленный коэффициент усиления диполя Герца. Разделив общую мощность, вычисленную выше, на, мы можем найти поток, усредненный по всем направлениям, как ${\displaystyle 4\pi r^{2}}$ ${\displaystyle \ P_{\text{avg}}\ }$

${\displaystyle \ P_{\text{avg}}={\frac {P_{\text{net}}}{\ 4\pi \ r^{2}}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 48\pi ^{2}\ r^{2}}}k^{2}\ \left|I\right|^{2}\ \left(\delta \ell \right)^{2}~.}$

Разделив поток, излучаемый в определенном направлении, на получаем коэффициент направленного усиления ${\displaystyle \ P_{\text{avg}}\ }$ ${\displaystyle \ \operatorname {\mathsf {G}} \left(\theta \right)\ :}$

${\displaystyle \ \operatorname {\mathsf {G}} \left(\theta \right)={\frac {\ \left\langle \mathbf {S} _{\mathsf {r}}\right\rangle \ }{P_{\text{avg}}}}={\tfrac {\ 3\ }{2}}\sin ^{2}\theta \ }$

Обычно цитируемый «коэффициент усиления» антенны, то есть пиковое значение диаграммы усиления (диаграммы направленности), составляет 1,5–1,76 дБи, что ниже, чем практически у любой другой конфигурации антенны.

Сравнение с коротким диполем

Диполь Герца похож на короткий диполь, обсуждавшийся выше, но отличается от него. В обоих случаях проводник очень короткий по сравнению с длиной волны, поэтому стоячая волна, присутствующая, например, на полуволновом диполе, отсутствует. Однако с диполем Герца мы указали, что ток вдоль этого проводника постоянен на его короткой длине. Это делает диполь Герца полезным для анализа более сложных конфигураций антенн, где каждый бесконечно малый участок проводника этой реальной антенны может быть смоделирован как диполь Герца с током, протекающим в этой реальной антенне.

Однако короткий проводник, питаемый ВЧ-напряжением, не будет иметь равномерного тока даже на таком коротком расстоянии. Скорее, короткий диполь в реальной жизни имеет ток, равный току в точке питания, но линейно падающий до нуля по длине этого короткого проводника. Поместив емкостную шляпу , например, металлический шарик, на конец проводника, можно сделать так, чтобы его собственная емкость поглощала ток из проводника и лучше приближалась к постоянному току, предполагаемому для диполя Герца. Но опять же, диполь Герца подразумевается только как теоретическая конструкция для анализа антенны.

Короткий диполь с током в точке питания имеет средний ток по каждому проводнику всего Вышеуказанные уравнения поля для диполя Герца длиной затем предсказали бы фактические поля для короткого диполя с использованием этого эффективного тока Это привело бы к мощности, измеренной в дальнем поле, в одну четверть от той, которая дана приведенным выше уравнением для величины вектора Пойнтинга , если бы мы предположили элементный ток Следовательно , можно видеть, что сопротивление излучения, вычисленное для короткого диполя, составляет одну четверть от вычисленного выше для диполя Герца. Но их диаграммы излучения (и коэффициенты усиления) в остальном идентичны. ${\displaystyle \ I_{0}\ ,}$ ${\textstyle \ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}~.}$ ${\displaystyle \ \delta \ell \ }$ ${\textstyle \ I={\tfrac {\ 1\ }{2}}\ I_{0}~.}$ ${\displaystyle \ \langle S_{\mathsf {r}}\rangle \ }$ ${\displaystyle \ I_{0}~.}$

Подробный расчет сопротивления дипольной точки питания

Импеданс, наблюдаемый в точке питания диполя различной длины, был изображен выше в терминах действительной (резистивной) составляющей R _диполя и мнимой ( реактивной ) составляющей j X _диполя этого импеданса. Для случая антенны с идеальными проводниками (без омических потерь) R _диполя идентично сопротивлению излучения , которое можно легче вычислить из полной мощности в диаграмме направленности излучения в дальней зоне для заданного приложенного тока, как мы показали для короткого диполя. Расчет X _диполя более сложен.

Метод индуцированной ЭДС

Используя метод индуцированной ЭДС, получаются выражения в замкнутой форме для обоих компонентов импеданса точки питания; такие результаты представлены выше. Решение зависит от предположения о форме распределения тока вдоль проводников антенны. Для соотношений длины волны к диаметру элемента больше, чем примерно 60, распределение тока вдоль каждого элемента антенны длиной ⁠ 1 /2⁠ L очень хорошо аппроксимируется^[27]как имеющая форму синусоидальной функции в точках вдоль антенныz, при этом ток достигает нуля на концах элементов, где z = ⁠± + 1 /2⁠ L , следующим образом:

${\displaystyle \ I(z)=A\sin {\Bigl (}\ k\left({\tfrac {\ 1\ }{2}}\ L-\left|z\right|\right)\ {\Bigr )}\ ,}$

где k — волновое число , определяемое формулой k = ⁠  2π ​ / λ ⁠ = ⁠ 2πf ​ / с ⁠ ,а амплитудаAустанавливается в соответствии с заданным током точки возбуждения при z = 0 .

В случаях, когда можно предположить приблизительно синусоидальное распределение тока, этот метод решает для импеданса точки возбуждения в замкнутой форме с использованием интегральных функций косинуса и синуса  Si( x )  и  Ci( x )  . Для диполя общей длины  L  резистивные и реактивные компоненты импеданса точки возбуждения могут быть выражены как: ^{[28] [d]}

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\mathsf {dipole}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 2\pi \sin ^{2}\left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ }}{\Biggl \{}\ \gamma _{e}+\ln(kL)-\operatorname {Ci} (kL)+{}&{\tfrac {1}{2}}\sin(kL)\,{\Bigl [}+\operatorname {Si} (2kL)-2\operatorname {Si} (kL)\ {\Bigr ]}\\{}+{}&{\tfrac {1}{2}}\cos(kL)\,{\Big [}+\operatorname {Ci} (2kL)-2\operatorname {Ci} (kL)+\gamma _{e}+\ln \left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ {\Bigr ]}\ {\Bigg \}}\ ,\\X_{\mathsf {dipole}}={\frac {\zeta _{0}}{\ 2\pi \sin ^{2}\left({\tfrac {1}{2}}kL\right)\ }}{\Biggl \{}{}+\operatorname {Si} (kL)+{}&{\tfrac {1}{2}}\cos(kL)\,{\Bigl [}-\operatorname {Si} (2kL)+2\operatorname {Si} (kL)\ {\Bigr ]}\\{}+{}&{\tfrac {1}{2}}\sin(kL)\,{\Bigl [}+\operatorname {Ci} (2kL)-2\operatorname {Ci} (kL)+\operatorname {Ci} \left({\tfrac {\;2ka^{2}\ }{L}}\right)\ {\Bigr ]}\ {\Biggr \}}\ ,\end{aligned}}}$

где a — радиус проводников, k — снова волновое число, как определено выше, ζ ₀ — импеданс пустого пространства , который почти такой же, как импеданс воздуха: ζ ₀ ≈ 377 Ω, и — постоянная Эйлера . Существует эквивалентная альтернативная форма, предпочитаемая некоторыми авторами, которая использует другую функцию, Cin  . ^[e] ${\displaystyle \ \gamma _{e}=0.57721566\ \ldots \ }$

Интегральные методы

Метод индуцированной ЭДС зависит от предположения о синусоидальном распределении тока, обеспечивая точность выше примерно 10%, пока отношение длины волны к диаметру элемента больше примерно 60. ^[27] Однако для еще больших проводников требуются численные решения, которые решают для распределения тока проводника (а не предполагают синусоидальный шаблон). Это может быть основано на аппроксимирующих решениях либо для интегродифференциального уравнения Поклингтона , либо для интегрального уравнения Халлена . ^[7] Эти подходы также имеют большую общность, не ограничиваясь линейными проводниками.

Численное решение любого из них выполняется с использованием решения метода моментов , которое требует разложения этого тока в набор базисных функций ; один простой (но не лучший) выбор, например, состоит в том, чтобы разбить проводник на N сегментов с постоянным током, предполагаемым вдоль каждого. После установки соответствующей весовой функции стоимость может быть минимизирована посредством инверсии матрицы N × N. Определение каждого элемента матрицы требует по крайней мере одного двойного интегрирования с участием весовых функций, что может стать вычислительно интенсивным. Они упрощаются, если весовые функции являются просто дельта-функциями , что соответствует подгонке граничных условий для тока вдоль проводника только в N дискретных точках. Затем матрица N × N должна быть инвертирована, что также является вычислительно интенсивным по мере увеличения N. В одном простом примере Баланис (2011) выполняет это вычисление, чтобы найти импеданс антенны с различным N , используя метод Поклингтона, и обнаруживает, что при N > 60 решения приближаются к своим предельным значениям с точностью до нескольких процентов. ^[7]

Смотрите также

• AM-вещание
• любительское радио
• Балун
• Коаксиальная антенна
• Напряженность дипольного поля в свободном пространстве
• Ведомый элемент
• Электронный символ
• FM-вещание
• Изотропная антенна
• Всенаправленная антенна
• Прослушивание коротких волн
• Т-образная антенна
• Штыревая антенна

Примечания

1. Дипольная антенна : Любая антенна из класса, создающая диаграмму направленности, приближающуюся к диаграмме направленности элементарного электрического диполя. Синонимы: дублетная антенна . ^[4]
2. Гало -антенна имеет разрыв напротив точки питания, поэтому между двумя концами нет постоянного тока . Некоторые видят в этом решающее различие между гало и другими рамочными антеннами . Однако для радиочастотного тока, поскольку концы высокого напряжения согнуты близко друг к другу, конечная емкость соединяет концы электрически через ток смещения , по сути, так же, как настроечный конденсатор на небольшой петле . Поскольку гало-антенна уже является резонансной, большая емкость не нужна, но поскольку емкость присутствует, плечи гало должны быть обрезаны для компенсации. Концы гало часто обрезаются даже короче, чем нужно, и смещаются ближе друг к другу для компенсации, поскольку полученный более однородный ток улучшает всенаправленную диаграмму направленности гало и дополнительно снижает излучение из плоскости петли гало.
3. Ниже 20 МГц атмосферный шум высок; следовательно, уровни принимаемой мощности должны быть значительно выше уровня теплового шума. Неэффективность приемной антенны маскируется более высоким уровнем мощности. ^{[16] [ необходима полная цитата ]}
4. Это вычисление с использованием метода индуцированной ЭДС идентично вычислению взаимного сопротивления между двумя диполями (с бесконечно малым радиусом проводника), разделенными расстоянием a . Поскольку поле на краю цилиндрического проводника антенны или за ним на расстоянии a зависит только от распределения тока вдоль проводника, а не от радиуса проводника, это поле используется для вычисления взаимного сопротивления между этой нитевидной антенной и фактическим положением проводника с радиусом a .
5. Форма, которая использует функцию Cin вместо Ci, лучше работает для диполей, у которых одноплечевые части не длиннее четверти волны. Функция Ci расходится («раздувается») для входных значений, приближающихся к нулю, вблизи кончиков диполя, где импеданс антенны действительно становится очень большим, но на самом деле не бесконечным. (Вычисление электрического поведения на кончиках диполя важно, отчасти потому, что когда напряжение становится слишком высоким, коронный разряд будет тратить часть передаваемой мощности.) Переключение в форму Cin разделяет расходящиеся части Ci на несколько отдельных логарифмических членов, подобных логарифму в форме Ci , показанному выше. Многие из новых логарифмических членов, введенных при переходе в форму Cin , в конечном итоге сокращаются друг с другом и оставляют после себя только несколько случайных констант. После разделения оставшиеся логарифмы, которые не сокращаются, все еще расходятся, но с ними можно довольно легко справиться для значений, близких к нулю (вблизи кончиков диполя); функция Cin тихо исчезает, квадратично сходясь к нулю. Однако для значений аргумента функции 2 k L вблизи 130° и далее (то есть вблизи точки питания диполей длиннее четверти волны) функция Ci ведет себя гораздо лучше: она близка к плоской. Напротив, вблизи точек питания длинных антенн ранее послушная функция Cin начинает неустойчивый, но устойчивый рост до очень больших значений, что численно усложняет расчет импеданса точки питания для диполей длиннее четверти волны – из которых ⁠ 5 /4⁠ волновойдиполь имеет особенно хорошие характеристики для использования на больших расстояниях, но требует тщательных расчетов для точного проектирования минимальнойсогласования импеданса, которая необходима реактивной точке питания антенны. Для больших аргументов функцииCiиSi,использованные выше, мягко (уменьшающаяся амплитуда) колеблются вокруг нуля и ⁠ 1 /2⁠ π ,соответственно. Так что ни одна из форм, ни форма с использованиемCi, ни форма с использованиемCin, не всегда является лучшим выбором для всех местоположений на всех размерах антенн.

Ссылки

1. Winder, Steve; Carr, Joe (2002). Newnes Radio and RF Engineering Pocket Book (3-е изд.). Newnes. стр. 4. ISBN 0080497470.
2. Басу, Дипак (2010). Словарь чистой и прикладной физики (2-е изд.). CRC Press. стр. 21. ISBN
    978-1420050226.
3. Хилле, К., DL1VU . Der Dipol in Theorie und Praxis [ Диполь в теории и практике ] (на немецком языке).{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)^{[ необходима полная цитата ]}
4. Боднар, Дональд (1993). Стандартные определения терминов IEEE для антенн (отчет). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Институт инженеров по электротехнике и электронике . §2.102, стр. 10. ANSI/IEEE Std 145-1993 .
5. "Дипольная антенна". Учебник по антеннам. Radio-Electronics.com . Ресурсы. Adrio Communications. 2011. Получено 29 апреля 2013 г.
6. Рауз, Маргарет (2003). «Дипольная антенна». Онлайновая энциклопедия ИТ . Получено 29 апреля 2013 г. – через whatis.techtarget.com.
7. Баланис, Константин А. (2011). Справочник по современным антеннам. John Wiley and Sons. стр. 3 (§2–1), 164, 173. ISBN
    978-111820975-2.
8. Stutzman, Warren; Thiele, Gary (1981). Теория и конструкция антенн . John Wiley & Sons. стр. 212–220. ISBN 0-471-04458-X.
9. Huggins, John (31 декабря 2016 г.). "Of fields and feedpoints". Hamradio.me . Получено 13 января 2017 г. .
10. Штуцман, Уоррен Л.; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и конструкция антенн. John Wiley and Sons. С. 74–75. ISBN 978-0470576649.
11. Kraus, JD, W8JK (1988). Антенны (2-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN
     0-07-035422-7.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
12. Silver, Samuel, ed. (1949). Теория и проектирование микроволновых антенн . Серия MIT Radiation Laboratory. Том 12. Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-hill Book Company. Bibcode : 1949matd.book.....S. OCLC  1062672 – через Интернет-архив (archive.org).
    Полное переиздание (1984) ISBN 978-086341017-8 . 
13. Mushiake, Yasuto (октябрь 1954 г.). "Точная диаграмма отношения импеданса с повышением уровня для складчатой ​​антенны". IRE Transactions on Antenna Propagation . AP-3 (4): 163. doi :10.1109/T-AP.1954.27992 . Получено 10 января 2014 г.
14. "Схема квадрантной антенны". Радиосвязь ВМС США - 1950-е и 1960-е годы . Антенны связи береговых станций ВМС.
15. Бомонт, Росс, VK2KRB (13 мая 2016 г.). Однопроводная квадрантная антенна: сравнение горизонтальных всенаправленных коротковолновых антенн (PDF) (отчет). Сидней, Австралия: Manly-Warringah Radio Society – через mwrs.org.au.{{cite report}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
16. См. обсуждение активных антенн в книге Rohde, Communications Receivers ^{[ необходима полная цитата ]}
17. Амланер, Чарльз Дж., младший (20–22 марта 1979 г.). «Проектирование антенн для использования в радиотелеметрии». Справочник по биотелеметрии и радиотрекингу . Международная конференция по телеметрии и радиотрекингу в биологии и медицине. Оксфорд, Великобритания: Elsevier. стр. 254. ISBN 9781483189314. Получено 5 декабря 2014 г.{{cite conference}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
18. "Отражения и коэффициент стоячей волны". ycars.org . 30 января 2011 г. Архивировано из оригинала 8 мая 2007 г.
19. Пул, И., G3YWX . Практические проволочные антенны . 2.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
20. Lewallen, Roy W., W7EL . "Балуны: что они делают и как они это делают" (PDF) . eznec.com .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
21. DG3OBK . "Тороидальные сердечники для балунов 1:4". aroesner.homepage.t-online.de . Архивировано из оригинала 22 декабря 2011 г. Получено 29 декабря 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
22. Beezely, B., K6STI . «Симметрирующие трансформаторы для 88–108 МГц».{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
23. Браун, Джим, K9YC (январь 2019 г.). Руководство радиолюбителя по радиопомехам, ферритам, балунам и аудиоинтерфейсам (PDF) . audiosystemsgroup.com (Отчет). верс. 7.{{cite report}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
24. Холланд, Ральф. "Экономически эффективный трансформатор симметрирования тока 1:1". rising.com.au .
25. VK5AJL . "балуны". vk5ajl.com . проекты.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
26. "Рукавные балуны". www.w8ji.com .
27. Ли, Кай Фонг (1984). Принципы теории антенн . John Wiley & Sons. стр. 29, 42. ISBN
     0-471-90167-9.
28. Кодрон, Ф.; Услимани, А. (2011). «Хаотическое поведение в ограничителях входного каскада приемника». Progress in Electromagnetics Research Letters . 23 (19–28): 23–24. doi : 10.2528/PIERL11020305 .

Источники элементарных, коротких и полуволновых диполей

• Терман, Фредерик Э.; Хелливелл, Роберт (1955). Электронное радио и инженерия (4-е изд.). MacGraw-Hill. ISBN 978-0-07-085795-7.

• Фейнман, Ричард. Лейтон; Сэндс (ред.). Лекции Фейнмана по физике . Эддисон-Уэсли.

• Панофски, У.; Филлипс, М. Классическое электричество и магнетизм . Эддисон-Уэсли.

• Орфанидис, Софокл Дж. Электромагнитные волны и антенны (рукопись электронного учебника). Университет Ратгерса – через ece.rutgers.edu.

• N0HR . "Ресурсы проволочных антенн для любительского радио". n0hr.com .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)— Ссылки на веб-сайты проволочных антенн, включая диполь с нецентральным питанием (OCFD), калькуляторы диполей и строительные площадки

• "Линейные антенны" (PDF) . stevens-tech.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2006 г.

• "asc antenna slides" (PDF) . nt.hs-bremen.de . Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2007 г.

• Фицпатрик, Ричард (2 февраля 2006 г.). «Диполь Герца». Электромагнитное излучение. farside.ph.utexas.edu (заметки для курса физики среднего уровня). PHY 352K – Классический электромагнетизм . Остин, Техас: Техасский университет .

• Книга об антеннах ARRL (21-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . 2007. ISBN 978-0-87259-987-1. Книги ARRL , каталог № 6133.

• ARRL's Wire Antenna Classics . Том 1. Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига . 2005. ISBN 0-87259-707-5. Книги ARRL , каталог № 7075. Сборник лучших статей из изданий ARRL

• Бухвальд, Дж. З. (ок. 2002 г.). Размышления о Герце и диполе Герца (отчет). Массачусетский технологический институт и Институт Дибнера. Архивировано из оригинала 26 мая 2005 г. Получено 13 марта 2011 г.

Внешние ссылки

• Динкинс, Родни Р., AC6V ( SK ); Динкинс, Джефф А., AC6V . "Ссылки". ac6v.com . Самодельные антенны.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)

• "Ваш первый ВЧ-диполь". eham.net .— простое, полное руководство

• "Дипольные статьи". Антенны и распространение. electronics-notes.com .— указатель к серии статей о диполе в его различных формах