Równowaga pozycji dipola. Jaka jest różnica między dipolem (antena dipolowa) a anteną (antena biczowa z obciążnikami drutowymi)? Antena dipolowa lub dipolowa

Wibratory pętlowe serii „D” (najbliższy zagraniczny odpowiednik ANT150D firmy Telewave) są produkowane w składany z trzech części - wibrator pętlowy (1), poprzeczka (2) i zespół montażowy (3) (patrz rysunek).

Wibrator pętelkowy wykonany jest z grubościennej rury aluminiowej i ma długość około 1/2. Punkt mocowania (4) do trawersu jest spawany metodą spawania łukiem argonowym, co gwarantuje pewny styk elektryczny w przeciwwęźle prądowym. Do dopasowania z kablem 50-omowym używany jest transformator 1/4 fali, dzięki ułożonej linii zasilającej wewnątrz dipola antena jest zbalansowana.

Wszystkie styki są lutowane, a połączenia śrubowe zamalowane. Całość podajnika jest uszczelniona: do usztywnienia stosuje się rurki PVC, a do uszczelniania rurki termokurczliwe wraz z klejem molekularnym (5). Cała antena jest chroniona przed agresywnymi środowiskami powłoką polimerową. Trawers antenowy - rurka o średnicy 35 mm jest starannie dopasowana do dipola, aby ułatwić montaż anteny. Punktem mocowania do masztu jest odlewany silumin. Dodatkowa obróbka zapewnia również niezawodne dokowanie z poprzeczką i łatwe mocowanie do masztu o średnicy 38-65 mm pod dowolnym kątem. Antena posiada oznaczenie (6) do prawidłowego ustawienia faz, a także otwór spustowy (7) w dolnej części wibratora.

W antenie zastosowano kabel domowy (8) RK 50-7-11 o niskich stratach (0,09 dB/m przy 150 MHz). Anteny wyposażone są w złącza typu N (9), które są starannie lutowane i uszczelniane.

Wygodne opakowanie kartonowe umożliwia transport anteny dowolnym środkiem transportu.

Dipole pętlowe serii „DP” mają pewne różnice strukturalne w porównaniu z dipolami serii „D”.

Po pierwsze antena ta ma konstrukcję nierozłączną - sam dipol (10) jest przyspawany do krótkiego trawersu (11). Zasilanie dipola jest asymetryczne, co jednak w najmniejszym stopniu nie pogarsza jego charakterystyki. Ze względu na bliskość masztu reflektora pasmo jest nieco węższe i wynosi 150-170 MHz, a poziom promieniowania wstecznego jest o 10 dB niższy. Ale w głównym kierunku zysk wynosi 3 dBd.

Po drugie mocowanie do masztu odbywa się za pomocą lekkich klamer ze stali ocynkowanej (12) i umożliwia przymocowanie anteny do masztu (13) o średnicy 25-60 mm. Pod wszystkimi innymi względami technologia wytwarzania anten z serii „DP” nie różni się od dipoli serii „D”.

Dipole serii DH to najtańsze anteny. To zestaw do samodzielnego montażu, w którym w ciągu kilku minut, zgodnie z naszymi instrukcjami, zmontujesz klasyczny liniowy wibrator z uziemieniem o koordynowaniu gamma. W skład zestawu wchodzi sam emiter - bolec o średnicy 12 mm (14), trawers (15) z otworem do mocowania oraz przyspawany wspornik ze złączem (16).

Szczegóły dotyczące dopasowywania gamma pozwalają prawie idealnie dostroić dipol na dowolnej wybranej częstotliwości (przy użyciu konwencjonalnego OTDRa).

Każdy dipol jest wyposażony w szczegółowe instrukcje na ustawienie i wykresy długości wibratorów.

W rękach mistrza ten zestaw zamieni się w prawdziwie komunikacyjny system antenowy o wysokiej wydajności!

Rozważmy dziedzinę najprostszego systemu opłat punktowych. Najprostszym układem ładunków punktowych jest dipol elektryczny. Dipol elektryczny jest zbiorem równych co do wielkości, ale przeciwnych pod względem znaku, dwóch ładunków punktowych -Q oraz + q przesunięte względem siebie o pewną odległość. Niech będzie wektorem promienia narysowanym od ładunku ujemnego do dodatniego. Wektor

nazywamy momentem elektrycznym dipola lub momentem dipolowym, a wektor nazywamy ramieniem dipola. Jeśli długość jest nieistotna w porównaniu z odległością od dipola do punktu obserwacji, to dipol nazywamy punktem.

Obliczmy pole elektryczne dipola punktu elektrycznego. Ponieważ dipol jest punktowy, nie ma różnicy, w ramach dokładności obliczeń, od którego punktu dipola mierzona jest odległość r do punktu obserwacji. Niech punkt obserwacyjny A leży na kontynuacji osi dipola (ryc. 1.13). Zgodnie z zasadą superpozycji wektora napięcia, napięcie pole elektryczne w tym momencie będzie równa

założono, że.

W formie wektorowej

gdzie i są natężenia pola wzbudzane przez ładunki punktowe -Q i + Q... Rysunek 1.14 pokazuje, że wektor jest antyrównoległy do ​​wektora, a jego moduł dla dipola punktowego jest określony przez wyrażenie

tutaj bierze się pod uwagę, że przy przyjętych założeniach.

W postaci wektorowej ostatnie wyrażenie zostanie przepisane w następujący sposób

Nie jest konieczne, aby prostopadła UAB przeszedł przez środek dipola punktowego. W przyjętym przybliżeniu uzyskana formuła zachowuje ważność nawet po przekroczeniu punktu O każdy punkt dipola jest akceptowany.

Przypadek ogólny sprowadza się do analizowanych przypadków szczególnych (rys. 1.15). Pomińmy opłatę + Q prostopadły Płyta CD na linii obserwacyjnej VA... Umieść w punkcie D opłaty za dwa punkty + Q oraz -Q... Nie zmieni to marginesów. Ale otrzymany zestaw czterech ładunków można uznać za zestaw dwóch dipoli z momentami dipolowymi i. Możemy zastąpić dipol sumą geometryczną dipoli i. Stosując teraz do dipoli i wcześniej otrzymanych wzorów na siłę na przedłużeniu osi dipola i na prostopadłej przywróconej do osi dipola, zgodnie z zasadą superpozycji otrzymujemy:

Biorąc to pod uwagę, otrzymujemy:

używane tutaj, że.

Tak więc charakterystyka pola elektrycznego dipola polega na tym, że maleje ono we wszystkich kierunkach proporcjonalnie, czyli szybciej niż pole ładunku punktowego.

Rozważmy teraz siły działające na dipol w polu elektrycznym. W jednolitym polu opłaty + Q oraz -Q będzie pod wpływem sił równych wielkości i przeciwnych w kierunku i (rys. 1.16). Momentem tej pary sił będzie:

Moment ten ma tendencję do obracania osi dipola do położenia równowagi, czyli w kierunku wektora. Istnieją dwa położenia równowagi dipola: gdy dipol jest równoległy do ​​pola elektrycznego i antyrównoległy do ​​niego. Pierwsza pozycja będzie stabilna, ale druga nie, ponieważ w pierwszym przypadku, przy niewielkim odchyleniu dipola od pozycji równowagi, pojawi się moment pary sił, dążąc do przywrócenia jej do pierwotnego położenia, w drugim przypadku wyłaniający się moment jeszcze bardziej oddala dipol od położenia równowagi.

twierdzenie Gaussa

Jak wspomniano powyżej, uzgodniono narysowanie linii sił z taką gęstością, aby liczba linii przebijających jednostkę powierzchni prostopadłą do linii terenu była równa modułowi wektora. Następnie, według wzoru linii napięcia, można ocenić nie tylko kierunek, ale także wielkość wektora w różnych punktach przestrzeni.

Rozważmy linie siły stacjonarnego ładunku punktowego. Są to promieniste linie proste wychodzące z ładunku i kończące się w nieskończoności. Zrealizujemy n takie linie. Potem na odległość r od ładunku liczba linii siły przecinających jednostkową powierzchnię kuli o promieniu r, będą równe. Wartość ta jest proporcjonalna do natężenia pola ładunku punktowego na odległość r. Numer n zawsze możesz wybrać takie, że równość

gdzie . Ponieważ linie siły są ciągłe, ta sama liczba linii siły przecina zamkniętą powierzchnię o dowolnym kształcie, która obejmuje ładunek Q. W zależności od znaku ładunku linie siły albo wchodzą w tę zamkniętą powierzchnię, albo wychodzą. Jeśli liczba linii wychodzących jest uznana za dodatnią, a liczba linii przychodzących jest ujemna, możesz pominąć znak modułu i napisać:

Przepływ wektora napięcia. Umieśćmy obszar elementarny z obszarem w polu elektrycznym. Obszar powinien być tak mały, aby natężenie pola elektrycznego we wszystkich jego punktach można było uznać za takie samo. Narysujmy normalną stronę (ryc. 1.17). Kierunek tej normalnej jest dowolny. Normalna tworzy kąt z wektorem. Przepływ wektora natężenia pola elektrycznego przez wybraną powierzchnię jest iloczynem pola powierzchni przez rzut wektora natężenia pola elektrycznego na normalną do pola:

gdzie jest rzut wektora na normalną do obszaru.

Ponieważ liczba linii siły przechodzących przez jednostkę powierzchni jest równa modułowi wektora natężenia w sąsiedztwie wybranego obszaru, strumień wektora natężenia przez powierzchnię jest proporcjonalny do liczby linii siły przechodzących przez tę powierzchnię. Dlatego w ogólnym przypadku strumień wektora natężenia pola przez ten obszar można jednoznacznie zinterpretować jako wartość równą liczbie linii siły przenikających ten obszar:

Zauważ, że wybór kierunku normalnej jest warunkowy; może być skierowany w innym kierunku. W konsekwencji strumień jest wielkością algebraiczną: znak strumienia zależy nie tylko od konfiguracji pola, ale także od wzajemnej orientacji wektora normalnego i wektora natężenia. Jeśli te dwa wektory tworzą kąt ostry, strumień jest dodatni, jeśli rozwarty, ujemny. W przypadku powierzchni zamkniętej, zwykle bierze się normalną na zewnątrz obszaru objętego tą powierzchnią, to znaczy wybiera się normalną zewnętrzną.

Jeżeli pole jest niejednorodne, a powierzchnia dowolna, wówczas przepływ definiuje się w następujący sposób. Całą powierzchnię należy podzielić na małe elementy o powierzchni, obliczyć strumienie natężenia przez każdy z tych elementów, a następnie zsumować strumienie przez wszystkie elementy:

Tak więc siła pola charakteryzuje pole elektryczne w punkcie przestrzeni. Strumień natężenia nie zależy od wartości natężenia pola w danym punkcie, ale od rozkładu pola na powierzchni określonego obszaru.

Linie siły pola elektrycznego mogą zaczynać się tylko na ładunkach dodatnich, a kończyć na ładunkach ujemnych. Nie mogą zaczynać ani kończyć się w kosmosie. Dlatego też, jeśli w pewnej zamkniętej objętości nie ma ładunku elektrycznego, całkowita liczba linii wchodzących i wychodzących z tej objętości powinna być równa zeru. Jeśli więcej linii opuszcza objętość niż do niej wchodzi, oznacza to, że wewnątrz objętości znajduje się ładunek dodatni; jeśli jest więcej linii wchodzących niż wychodzących, to w środku musi być ładunek ujemny. Jeśli całkowity ładunek wewnątrz objętości jest równy zero lub przy braku w niej ładunku elektrycznego, linie pola przenikają go na wskroś, a całkowity strumień wynosi zero.

Te proste rozważania są niezależne od tego, w jaki sposób ładunek elektryczny dystrybuowane w ramach wolumenu. Może znajdować się w środku objętości lub w pobliżu powierzchni, która definiuje objętość. Objętość może zawierać kilka ładunków dodatnich i ujemnych, w dowolny sposób rozłożonych w objętości. Tylko całkowity ładunek określa całkowitą liczbę przychodzących lub wychodzących linii napięcia.

Jak widać z (1.4) i (1.5), strumień wektora natężenia pola elektrycznego przez dowolną zamkniętą powierzchnię pokrywającą ładunek Q, jest równy. Jeśli wewnątrz powierzchni jest nładunków, to zgodnie z zasadą superpozycji pól całkowity strumień będzie sumą strumieni natężeń pola wszystkich ładunków i będzie równy, gdzie w tym przypadku rozumie się sumę algebraiczną wszystkich ładunków objętych przez zamknięta powierzchnia.

Twierdzenie Gaussa. Gaus był pierwszym, który odkrył prosty fakt, że strumień wektora natężenia pola elektrycznego przez dowolną zamkniętą powierzchnię musi być powiązany z całkowitym ładunkiem wewnątrz tej objętości.

Do każdego bezprzewodowe urządzenie potrzebna jest antena. To przewodzące urządzenie mechaniczne jest przetwornikiem, który przekształca przesyłany sygnał o częstotliwości radiowej (RF) na elektryczny i pola magnetyczne stanowiące falę radiową. Przekształca również odebraną falę radiową z powrotem na sygnał elektryczny. Dla anten możliwa jest prawie nieskończona różnorodność konfiguracji. Jednak większość z nich opiera się na dwóch głównych typach: antenach dipolowych i biczowych.

Anteny

Fala radiowa zawiera pole elektryczne prostopadłe do pola magnetycznego. Oba są prostopadłe do kierunku propagacji (rysunek poniżej). To właśnie to pole elektromagnetyczne tworzy antenę. Sygnał emitowany przez urządzenie generowany jest w nadajniku, a następnie przesyłany do anteny linią transmisyjną, najczęściej kablem koncentrycznym.

Linie to magnetyczne i elektryczne linie siły, które poruszają się razem i wspierają się nawzajem, gdy „oddalają się” od anteny.

Napięcie wytwarza pole elektryczne wokół elementów anteny. Prąd w antenie wytwarza pole magnetyczne. Pola elektryczne i magnetyczne łączą się i regenerują zgodnie ze znanymi równaniami Maxwella, a „połączona” fala jest wysyłana z anteny w kosmos. Po odebraniu sygnału fala elektromagnetyczna indukuje napięcie w antenie, które przekształca falę elektromagnetyczną z powrotem w sygnał elektryczny, który można dalej przetwarzać.

Podstawowym czynnikiem przy orientacji każdej anteny jest polaryzacja, która odnosi się do orientacji pola elektrycznego (E) względem ziemi. Jest to również orientacja elementów nadawczych względem podłoża. Pionowo zainstalowana antena, prostopadle do ziemi, emituje falę o polaryzacji pionowej. Tak więc antena ustawiona poziomo emituje falę spolaryzowaną poziomo.

Polaryzacja może być również kołowa. Specjalne konfiguracje, takie jak anteny spiralne lub spiralne, mogą emitować falę wirującą, tworząc wirującą falę spolaryzowaną. Antena może tworzyć kierunek obrotu w prawo lub w lewo.

W idealnym przypadku anteny zarówno nadajnika, jak i odbiornika powinny mieć taką samą polaryzację. Przy częstotliwościach poniżej około 30 MHz fala jest zwykle odbijana, załamywana, obracana lub w inny sposób modyfikowana przez atmosferę, ziemię lub inne obiekty. Dlatego dopasowanie polaryzacji po obu stronach nie jest krytyczne. Na częstotliwościach VHF, UHF i UHF polaryzacja musi być taka sama, aby zapewnić najlepszą możliwą transmisję sygnału. I zauważ, że anteny wykazują wzajemność, to znaczy, że działają równie dobrze podczas nadawania i odbioru.

Antena dipolowa lub dipolowa

Dipol to struktura półfalowa wykonana z drutu, rurki, płytka drukowana(PCB) lub inny materiał przewodzący. Jest dzielony na dwie równe ćwierć długości fali i zasilany linią transmisyjną.

Linie pokazują rozkład pól elektrycznych i magnetycznych. Jedna długość fali (λ) jest równa:

półfala:

λ / 2 = 492 / f MHz

Rzeczywista długość jest zwykle skracana w zależności od rozmiaru przewodów antenowych. Najlepsze przybliżenie do długości elektrycznej:

λ/2 = 492 K/f MHz

gdzie K jest współczynnikiem łączącym średnicę przewodnika z jego długością. To 0,95 dla anten przewodowych o częstotliwości 30 MHz lub mniejszej. Lub:

λ / 2 = 468 / f MHz

Długość w calach:

λ/2 = 5904 K/f MHz

Wartość K jest niższa dla elementów o większej średnicy. Dla półcalowej rury K wynosi 0,945. Kanał dipolowy dla 165 MHz powinien być:

λ / 2 = 5904 (0,945) / 165 = 33,81 cala

lub dwa 16,9-calowe segmenty.

Długość jest ważna, ponieważ antena jest urządzeniem rezonansowym. Aby uzyskać maksymalną wydajność promieniowania, należy go dostroić do częstotliwości roboczej. Jednak antena działa dość dobrze w wąskim zakresie częstotliwości, jak filtr rezonansowy.

Szerokość pasma dipola jest funkcją jego struktury. Zwykle definiuje się go jako zakres, w którym współczynnik fali stojącej anteny (SWR) jest mniejszy niż 2:1. VSWR jest określany na podstawie ilości sygnału odbitego od urządzenia z powrotem wzdłuż linii transmisyjnej, która je zasila. Jest to funkcja impedancji anteny w stosunku do impedancji linii transmisyjnej.

Idealną linią transmisyjną jest zbalansowana para przewodząca o impedancji 75 omów. Możesz także użyć kabel koncentryczny o impedancji charakterystycznej 75 Ohm (Zo). Można również użyć kabla koncentrycznego o impedancji charakterystycznej 50 omów, ponieważ dobrze pasuje do anteny, jeśli jest ona mniejsza niż połowa długości fali nad ziemią.

Kabel koncentryczny jest linią niezrównoważoną, ponieważ prąd RF będzie płynął poza ekranem koncentrycznym, powodując niepożądane indukowane zakłócenia w pobliskich urządzeniach, chociaż antena będzie działać dość dobrze. Najlepszą metodą zasilania jest użycie baluna w punkcie zasilania z kablem koncentrycznym. Transformator równoważący to urządzenie transformatorowe, które przekształca sygnały symetryczne na sygnały niesymetryczne lub odwrotnie.

Dipol można montować poziomo lub pionowo w zależności od pożądanej polaryzacji. Linia zasilająca powinna idealnie przebiegać prostopadle do elementów promieniujących, aby uniknąć zniekształcenia promieniowania, dlatego dipol jest najczęściej zorientowany poziomo.

Charakterystyka promieniowania sygnału antenowego zależy od jej budowy i instalacji. Promieniowanie fizyczne jest trójwymiarowe, ale zwykle jest reprezentowane zarówno przez poziomy, jak i pionowe wzorce promieniowania.

Poziomy wzór kierunkowy dipola to ósemka (rysunek 3). Na antenie pojawia się maksymalny sygnał. Rysunek 4 przedstawia pionową charakterystykę promieniowania. Są to idealne wzory, które łatwo zniekształcają podłoże i znajdujące się w pobliżu obiekty.

Wzmocnienie anteny jest związane z kierunkowością. Wzmocnienie jest zwykle wyrażane w decybelach (dB) z pewnym odniesieniem, takim jak antena izotropowa, która jest punktowym źródłem energii o częstotliwości radiowej, która emituje sygnał we wszystkich kierunkach. Pomyśl o punktowym źródle światła oświetlającym wnętrze rozszerzającej się kuli. Antena izotropowa ma wzmocnienie 1 lub 0 dB.

Jeśli nadajnik tworzy lub skupia charakterystykę promieniowania i czyni ją bardziej kierunkową, ma izotropowy zysk anteny. Dipol ma wzmocnienie izotropowe 2,16 dBi. W niektórych przypadkach wzmocnienie jest wyrażane jako funkcja odniesienia dipola w dBd.

Antena pionowa z dodatkowymi poziomymi odbłyśnikami

To urządzenie jest zasadniczo połową dipola zamontowanego pionowo. Termin monopol jest również używany do opisania tego ustawienia. Drugą połowę anteny stanowi grunt pod anteną, powierzchnia przewodząca o najmniejszym promieniu λ/4 lub układ przewodników λ/4 zwany promieniowym (rysunek 5).

Jeśli antena jest podłączona do dobrego uziemienia, nazywa się ją anteną Marconi. Główną konstrukcją jest druga połowa nadajnika λ/4. Jeśli płaszczyzna uziemienia ma wystarczającą wielkość i przewodność, wówczas wydajność uziemienia jest równoważna z dipolem zamontowanym pionowo.

Ćwierćfalowa długość pionowa:

λ / 4 = 246 K / f MHz

Współczynnik K jest mniejszy niż 0,95 dla pionów, które zwykle są wykonane z szerszą rurą.

Impedancja punktu zasilania wynosi pół dipola lub około 36 omów. Rzeczywista liczba zależy od wysokości nad ziemią. Podobnie jak dipol, płaszczyzna uziemienia jest rezonansowa i zwykle zawiera element reaktywny w swojej podstawowej impedancji. Najpopularniejszą linią transmisyjną jest kabel koncentryczny 50 Ω, ponieważ stosunkowo dobrze dopasowuje impedancję anteny do VSWR poniżej 2:1.

Antena pionowa z dodatkowym elementem odblaskowym jest bezkierunkowa. Pozioma charakterystyka promieniowania to okrąg, w którym urządzenie emituje sygnał równie dobrze we wszystkich kierunkach. Rysunek 6 przedstawia pionową charakterystykę promieniowania. W porównaniu do pionowego wzorca kierunkowego dipola, płaszczyzna uziemienia ma mniejszy kąt promieniowania, co ma tę zaletę, że jest szerszy rozrzut przy częstotliwościach poniżej około 50 MHz.

wnioski

Ponadto można wykonać dwie lub więcej anten pionowych z dodatkowym elementem odblaskowym, aby uzyskać bardziej kierunkowy wzmocniony sygnał. Na przykład radio kierunkowe AM wykorzystuje dwie lub więcej wież do kierowania silnego sygnału w jednym kierunku, jednocześnie tłumiąc go w drugim.

Stosunek fali stojącej

Fale stojące to wzorce dystrybucji napięcia i prądu wzdłuż linii przesyłowej. Jeżeli impedancja charakterystyczna (Zo) linii odpowiada impedancji wyjściowej generatora (nadajnika) i obciążeniu anteny, napięcie i prąd wzdłuż linii są stałe. Przy dopasowanej impedancji występuje maksymalny transfer mocy.

Jeśli obciążenie anteny nie odpowiada impedancji linii, nie cała przesyłana moc jest pochłaniana przez obciążenie. Każda moc, która nie została pochłonięta przez antenę, jest odbijana z powrotem wzdłuż linii, zakłócając sygnał stały i powodując zmiany prądu i napięcia wzdłuż linii. Te odmiany to fale stojące.

Miarą tej rozbieżności jest współczynnik fali stojącej (SWR). VSWR jest zwykle wyrażany jako stosunek wartości maksymalnych i minimalnych wartości prądu przewodzenia i wstecznego lub napięcia wzdłuż linii:

VSWR = I max / I min = V max / V min

Inne więcej w prosty sposób do wyrażenia SWR jest stosunkiem impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej (Zo) do impedancji anteny (R):

SWR = Z0 / R lub R / Z0

w zależności od tego, która impedancja jest większa.

Idealny SWR to 1:1. SWR 2 do 1 oznacza 10% mocy odbitej, co oznacza, że ​​90% transmitowanej mocy trafia do anteny. VSWR 2:1 jest ogólnie uważany za maksymalny akceptowalny dla większości efektywna praca systemy.