Что такое диполь антенна
Основные виды приёмо-передающих антенн.
Полуволновый симметричный диполь, многодиапазонная антенна Windom,
несимметричный вибратор, штыревая антенна.
Классификация различных типов антенн и их основные характеристики.
Среди огромного набора радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров антенн, отметим несколько наиболее важных:
— коэффициент усиления (КУ) антенны,
— диаграмма направленности (ДН) и её тип,
— входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи,
— резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования).
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН:
Полуволновый диполь (Рис.1) является самым распространённым резонансным устройством среди антенн. Он служит точкой опоры для оценки усиления любого типа антенны. А это означает, что его усиление составляет 1 (или 0дБ).
Рис.1 Полуволновой вибратор
Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, представляет собой восьмёрку, расположенную перпендикулярно антенне (Рис.2 а). В вертикальной плоскости (Рис.2 б), диаграмма в свободном пространстве представляет собой окружность.
Рис.2 а) диаграмма направленности в горизонтальной, б) в вертикальной плоскости
— Рабочая полоса частот полуволнового симметричного диполя по уровню КСВ
Стационарные четвертьволновые вибраторы нуждаются в земле или системе противовесов.
Длина противовесов определяет резонансную частоту антенны, хотя и не так сильно, как длина активного (излучающего) элемента.
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
Антенна диполь на Си-Би
Что может быть проще диполя? Наверное, ничего. Это самая простая в изготовлении антенна доступная большинству радиолюбителей. Ее просто рассчитать, просто изготовить, просто настроить и еще проще использовать. Вышло так, что в лаборатории журнала у меня не было никакой антенны где-то год, и вот недавно я решил, что хватит это терпеть!
В этой статье я расскажу, как рассчитать, из чего и как изготовить простую дипольную антенну на 27 МГц. Покажу весь ход построения антенны, от идеи до законченного изделия. Антенна проектировалась с расчетом на долгую не обслуживаемую эксплуатацию и поэтому вниманию защиты от пагубного воздействия атмосферы было уделено много внимания. Кроме того правильный диполь должен обязательно запитываться через балун. Что это такое и с чем его едят, читайте ниже.
Техническое задание
Условия, в которых предполагается использовать антенну, не самые благоприятные. Крыша двухэтажного здания. Не доминантная высота. Вокруг высотных зданий не много, но они есть. Мягкая кровля. В маневре мы ограничены с той точки зрения, что самовольно попадать на крышу проблематично, закрепить антенны выше уровня крыши тоже достаточно сложно, для этого нет никаких конструкций, а новые городить никто не даст. Единственно, разрешили вбить в стену крюк над окном, и на том спасибо. В общем, рассчитывать на великую дальнобойность подобной антенны не приходится, просто даже исходя из условий размещения.
Кроме того, антенна не должна никому мешать эксплуатировать кровлю. На крышу частенько заходят всяческие организации, следящие за состоянием кровли и кондиционеров и прочего оборудования. Короче, условия – отстой, но антенну все равно хочется. 
Поэтому был выбран самый простой вариант – диполь.
Что такое диполь
Диполь – симметричный вибратор, простейшая и наиболее распространённая на практике антенна. В самом простом варианте представляет собой прямолинейный проводник длиной в половину длины волны и питаемый в середине от генератора токами высокой частоты.
Иными словами, это два одинаковых куска провода растянутые в пространстве последовательно, друг за другом. Но в центре этой конструкции, точке их соединения к ним подключается кабель, по которому сигнал будет идти от диполя в трансивер и от трансивера в диполь. Все просто. Диполь может быть как вертикальный, так и горизонтальный. При этом поляризация волн принимаемых и излучаемых такой антенной будет меняться сообразно ориентации диполя. Вертикальный диполь – вертикальная поляризация (целесообразно использовать для местных связей), горизонтальный диполь (целесообразно использовать для дальних связей). Диполь, натянутый под углом, имеет обе составляющие.
Проект и расчет
Прежде чем брать в руки инструменты и начинать что-то делать не плохо бы посчитать какого же размера нам нужен диполь, кроме того, это поможет нам рассчитать количество провода который мы будем использовать для лучей диполя.
Надо понимать, что действительная (геометрическая) длина диполя несколько меньше чем рассчитанная формуле. Это связано с тем, что на концах антенны возникает емкостный ток, который эквивалентен увеличению ее длины. Необходимую длину диполя, с учетом соответствующего коэффициента укорочения можно посчитать по всяким умным формулам, которые я приводить не буду, а можно воспользоваться более технологичными средствами и привлечь к нашему творчеству программу моделировщик MMANA. И если Вы, будучи радиолюбителем ее, по какой-то причине все еще не освоили, настоятельно рекомендую это сделать. Для проектирования и расчета простых антенн, это совершенно незаменимый инструмент.
Итак, наш проект выглядит следующим образом. Антенна диполь. Верхняя точка подвеса на высоте 3м, центр на 2,5м, нижняя точка на 2м. Не густо, с учетом того, что КСВ и параметры работы антенны дипольного типа в целом довольно сильно зависят от высоты подвеса, но выбирать особенно не из чего. Длина плеч антенны примерно 2,57м, диаметр провода 2мм (R=1мм).
Вбиваем эти данные в моделировщик и получаем следующее.
Считаем параметры для частоты 27.200МГц. Центральная частота центральной сетки.
Похоже на правду, с учетом того, что диполь в свободном пространстве имеет сопротивление около 75Ом, что соответствует КСВ=1,5. Меня это вполне устраивает.
КСВ, а также активная и реактивная составляющая импеданса. Параметры для нашей антенны вполне подходящие.
Диаграмма направленности. Антенна при данном размещении будет по большей части зенитного излучения. Это следствие низкого подвеса, но тут уж ничего не поделаешь.
Питать антенну мы будем не просто через коаксиальный кабель, а через балансировочное устройство (балун). Балун это симметрирующий трансформатор. Называется так из-за использования в названии сокращенных англицизмов. Balanced-Unbalanced. Или BalUn. (БалУн). Он необходим для питания симметричной антенны. Диполь как раз антенна симметричная, а питаться она будет не симметричной линией, коей как раз является коаксиальный кабель. Но о балуне чуть ниже. Итак, примерно прикинув, что нас ждет, можно приступать к изготовлению.
Конструктив
Для ленивых, и тех, кто хочет просто попробовать сделать такую антенну, есть вариант проще. Сразу приведу картинку позаимствованную у EU4DGC. Отдельно комментировать не буду, на ней и так все понятно. Повторите и оно заработает.
Но так как надежность конструкции у меня стояла не на последнем месте, я решил подойти к делу более основательно.
Для изготовления диполя нам в первую очередь потребуется сделать заготовку для антенны дипольного типа. Эта штука необходима для полноценной реализации балуна. Вы, конечно, можете купить готовый балун, но, на мой взгляд, сделать его своими руками проще, дешевле и интереснее.
Для конструирования нам потребуется. 
1. Сантехническая пластиковая муфта диаметром 50-55мм. Продается в сантехнических магазинах.
2. Сантехнические заглушки того же диаметра. Продаются там же.
3. Разъем типа SO-239
4. Винт-кольцо 3 штуки (М6).
5. 6 шайб и 3 гайки.
Начинаем подготовку. Сверлим отверстия в крышках-заглушках и муфте.
В муфте одной из заглушек диаметром 6мм, для крепления, и 16мм в другой, для разъема. Сверлим отверстия под креплениями и для вывода проводов которыми будем питать лучи антенны.
Монтируем крепления. В собранном виде конструкция выглядит вот так.
Теперь приступаем к изготовлению балуна.
Балун
Как я уже писал выше, балун это симетрирующее устройство позволяющее избавиться от антенного эффекта фидера. Если этого не сделать, наш кабель снижения станет полноправной частью антенны и при приеме будет работать как часть антенны, собирать сигналы, помехи и шум, а при передаче излучать. Нам это совершенно не нужно, поэтому мы изготовим балансирующее устройство на ферритовом кольце. Как мы помним, сопротивление диполя у нас около 75Ом, это значит, что для правильного согласования антенны, наш балун не должен трансформировать сопротивления, а должен просто передавать сигнал 1 к 1. Самый простой вариант балуна представлен на рисунке ниже. Он выполнен на ферритовом кольце трифилярной обмоткой.
Для изготовления такого балуна нам потребуется ферритовое кольцо, у меня нашлось с проницаемостью 600, кусок провода сечением 0,5-1мм., в закромах нашелся кусок МГТФ сечением 1мм и длиной 2,5м.
Складываем провод втрое и начинаем наматывать на кольцо. В итоге у нас должно получиться нечто вроде этого.
Фиксируем обмотку на кольце при помощи хомутов или изоленты и начинаем соединять обмотки в нужной последовательности. Готовый вариант.
Монтируем балун в нашу заготовку. И припаиваем разъем.
Собираем все вместе и в итоге у нас должна получиться вот такая конструкция.
Почти готово. Теперь нам необходимо отмерить нужное количество провода для лучей антенны и закрепить их на нашем, теперь уже балуне-заготовке. Для лучей можно использовать почти любой провод достаточной толщины, я обычно использую обычный ПВ сечением 1,5мм^2. Отмеряем по 3 метра, не смотря на то, что MMANA нам посчитала 2,57м, лучше взять с запасом и потом отрезать лишнее, чем судорожно соображать, как нарастить недостающее. Плюс, часть провода пойдет на крепление лучей к балуну и оттяжкам. Прикручиваем лучи к ушкам балуна и подсоединяем выводы нашего балуна к лучам.
После этого все хорошо пропаиваем. Собственно, сама антенна готова.
Осталось придумать из чего сделать оттяжки. Лично я для этих целей предпочитаю использовать обычный паракорд. Он крепкий, надежный и не особенно вытягивается под нагрузкой.
Пришла пора лезть на крышу и устанавливать антенну. Весь процесс выкладывать не буду, но по основным пунктам пройдусь.
Верхняя точка крепления антенны. В стену вкручен анкер-крюк.
Сама антенна и кабель снижения. Кабель – обычный RG-58 C/U длиной от точки запитки до радиостанции примерно 15м. Длина кабеля на настройку антенны не влияет.
Настройка антенны
Поскольку диполь – антенна симметричная, длина плеч антенны должна быть одинаковой! Начинать я рекомендую с той длины которая нам выдала MMANA, как правило, начав с этого можно с высокой вероятностью попасть именно туда, куда нам нужно. Отрезать полотно антенны не нужно, достаточно просто загнуть лишнюю часть параллельно полотну антенны и примотать изолентой или зафиксировать кабельной стяжкой. Возможно, для точной настройки придется несколько раз снимать и опять натягивать антенну, подгоняя длину плеч под нужную Вам частоту.
Вот что в итоге получилось у меня.
По КСВ=3 диполь имеет полосу почти 5МГц, по КСВ=2 почти 2,5МГц.
Активная и реактивная составляющие.
На мой взгляд, все не плохо.
Итог
В итоге получилась достаточно универсальная, а самое главное простая антенна на Си-Би диапазон. Расположенная в моем случае не самым лучшим образом, но, тем не менее, вполне себе работоспособная. Принимающая и передающая пусть и не так как вертикал длиной 5/8, но, на мой взгляд, это сильно лучше, чем вообще ничего. Собирается эта конструкция при наличии всех необходимых частей за час-полтора, очень быстро. Эта антенна висит за окном всего несколько дней, тестирование продолжается, пока результат меня вполне устраивает, если будут какие-то дополнения, обязательно про них напишу. Ну, или если кто-то решится повторить мой подвиг, был бы рад свежим мнениям и комментариям.
СОДЕРЖАНИЕ
История
На заре радио так называемая антенна Маркони (монополь) и дуплет (диполь) рассматривались как отдельные изобретения. Однако теперь под «монопольной» антенной понимают частный случай диполя, у которого есть виртуальный элемент «под землей».
Вариации диполя
Короткий диполь
Чтобы найти электрическое и магнитное поля в дальней зоне, создаваемые коротким диполем, мы используем результат, показанный ниже для диполя Герца (бесконечно малый элемент тока) на расстоянии r от тока и под углом θ к направлению тока, как быть:
Используя приведенное выше выражение для излучения в дальней зоне для заданного тока в точке питания, мы можем проинтегрировать по всему телесному углу, чтобы получить полную излучаемую мощность.
п общий знак равно π 12 ζ 0 я 0 2 ( L λ ) 2 <\ displaystyle P _ <\ text 
.
Дипольные антенны различной длины
Основной резонанс тонкого линейного проводника возникает на частоте, длина волны которой в свободном пространстве вдвое больше длины провода, т. Е. Проводник имеет длину 1/2 длины волны. Дипольные антенны часто используются примерно на этой частоте и поэтому называются полуволновыми дипольными антеннами. Этот важный случай рассматривается в следующем разделе.
Тонкие линейные проводники длины l фактически резонируют при любом целом кратном полуволны:
Например, двухполупериодная дипольная антенна может быть сделана с двумя проводниками на полуволновой длине, размещенными встык, на общую длину приблизительно L = λ. Это приводит к дополнительному усилению по сравнению с полуволновым диполем около 2 дБ. Полноволновые диполи могут использоваться в коротковолновом радиовещании только за счет очень большого эффективного диаметра и питания от симметричной линии с высоким импедансом. Диполи клетки часто используются для получения большого диаметра.
5/4-волновая дипольная антенна имеет гораздо более низкий, но не чисто резистивный импеданс точки питания, что требует согласования цепи с импедансом линии передачи. Его усиление примерно на 3 дБ больше, чем у полуволнового диполя, что является самым высоким коэффициентом усиления любого диполя любой подобной длины.
Диполь другой разумной длины не дает преимуществ и используется 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 21 МГц; аналогично телевизионные антенны УКВ, резонирующие в низком телевизионном диапазоне УКВ (с центром около 65 МГц), также резонируют в верхнем телевизионном диапазоне УКВ (около 195 МГц).
Полуволновой диполь
В дальней зоне это создает диаграмму направленности, электрическое поле которой определяется выражением
Фактор направленности cos [( π / 2) cos θ ] / sin θ практически не отличается от sin θ, применяемого к короткому диполю, что приводит к очень похожей диаграмме направленности, как указано выше.
(Обратите внимание, что интеграл косинуса Cin (x) не совпадает с интегралом косинуса Ci (x). И MATLAB, и Mathematica имеют встроенные функции, которые вычисляют Ci (x), но не Cin (x). См. Страницу в Википедии о косинусе интеграл для взаимосвязи между этими функциями.)
Теперь мы также можем найти радиационное сопротивление, как и для короткого диполя, решив:
п общий знак равно 1 2 я 0 2 р радиация <\ displaystyle P _ <\ text
Используя метод наведенной ЭДС, действительную часть импеданса движущей точки также можно записать через интеграл косинуса, получив тот же результат:
Если полуволновой диполь приводится в действие в точке, отличной от центра, тогда сопротивление точки питания будет выше. Сопротивление излучения обычно выражается относительно максимального тока, присутствующего на элементе 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 (центр в случае полуволнового диполя), то ток там не I 0, а только I 0 cos (kx). Чтобы обеспечить такую же мощность, напряжение в точке питания должно быть увеличено аналогичным образом на коэффициент 1 / cos (kx). Следовательно, резистивная часть импеданса Re (V / I) точки питания увеличивается в 1 / cos 2 (kx) раз:
р точка питания знак равно р радиация потому что 2 ( k Икс ) знак равно 73,1 Ω потому что 2 ( k Икс ) <\ Displaystyle R _ <\ text
Это уравнение также можно использовать для дипольных антенн другой длины при условии, что R- излучение было вычислено относительно текущего максимума, который обычно не совпадает с током в точке питания для диполей длиннее полуволны. Обратите внимание, что это уравнение нарушается при подаче питания на антенну рядом с текущим узлом, где cos (kx) приближается к нулю. Действительно, импеданс управляющей точки сильно возрастает, но, тем не менее, ограничен из-за квадратурных составляющих тока элементов, которые игнорируются в приведенной выше модели для распределения тока.
Сложенный диполь
Высокий импеданс точки питания в резонансе обусловлен тем, что для фиксированного количества мощности общий излучающий ток равен удвоенному току в каждом проводе отдельно и, таким образом, равен удвоенному току в точке питания. Мы приравниваем среднюю излучаемую мощность к средней мощности, подаваемой в точке питания, мы можем написать р fd <\ displaystyle R _ <\ text я 0 <\ displaystyle I_ <0>>
Таким образом, сложенный диполь хорошо согласован с симметричными линиями передачи с сопротивлением 300 Ом, такими как ленточный кабель с двойным питанием. Сложенный диполь имеет более широкую полосу пропускания, чем одиночный диполь. Их можно использовать для преобразования значения входного импеданса диполя в широком диапазоне коэффициентов увеличения путем изменения толщины проводников для подводящей и изогнутой сторон. Вместо изменения толщины или расстояния можно добавить третий параллельный провод, чтобы увеличить импеданс антенны в 9 раз по сравнению с однопроводным диполем, подняв импеданс до 658 Ом, что хорошо подходит для открытого кабеля подачи проволоки и дальнейшего расширения. резонансная полоса частот антенны.
Другие варианты
Вертикальные (монопольные) антенны
«Вертикальная», «Маркони» или несимметричная антенна представляет собой одноэлементную антенну, обычно питаемую снизу (со стороной экрана несбалансированной линии передачи, подключенной к земле). По сути, он ведет себя как дипольная антенна. Заземление (или плоскость заземления ) считается проводящей поверхностью, которая работает как отражатель (см. Эффект заземления ). Вертикальные токи в отраженном изображении имеют то же направление (таким образом, не отражаются от земли) и фазу, что и ток в реальной антенне. Проводник и его изображение вместе действуют как диполь в верхней половине пространства. Подобно диполю, для достижения резонанса (резистивного импеданса точки питания) проводник должен иметь высоту около четверти длины волны (как каждый проводник в полуволновом диполе).
Дипольные характеристики
Импеданс диполей разной длины
