Dipolo (antena)

Dipoloa irrati-maiztasuneko uhinak transmititzeko edo jasotzeko erabiltzen den antena da. Ikuspuntu teorikotik, antena hauek sinpleenak dira.

Dipolo motak

Dipolo bakuna

Dipolo antenaren bertsio bakunena da bi elementu eroale zuzen kolinealek osatzen dutena, luzera berekoak direnak eta erdian elikatuta daudenak.

Dipoloaren luzera haren erresonantzia-maiztasunaren uhin-luzeraren erdia da. 150/frekuentzia (MHz) gisa kalkula daiteke eta emaitza metrotan emango da.

Ertzek eragiten duten efektuaren ondorioz, benetako luzera % 95 baino txikiagoa izango da.

• Adibidez: 10 m-ko bandan eta 28,9 MHz-eko maiztasuna duen antena erresonante bat lortzeko, teorikoki 5,21 metroko dipoloa beharko da. Praktikan, berriz, dipoloaren benetako luzera 4,95 m ingurukoa izango da.

Dipoloaren benetako luzera erresonantzia-maiztasunean beste parametro askoren araberakoa izango da, adibidez, eroalearen diametroa edo hurbileko beste eroale batzuen presentzia.

Egoera ideal batean dipolo bakunaren inpedantzia 73 ohmekoa da.

V alderantzikatutako dipoloa

Dipolo bakuneko besoak simetria-planoarekiko angelu berean tolesten direnean sortzen den antena da. V alderantzikatu baten forma du.

Kontu handiz eraiki behar da. Brault eta Piat-ek^[1] 120 gradutik gorako angelua erabiltzea gomendatzen dute.

Dipolo tolestua

Dipolo mota honek bere besoak erditik tolestuta eta atzeratuta ditu eta muturrak lotuta daude. Bere inpedantzia 300 ohmekoa da.

Dipolo tolestua bi elementuz osatutako antena bat da. Elementu bat zuzenean elikatzen da; besteak, berriz, akoplamendu induktiboa du muturretan. Elementu bakoitzak uhin luzearen erdia neurtzen du.

Beso tolestuetako dipoloa

Dipolo mota honek besoaren muturraren zati bat tolestuta dauka. Horren ondorioz, lekua aurreztea lortzen du, dipoloak eraginkortasuna galtzearen truke.

Elektrikoki laburtutako dipoloa

Dipolo mota honetan beso bakoitzaren segmentu bat (adibidez, erdiko herena) solenoide batez ordezkatuta dago. Horrek dipoloa asko laburtzen du, eraginkortasuna, inpedantzia edo banda-zabalera galtzearen truke.

Dipolo elementala

Dipolo elementala^[2][3] ${\displaystyle \scriptstyle {\delta \ell }}$ luzera txikia duen eroalea da (${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$ uhin luzerarekin alderatuta), non ${\displaystyle \scriptstyle {I=Re[I_{\circ }e^{j\omega t}]}}$ korronteak zirkulatzen duen.

${\displaystyle \scriptstyle {\omega =2\pi F}}$ pultsazioa da, ${\displaystyle \scriptstyle {F}}$ maiztasuna eta ${\displaystyle \scriptstyle {j}}$ = ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {-1}}}$ zenbaki irudikaria. Inpedantziekin lan egiteko erabiltzen den notazio bera da.

Dipolo elemental^[4] hau egitea ia ezinezkoa da. Zeharkatzen duen korrontea nonbaitetik etorri eta irten behar da. Antena erreal baten eroale-segmentuetan zatitu daiteke kalkuluak egin ahal izateko. Uhin elektromagnetiko erradialaren eremu elektriko urruna, eroale zati txikiaren ondorioz, ${\displaystyle \scriptstyle {E_{\theta }}}$ erraz kalkula daiteke:

• ${\displaystyle \scriptstyle {\varepsilon _{\circ }}}$ permitibitate konstantea da, hutsean
• ${\displaystyle \scriptstyle {c}}$ argiaren abiadura konstantea da
• ${\displaystyle \scriptstyle {r}}$ dipolaren eta ${\displaystyle \scriptstyle {E_{\theta }}}$-ren, ebaluatzen gauden puntuaren, arteko distantzia.
• ${\displaystyle \scriptstyle {k}}$ uhin-zenbaki da ${\displaystyle \scriptstyle {k={2\pi \over \lambda }}}$

${\displaystyle e\,}$-ren berretzaileak eremu elektrikoaren fase aldaketaren berri ematen du, denboraren eta dipolo distantziaren arabera.

Uhin elektromagnetikoaren eremu elektriko urruna perpendikularra da ${\displaystyle \scriptstyle {E_{\theta }}}$ eroalearekiko koplanarioarekiko eta lotzen dituen lerroekiko. Demagun dipoloa esfera baten erdian dagoela eta ipar-hego ardatzarekin lerrokatuta; orduan, eremu elektriko urrunak meridianoen norabidea izango du eta eremu magnetiko urruna paralelo norabidean egongo da.

Dipolo motza

Dipolo motza bi eroalez osaturik dagoen dipoloa da: eroalearen ${\displaystyle \scriptstyle {L}}$ luzera oso txikia da, uhin-luzerarekin alderatua. Bi eroaleak dipoloaren erdian elikatzen dira (ikusi marrazkia). Abiapuntu gisa, Suposatuko da, korronte maximoa dipoloaren erdian egongo dela (bertan elikatuta dago) eta korronte hau linealki txikituko da dipoloaren besoetan. Dipoloaren bi besoetan korrontea norabide berean mugitzen da: eskuinerantz bietan, edo ezkerrerantz bietan.

Dipolo honek igorritzen duen uhin elektromagnetikoaren eremu urruna da:

Igorpena maximoa da dipoloarekiko perpendikularra den planoan eta zero eroaleen norabidean (korrontearen norabidean). Emisio-diagramaren sekzio zirkularrak toru forma du eta barne-erradioa nulua da. Ezkerreko irudian dipoloa bertikalean dago eta torua erdian.

Eremu elektriko honetatik abiatuta, dipoloak erradiatutako potentzia osoa kalkula daiteke. Azkenik, dipoloaren inpedantziaren zati erresistiboa kalkula daiteke:

Dipoloaren irabazia

Antena baten irabazia potentziaren eta azalera-unitatearen arteko erlazioa da, emandako antena eta erreferentziatzat hartzen den antena isotropa baten artean, biak potentzia berarekin elikatuak:

${\displaystyle G={\left({P \over S}\right)_{ant} \over {\left({P \over S}\right)_{iso}}}}$

Honako hau da uhin elektromagnetiko batek garraiatzen duen potentzia azalera unitarioko:

${\displaystyle \textstyle {\left({P \over S}\right)_{ant}}=\textstyle {1 \over 2}c\varepsilon _{\circ }E_{\theta }^{2}\simeq \textstyle {1 \over 120\pi }E_{\theta }^{2}}$

Antena isotropiko bat potentzia berarekin elikatzen denean lortzen den potentzia azalera unitarioa:

${\displaystyle \textstyle {\left({P \over S}\right)_{iso}}=\textstyle {{1 \over 2}R_{serie}I_{\circ }^{2} \over 4\pi r^{2}}}$

Dipolo motzaren kasuan, balioak ordezten direnean, azken emaitza honako hau da:

${\displaystyle G=\textstyle {\pi \left({L \over \lambda }\right)^{2} \over \varepsilon _{\circ }c{2\pi \over 3\varepsilon _{\circ }c}\left({L \over \lambda }\right)^{2}}}$ = 1,5 = 1,76 dBi

dBi-ak dezibelak dira, antena isotropa batekiko irabazia dela gogorarazteko i bat eransten zaio. dBd-en eta dBi-ren artean 2,15 dB aldea dago (adibidez, 12 dBd 14,15 dBi dira). dBd berriz, uhin erdiko dipoloarekin lortutatako irabazia da.

Dipoloaren banda zabala

Dipolo baten  uhin erdiko luzeraren potentzia normalizatua dipoloaren banda estu erlatiboan frogatzen da. Banda-zabalera % 15 ingurukoa dela ikusten da eta, beraz, dipoloak banda estua duela frogatzen da. Baieztapen horretara iristeko, uhin erdiko dipoloaren potentziaren formulan oinarritzen da: ${\displaystyle P_{d}\cong {\frac {15\cdot I_{m}^{2}}{\pi \cdot r^{2}}}\left[{\frac {cos(\beta \cdot L\cdot cos(\theta ))-cos(\beta \cdot L)}{sin(\theta )}}\right]^{2}}$

non ${\displaystyle \beta ={\frac {2\cdot \pi }{\lambda }}}$

Horrela, uhin-luzeraren eta antenaren luzeraren arteko erlazioa lortzen da. Erlazio hau aldatuz, dipoloaren potentzia banaketa-grafikoa lortzen da, lan-maiztasunaren arabera.

Uhin-erdiko dipoloa ${\displaystyle (\lambda /2)}$

Dipoloa ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda \over 2}}$ bi eroalez osatutako antena bat da. Eroale horiek uhin-luzeraren erdia neurtzen dute. Antenaren inpedantzia ez dagokio ez maximo, ez minimo bati. Ez da erreala ere, nahiz eta hurbileko luzera batetik (${\displaystyle \scriptstyle {0,46\lambda }}$ aldera) zati irudikaria zero ingurukoa den. Luzera horren berezitasun bakarra formula trigonometrikoak sinplifikatu egiten dira eta erradiazio-diagrama uniformea lortzen da. ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda \over 2}}$ dipoloaren kasuan, dipoloan zehar dagoen korrontearen anplitudeak forma sinusoidala duela hipotesitzat hartzen da:

${\displaystyle I=I_{0}e^{j\omega t}\cos \left(k\ell \right)}$

${\displaystyle I_{0}}$ dipolotik zirkulatzen duen intentsitatearen puntako balioa da.

${\displaystyle \omega =2\pi f}$

${\displaystyle k={2\pi }/{\lambda }\;}$

${\displaystyle l}$ intentsitatea neurtzen den tokia da.

Honenbestez, ${\displaystyle \scriptstyle {\ell =0}}$, korronteak ${\displaystyle I_{0}}$ balio du eta ${\displaystyle \scriptstyle {\ell ={\lambda \over 4}}}$rako korronteak zero.

Eremu urruneko ${\displaystyle (r>>3\lambda )}$ sinplifikazioa eginda ere, adierazpena konplexua da:

${\displaystyle E_{\theta }=j\eta _{0}{\frac {I_{0}}{2\pi r}}{\frac {\cos \left({\frac {\pi }{2}}\cos \theta \right)}{\sin \theta }}\cdot e^{-jkr}}$

${\displaystyle \textstyle {\cos \left(\scriptstyle {\pi \over 2}\cos \theta \right) \over \sin \theta }}$ zatikia ${\displaystyle \scriptstyle {\sin \theta }}$ hurbilduko da. Emaitza toru forma duen emisio-diagrama izango da.

Ezkerreko irudiak emisio-diagramaren sekzioa erakusten du. Biak oso antzekoak direla egiaztatu da.

Oraingoan ezin da antenak igorritako potentzia osoa analitikoki kalkulatu. Beraz, hurrengo adierazpenetatik lortuko da:

${\displaystyle p_{t}=\int \limits _{0}^{2\pi }{\int \limits _{0}^{\pi }{\frac {\eta _{0}I_{0}^{2}}{8\pi ^{2}r^{2}}}}\cdot {\frac {\cos ^{2}\left({\frac {\pi }{2}}\cos \theta \right)}{\sin ^{2}\theta }}{\widehat {r}}\cdot \underbrace {r^{2}\sin \theta \cdot d\theta \cdot d\varphi \cdot {\widehat {r}}} _{\overrightarrow {dS}}=}$

${\displaystyle ={\frac {\eta _{0}I_{0}^{2}}{4\pi }}\int \limits _{0}^{\pi }{\frac {\cos ^{2}\left({\frac {\pi }{2}}\cos \theta \right)}{\sin \theta }}d\theta \approx {\frac {120\pi I_{0}^{2}}{4\pi }}\cdot {\text{1}}{\text{.2188=36}}{\text{.564 }}\!\!\cdot \!\!{\text{ }}I_{0}^{2}}$

Erradiazio-erresistentzia (edo serieko erresistentzia) kalkulatzeko hurrengo adierazpena behar da:

${\displaystyle p_{t}={\frac {1}{2}}I_{0}^{2}R_{serie}\to R_{serie}={\frac {2p_{t}}{I_{0}^{2}}}\approx 73.128\Omega }$

Hala ere, horrek antenaren inpedantziaren zati erreala (erresistentzia) bakarrik kalkulatzen du. Erosoena neurtzea da. Eskuineko irudian ${\displaystyle \scriptstyle {0,4\lambda }}$ eta ${\displaystyle \scriptstyle {0,6\lambda }}$arteko neurrien inpedantzia zati erreala eta irudikaria adierazten dira.

Antena honen irabazia:

${\displaystyle \textstyle {G={120 \over R_{serie}}={120 \over 73}}}$= 1,64 = 2,15 dBi = 0 dBd

Beste luzera batzuetako dipoloen irabaziak (irabazia ez dago dB-tan):

Dipolo antenaren irabazia
Luzera ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$-n	Irabazia
L ${\displaystyle \scriptstyle {\ll \lambda }}$	1.50
0.5	1.64
1.0	1.80
1.5	2.00
2.0	2.30
3.0	2.80
4.0	3.50
8.0	7.10

Propietate elektrikoak

Tentsioa eta korrontea

Dipoloaren erresonantzia-maiztasunean, puntu ertainean, tentsio-nodoa eta korronte-sabela dago. Hau esan nahi du:

• Dipoloaren bataz besteko korrontea erdian maximoa da eta muturrera hurbiltzean txikitu egiten da zero egin arte.
• Batazbesteko tentsioa zero da erdian eta muturrera hurbiltzean handitu egiten da maximoa egin arte.

Emisio-diagrama

Dipolo antenak ez du norabide guztietan potentzia berarekin irradiatzen; orduan antena direkzional bat dela esaten da.

• Potentzia maximoarekin irradiatzen den norabidean, uhin elektromagnetikoak 2,2 dB-ko potentzia du batazbestekoaren gainetik. Dipoloaren irabazia deitzen zaio norabiderik onenean irradiatutako potentziaren eta batazbesteko potentziaren arteko 2,2 dB-ko erlazio horri.
• Beste norabide batzuetan, dipoloak batazbestekoa baino energia gutxiago irradiatu behar du; antena dipoloak ez du potentziarik sortzen.

Polarizazioa

Antena baten polarizazioa bere eremu elektrikoaren norabidearen araberakoa da eta beti lurra jartzen da erreferentzia gisa. Polarizazio horizontala lurreko eremu elektriko horizontalarekiko paraleloa da.

• Dipolo antena lurraren planoarekiko paraleloa denean, uhinaren osagai elektrikoa lurraren planoarekiko paraleloa da: polarizazio horizontala duela esaten da.
• Dipolo antena lurraren planoarekiko perpendikularra denean, uhinaren osagai elektrikoa lurraren planoarekiko perpendikularra da: polarizazio bertikala duela esaten da.

Inpedantzia

• Oinarrizko dipolo baten inpedantzia 73 ohmekoa da. Praktikan, inpedantzia erreala, luzeraren araberakoa izango da.

• Dipolo tolestu baten inpedantzia ideala 300 ohmekoa da.

Yagi antena

Dipolo bati aurreko aldean parasito zuzendari bat jartzen zaionean eta beste parasito islatzaile bat atzeko aldean, pixka bat luzeagoa, Yagi antena bat lortzen da.

Mozketa elektrikoa

• Dipolo erreal bat ideala baino % 5 txikiagoa da. Ertzetako efektu horri mozketa elektrikoa deritzo.

Dipolo deribazioa

Yagi antena

Dipolo bati beste elementu bat edo batzuk (hagaxka edo hodia) aurretik jartzean (bideratzaileak) atzekoan baino laburragoak izan behar dira.

(bakoitza aurrekoa baino % 5 laburragoa eta aurrekoa baino pixka bat bereiziagoa, hurrenez hurren), eta beste elementu bat (hagaxka edo hodia) atzean, erreflektoreak, pixka bat luzeagoa (% 5 ere) eta 0.10 eta 0.25 bitarteko uhin-distantziara, Yagi antena bat lortzen da.

Dipoloaren eginkizuna seinaleak hartzea da. Beharrezkoa den kanalaren maiztasunean, erresonantzian, sartzeko neurri egokiak edukiko ditu.

Dipolo atzean dagoen erreflektoreak atzetik etor daitekeen seinalea oztopatu egiten du. Era berean, aurretik datorrena indartu egiten du.

Erreflektore bakarra, bikoitza edo pantaila modukoa izan daiteke, eraginkortasuna handitzeko.

Dipolo aurrean jarritako barra bideratzaileek seinaleen uhin-sorta estutu egiten dute, eta aldi berean luzatu ere bai. Horrela, urrundik datorren seinalea hobeto jaso daiteke. Antena bera norabidetasun handiagokoa denez, alboetatik datozen eta nahi ez diren seinaleak errazago ezaba daitezke.

Moxon antena

Antena mota hau, Yagi antena bezala, bi elementu parasitoz osaturik dago.

Diseinu angeluzuzena du; angeluzuzen horretatik erdia baino pixka bat gutxiago da elementu bideratzailea, eta beste zatia (erdia baino gehiago) da erreflektorea.

Spiderbeam antena

Spiderbeam antena, antena arina, multibanda eta garraiagarria da. Spiderbeam antena oinarrizko dipoloaren aldaketa konplexuagoa da funtsean, armiarma-sare itxurakoa eta telekomunikazioetan oso erabilia.

HB9CV antena

Rudolf Baumgartnerrek, HB9CV irrati-zale suitzarrak, 50eko hamarkadan sortu zuen. Antena hau elementu batez eta haren islatzaileaz osatutako antena da. Eroalea eta islatzailea eroale batez lotuta daude fase-aldaketa bat lortzeko. Irabazi-propietate eta aurreko/ondorengo irabazi-erlazioa bikainak ditu. Bere neurrien ondorioz VHFn eta UHFn erabiltzen da.

Panel-antena

Lurreko telebista-seinaleak jasotzeko oso erabilia da. Antena horrek dipolo-kopuru bikoitia darama (2 edo 4, kasu gehienetan).

Dipoloen eraginak handitu egiten dira eta, horrela, irabazi ertaineko eta banda-zabalera oneko antena lortzen da.

Erreferentziak

Ikus, gainera

• Antena
• Elektrizitate
• Dipolo

Kanpo estekak

• Antena Erresonantzia & Bytes Fmuser
• Lurreko eta satelite telebista-seinaleak hartzea Elhuyar

• Datuak: Q1126859
• Multimedia: Dipole antennas / Q1126859