آنتن دوقطبی

آنتن دو قطبی

آنتن رادیویی است که از یک سیم ساده با یک عنصر خودکار مرکزی تشکیل شده است.این سیستم شامل دو فلز رسانای سیمی است که به صورت موازی و در یک خط در فاصله نزدیکی از هم نسبت به هم می چرخند. همچنین یک ولتاژ نوسانی به مرکز آنتن، بین دو سیم اعمال می شود.این آنتن یکی از ساده‌ترین آنتن هایی است که از دیدگاه تئوری قابل حل و دارای نتایج کامل است. به همین دلیل دارای اهمیت است. این آنتن توسط فیزیکدان آلمانی Heinrich Hertz اختراع شد و در سال ۱۸۸۶ پیشگام کارهای آزمایشی آن بود.

A schematic of a half-wave dipole antenna that a shortwave listener might build.

هاینریش هرتز برای اولین بار امواج رادیویی را توسط آنتن دوقطبی ارسال و دریافت کرد. جیمز کلارک ماکسول با محاسبات ریاضی این پدیده رادر سال ۱۸۶۴ پیش بینی کرد.بین سال ۱۸۸۵ تا ۱۸۸۹ یک دانشمند فیزیک در پلی تکنیک Karlsruhe در آلمان، توانست امواج الکترومغناطیس را در آزمایشکاه پدید آورده و طول موج و سرعت آن راد محاسبه کند.او نتیجه گرفت که امواج نورانی نیز تابش الکترومغناطیس هستند و از معادلات ماکسول پیروی می‌کنند. تمام این یافته‌ها را اولین بار در یک مجله علمی به نام «Annalen der Physik» منتشر کرد.

کاربرد

نوع پرکاربرد این آنتن که آنتن نیم‌موج نامیده می‌شود از دو میله به طول یک چهارم طول موج ارسالی یا دریافتی بهره میگیرد. در مجموع این آنتن طولی برابر نصف طول موج دارد.

آنتن دوقطبی کاربرد وسیعی در ارسال امواج رادیو تلویزیونی دارد. با استفاده از آنتن دوقطبی می‌توان امواج را با قطبش فرستاد به شکلی که می‌توان از طیف فرکانسی استفاده دوچندان کرد. این روش بویژه در ارسال سیگنال ماهواره بسیار استفاده میشود.

عناصر قرینه

یک عنصر قرینه یک قطعه کوچک رساناست که جریان متغیری را حمل می کند.

$\scriptstyle{I=I_\circ e^{i\omega t}}.$

توجه شود که دو قطبی به طور فیزیکی قابل ساختن نیست زیرا در واقعیت برای تولید جریان نیاز به نقطه ای برای وارد شدن جریان و یک نقطه برای خارج شدن جریان است. اما به طور واقعی تر، یک قطعه کوچک از سیم را که قسمتی از یک چند قطبی است را به عنوان دو قطبی در نظر می گیریم و به همین دلیل مجبور هستیم که یک آنتن واقعی را به قسمت‌های کوچکی تقسیم کنیم تا بتوان آن را به طور تحلیلی مورد محاسبه قرار دهیم. با این تصور می توان که میدان الکتریکی دور (در فاصله دور) موج الکترومغناطیسی هر کدام از عناصر قرینه را می توان بدست آورد که با مقداری محاسبه به معادله زیر می رسیم:

$E_\theta={{-iI_\circ\sin\theta}\over 2\varepsilon_\circ c r}{\delta \ell\over\lambda}e^{i\left(\omega t-kr\right)}$

که در آن $\scriptstyle{E_\theta}$ قسمت زاویه ی(شکل دو قطبی) میدان الکتریکی است و $\scriptstyle{r}$ فاصله نقطه مشاهده تا مرکز دو قطبی است و$\scriptstyle{k}$ بردار موج است.با جمع کردن همه $\scriptstyle{E_\theta}$ها می توان میدان دور کل یک آنتن را بدست آورد.

میدان نزدیک

در رابطه بالا میدان الکتریکی دور را بدست آوردیم، اما با مقداری محاسبه متفاوت برای میدان نزدیک ( نقطه مشاهده از طول موج کوچکتر باشد) معادلات زیر بدست می آیند:

$E_r=\frac{Z}{2\pi}\,I_0\,\delta l\left(\frac{1}{r^2}-i\,\frac{\lambda}{2\pi\,r^3} \right) e^{i(\omega t-k\,r)}\,\cos(\theta)$

$E_\theta=i\frac{Z}{2\lambda}\,I_0\,\delta l\left(\frac{1}{r}-i\,\frac{\lambda}{2\pi\,r^2}-\frac{\lambda^2}{4\pi^2\,r^3} \right) e^{i(\omega t-k\,r)}\,\sin(\theta)$

$H_\phi=i\frac{1}{2\lambda}\,I_0\,\delta l\left(\frac{1}{r}-i\,\frac{\lambda}{2\pi\,r^2} \right) e^{i(\omega t-k\,r)}\,\sin(\theta)$

که در آن $Z=\sqrt{\mu/\varepsilon}=1/(\varepsilon\,c)=\mu\,c$ است.

دو قطبی کوتاه

یک دو قطبی کوتاه به صورت فیزیکی به شکل دو رسانای با طول کل L که در مقایسه با طول موج بسیار کوچک است در نظر گرفته می شود. دو سیم رسانا در مرکز دو قطبی با هم موازی می شوند. همچنین فرض می کنیم که جریان در مرکز دو قطبی بیشینه است و به طور خطی در انتهای سیم به صفر میل می کند.توجه شود که جهت جریان در هردو شاخه آنتن هم جهت هستند.

همچنین میدان دور به صورت زیر بدست می آید:

$E_\theta={-iI_\circ\sin\theta\over 4\varepsilon_\circ c r}{L\over\lambda}e^{i\left(\omega t-kr\right)}.$

تابشی در جهت عمود بر آنتن بیشینه است و در جهت سیم مقدار صفر دارد. شکل تابش به صورت یک چنبره ی دایره ای است که سطح مقطع داخلی چنبره صفر است.

با دانستن میدان الکتریکی می توان میدان تابشی کل را محاسبه کرد و همچنین قسمت مقاومت محیط که به صورت زیر است:

$R_{series}={\pi\over6}Z_0 \left({L\over\lambda}\right)^2$ (for $\scriptstyle{L \ll \lambda}$).

$Z_0$

$Z_0 = 120 \pi$ ohms

که در آن Z امپدانس خلا است.

بازده ای آنتن

نسبت توان تابشی توسط آنتن به توان یک آنتن فرضی همسانگرد را بازده می گویند.

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

همچنین داریم

$\textstyle{\left({P\over S}\right)_{ant}}=\textstyle{1\over2}c\varepsilon_\circ E_\theta^2\simeq\textstyle{{1\over120\pi}}E_\theta^2$

و همچنین

$\textstyle{\left({P\over S}\right)_{iso}}=\textstyle{{1\over2} R_{series}I_\circ^2\over4\pi r^2}$ $G=\textstyle{{\pi\left({L\over\lambda}\right)^2\over \varepsilon_\circ c{2\pi\over3\varepsilon_\circ c}\left({L\over\lambda} \right)^2}}$ = ۱.۵ = ۱.۷۶ dBi

منابع

ترجمه شده از http://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna مهرناز خلخالی