다이폴 안테나

UHF 반파 쌍극자

항공기의 레이더 고도계에 사용되는 다이폴 안테나

전파를 수신하는 반파장 다이폴 안테나의 애니메이션 다이어그램.안테나는 수신기 R에 연결된 2개의 금속 막대로 구성됩니다.유입되는 파형의 전기장(E, 녹색 화살표)은 로드 내의 전자를 앞뒤로 밀어 단부를 양(+)과 음(-)으로 번갈아 충전합니다.안테나 길이는 파장의 절반이기 때문에 진동장이 전압(V, 빨간색 띠로 표시)과 전류의 정재파를 로드에 유도한다.진동 전류(검은색 화살표)는 전송 라인을 따라 수신기(저항 R로 표시)를 통해 흐릅니다.

무선 및 통신에서 다이폴 안테나 또는 더블렛은^[1] 가장 단순하고 널리 사용되는 ^[2]^[3]안테나 클래스입니다.다이폴은 전류가 양 ^[4]끝에 하나의 노드만 있을 정도로 통전된 라인 전류를 지원하는 복사 구조를 가진 기본 전기 다이폴과 유사한 방사선 패턴을 생성하는 안테나 중 하나입니다.쌍극자 안테나는 일반적으로 금속 와이어나 ^[3]^[6]^[7]로드와 같은 두 개의 동일한 전도성^[5] 소자로 구성됩니다.송신기의 구동 전류가 인가되거나 수신 안테나의 경우 안테나의 두 절반 사이에 수신기로의 출력 신호가 수신됩니다.송신기 또는 수신기에 대한 피드라인의 각 측면이 도체 중 하나에 접속되어 있다.이것은 단일 막대 또는 도체로 구성된 모노폴 안테나와 대비되며, 한쪽은 피드라인에 연결되어 있고 다른 한쪽은 어떤 종류의 ^[8]접지에 연결되어 있습니다.다이폴의 일반적인 예는 방송용 TV 수상기에서 볼 수 있는 "토끼 이어" 텔레비전 안테나입니다.

다이폴은 이론적인 ^[1]관점에서 가장 단순한 유형의 안테나입니다.가장 일반적으로는 길이가 같은 엔드 투 엔드의 2개의 도체로 구성되어 있으며 이들 ^[9]^[10]사이에 공급선이 연결되어 있습니다.다이폴은 공명 안테나로 자주 사용됩니다.이러한 안테나의 급전점이 단락되면 기타 줄을 뽑는 것처럼 특정 주파수로 공명할 수 있습니다.이 주파수 부근에서 안테나를 사용하는 것은 피드포인트 임피던스(및 정재파비) 측면에서 유리하기 때문에 안테나의 길이는 동작의 ^[3]의도된 파장(또는 주파수)에 따라 결정됩니다.가장 일반적으로 사용되는 것은 반파장 바로 밑의 중앙 공급 반파장 쌍극자입니다.반파장 다이폴의 방사 패턴은 도체에 대해 최대 수직이며 축방향으로 0까지 떨어지기 때문에 수직으로 설치할 경우 전방향 안테나를 구현하고 ^[11]수평일 경우 약방향 안테나를 구현합니다.

다이폴은 독립형 저이득 안테나로 사용될 수 있지만, Yagi 안테나 및 종동 어레이와 같은 보다 복잡한 안테나^[3]^[5] 설계에서는 종동 소자로도 사용됩니다.다이폴 안테나(또는 모노폴을 포함한 이러한 설계)는 경음기 안테나, 포물선 반사기 또는 코너 반사기와 같은 보다 정교한 방향성 안테나를 공급하기 위해 사용됩니다.엔지니어는 수직(또는 다른 모노폴) 안테나를 다이폴 안테나의 절반에 기초하여 분석합니다.

역사

독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 1887년에 우리가 현재 알고 있는 쌍극자 안테나(용량 끝 로딩)를 사용하여 전파의 존재를 처음으로 증명했습니다.반면에, Guglielmo Marconi는 경험적으로 안테나의 절반만 없어도 송신기(또는 사용되는 경우 전송선의 한쪽)를 접지할 수 있다는 것을 발견하여 수직 또는 모노폴 ^[8]안테나를 실현했습니다.마르코니가 장거리 통신을 위해 채용한 저주파의 경우, 이 형태는 더 실용적이었다. 라디오가 더 높은 주파수(특히 FM 라디오와 TV용 VHF 전송)로 이동했을 때, 훨씬 작은 안테나가 타워 위에 있는 것이 유리했고, 따라서 다이폴 안테나 또는 그 변형 중 하나가 필요했다.

라디오 초창기에는 마르코니 안테나(모노폴)와 더블렛(다이폴)이 별개의 발명품으로 여겨졌다.그러나 현재 "단극" 안테나는 "지하" 가상 요소를 가진 다이폴의 특별한 경우로 이해됩니다.

쌍극자 변화

짧은 쌍극자

짧은 쌍극자는 전체 길이 $θ$ 가 실질적으로 1/2 파장 미만인 2개의 도체에 의해 형성되는 쌍극자이다.1/ $2$ †)짧은 쌍극자는 전체 반파장 쌍극자가 너무 클 수 있는 용도로 사용되기도 합니다.이들은 허구적 실체인 헤르츠 쌍극자에 대해 아래와 같은 결과를 이용하여 쉽게 분석할 수 있다.공진 안테나(반파장 길이)보다 짧은 급전점 임피던스는 특히 송신 안테나로서 실용화하기 위해 부하 코일 또는 다른 정합 네트워크를 필요로 하는 큰 용량 리액턴스를 포함한다.

짧은 다이폴에 의해 발생하는 원거리 전기장과 자기장을 찾기 위해 전류로부터 $거리$ r 및 전류 방향에 대한 각도 $θ$ 에서 Hertzian 다이폴(미소한 전류 요소)에 대해 다음과 ^[12]같이 결과를 사용합니다.

디스플레이 스타일H_{\phi }&=j\{frac\I_{h}\ell\k\}{4\pi\r}\e^{\j\left(\obega t\-kr\right)}\sin(\theta)\\\E_{\theta }&=_{0}\H_{\phi }=j\{frac\\zeta_{0}\I_{h}\ell\k\}{4\pi r}\e^{\left(\omega t\kright)\sin(~ta)\ta.\end { aligned}}

여기서 라디에이터는 짧은 길이의 $θ$ 에 걸친 $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ h $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ {\ $displaystyle$ \ $I_{h}\ e^{\j\$ mega \ $t}\$ } $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ 로 $\ I_{h}\ e^{\ j\ \omega \ t}\$ $\ j^{2}=-1\$ 되며, $\ j^{2}=-1\$ 에서 j 2 $=$ - $\ j^{2}=-1\$ {\ $displaystyle \j^{$ 2}=- $1\}$ 은 $\ j^{2}=-1\$ "제곱근"에 대한 일반적인 $수학$ 기호 i를 $\omega \equiv 2\pi f\$ 한다. $splaystyle \ega \equiv$ 2 $\pi f\}$ $\omega \equiv 2\pi f\$ $k$ 는 파수( $\ k\equiv 2\pi /\lambda \$ 2 $\ k\equiv 2\pi /\lambda \$ / ${\$ \ $displaystyle$ \ $k$ \ $equiv$ 2 \ $pi$ / \ $lambda \$ } $\ k\equiv 2\pi /\lambda \$ $\zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}$ )입니다.는₀ 빈 공간의 임피던스( $\zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}$ 0 $\zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}$ 37 $\zeta _{0}\approx 377{\text{ Ω}}$ \ $displaystyle$ \ $zeta$ _ 0 } \ $zeta$ _ $0$ 37 377\ 37 )입니다 $.$

공급점은 보통 다이어그램과 같이 쌍극자의 중심에 있습니다.쌍극자 암을 따라 흐르는 전류는 대략 $\ \sin(k\ z)\$ δ ( $\ \sin(k\ z)\$ z ) { $displaystyle$ \ \ $sin(k\z)\ }$ 에 $\ \sin(k\ z)\$ 비례하는 것으로 설명됩니다. $여기$ 서 z는 암의 끝까지의 거리입니다.짧은 쌍극자의 경우 기본적으로 공급점에서 I $displaystyle\I_{0}\$ })에서 $\ I_{0}\$ 마지막에 0(\displaystyle\I_{0}\)으로 선형적으로 떨어집니다.따라서 이는 도체 위의 평균 전류와 동일한 유효 $전류$ _h I를 갖는 헤르츠 쌍극자와 비슷하므로 ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ h ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ 0입니다 $.$ {\ $textstyle$ \ $I_{h$ } = $ac {1}{2}}$ $I_{0}\ .}$ 위의 ${\textstyle \ I_{h}={\frac {1}{2}}I_{0}\ .}$ 방정식은 $\ I_{0}\ .$ 에 의해 공급되는 짧은 쌍극자에 의해 생성되는 필드에 매우 근접합니다 $.\$ $displaystyle$ \ $I_{0}\$ . $\ I_{0}\ .$ }

위에서 계산한 필드로부터 포인팅 벡터 $S$ 의 실제 부분의 크기로서 임의의 지점에서 복사 플럭스(단위 면적당 전력)를 구할 수 있습니다. 포인팅 벡터 S는 1 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ .}$ E × ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ .}$ $.\textyle \ frac$ {1 $}{2}\mathbf {E}$ \ $times$ \ $mathbf$ { $H} ^*}$ E 및 $H$ 로 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ .}$ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}\ .}$ 됩니다 $.$ 기본적으로는 단순히 1 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ E $h$ H ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ H {\ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ 1 \ $textstyle \$ \ \ $frac$ { $}$ { \ $theta$ } $E_{$ \ { \ $phi }^* }$ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ 과 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}E_{\theta }H_{\phi }^{*}\ }$ 같으며 위상 인자(지수)는 제외됩니다.

{{displaystyle S=specfrac {1}{2}}E_{\theta }^{*}=specfrac {1}{2}{{frac {\zeta _{0}\I_{h}^2}\ell ^2}\k^{2}\{4\pi rsin2}}^{{}}^{}}}}}

공급점 $전류$ ₀ I와 짧은 쌍극자 길이 $θ$ 와 방사 파장 $θ$ 의 비율로 플럭스를 표현했습니다. $\ \sin ^{2}(\theta )\$ 2 $\ \sin ^{2}(\theta )\$ ( $\ \sin ^{2}(\theta )\$ ) \ $displaystyle \$ \ $sin ^{2$ } ( $theta$ )\ $\ \sin ^{2}(\theta )\$ }에 $\ \sin ^{2}(\theta )\$ $\ \sin ^{2}(\theta )\$ 주어지는 방사선 패턴은 반파장 쌍극자와 비슷하고 방향성이 약간 낮은 것으로 보인다.

반파장 쌍극자(솔리드 라인)와 비교하여 짧은 쌍극자(파선)의 방사선 패턴.

주어진 공급점 전류에 대한 원거리 필드의 방사선에 대해 위의 식을 사용하여 모든 고체 각도에 적분하여 총 복사 전력을 얻을 수 있습니다.

({displaystyle P_{\text{total}}={pi}{12}\\zeta_{0}{2}\left\frac{ell}{\flac}}{2}~})

이로부터 공급점 임피던스의 저항(실제) 부분과 동일한 방사선 저항을 유추할 수 있으며, 오믹 손실에 의한 성분을 무시할 수 있다.P를 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ I ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ 2 R $textstyle \\frac {1}{2}\ I_{0}^2}\ R_{\text {radiation}}\ }$ 으로 ${\textstyle \ {\frac {1}{2}}\ I_{0}^{2}\ R_{\text{radiation}}\ }$ $설정$ 하면_total 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

({displaystyle R_{\text{radiation}}=\zeta _{0}\\leftfrac\frac {\frac}{\frac {\frac}{\frac {\ell}}}{\right})^2}(\fright)

다시 δ δ 1/2 $δ$ 에 대해 정확해진다. 설정 $δ =$ 1/2 $δ$ 는 파장의 큰 부분에서는 그다지 유효하지 않지만, 공식은 정확한 1/4파 정현파 전류를 사용할 때 실제 값 73 δ 대신 49 δ의 방사선 저항을 예측한다.

다양한 길이의 다이폴 안테나

얇은 선형 도체의 기본 공명은 자유 공간 파장이 와이어 길이의 두 배인 주파수, 즉 도체의 파장이 1/2인 주파수에서 발생합니다.다이폴 안테나는 그 주파수 부근에서 자주 사용되며, 따라서 반파장 다이폴 안테나라고 불립니다.이 중요한 사건은 다음 절에서 다룹니다.

길이 l의 얇은 선형 도체는 실제로 반파장의 정수 배수로 공진합니다.

({displaystyle l=nsvfrac}{2})

여기서 θ = c/f는 파장이고 n은 정수입니다.그러나 센터 급지 쌍극자의 경우 n이 홀수인지 짝수인지에 큰 차이가 있다.길이가 홀수인 반파장 다이폴은 구동점 임피던스가 상당히 낮습니다(이러한 공진 주파수로 순수하게 저항성이 있음).단, 길이가 짝수인 파장, 즉 길이가 정수인 파장은 높은 구동점 임피던스를 가진다(단, 그 공진 주파수에서는 순수하게 저항성이 있다.

예를 들어 약 L = µ의 총길이에 대해 엔드 투 엔드로 배치된 2개의 반파장 도체로 전파 다이폴 안테나를 만들 수 있다.따라서 약 2dB의 반파장 쌍극자에 대한 추가 이득이 발생합니다.단파방송에서는 유효지름을 매우 크게 하고 고임피던스 평형회선에서 송출하는 것만으로 전파다이폴을 사용할 수 있다.케이지 다이폴은 큰 직경을 얻기 위해 종종 사용된다.

5/4파 다이폴 안테나는 훨씬 낮지만 순수하게 저항성 공급점 임피던스가 아니기 때문에 전송로의 임피던스와 일치하는 네트워크가 필요합니다.그것의 이득은 반파장 쌍극자보다 약 3dB 더 크며, 비슷한 길이의 쌍극자 중 가장 높은 이득이다.

다이폴^[12] 안테나의 이득

길이, L(파장 단위)	지향적 이득 (dBi)	메모들
≪0.5	1.76	효율이 낮다
0.5	2.15	가장 일반적인
1.0	4.0	지방 쌍극자만 포함
1.25	5.2	최고의 이득
1.5	3.5	제3 고조파
2.0	4.3	사용하지 않음

다른 적당한 길이의 다이폴은 장점을 제공하지 않으며 거의 사용되지 않습니다.그러나 기본 주파수의 홀수 배수로 반파장 다이폴 안테나의 오버톤 공진이 이용되는 경우가 있다.예를 들어 7MHz에서 반파장 다이폴로서 설계된 아마추어 무선 안테나는 21MHz에서 3/2파장 다이폴로도 사용할 수 있습니다.또, 마찬가지로, 저VHF 텔레비전 대역(약 65MHz 중심)에서 공진하는 VHF 텔레비전 안테나도 고VHF 텔레비전 대역(약 195MHz)에서 공진합니다.

반파장 쌍극자

다이얼을 반 파장 다이폴의 애니메이션은 전압을 보여 주는 V()){V())\displaystyle}( 빨간 색,.mw-parser-output .legend{page-break-inside:을 피하;break-inside:avoid-column}.mw-parser-output .legend-color{디스플레이:inline-block, min-width:1.25em, 높이:1.25em, line-height:1.25;마진:1px 0;text-align:중심;국경:1px 어두운,.Background-color:투명하게, 색: 검은 색}.mw-parser-output .legend-text{}cm이고 현재 나는()){I())\displaystyle}( 파란 색,)때문에 서 있는 웨이브 안테나.정재파는 주로 에너지를 저장하는 것이지 전력을 전달하는 것이 아니기 때문에 전압과 위상이 맞지 않고 90° 어긋난다.전송 라인은 두 안테나 요소 사이에 송신기에서 발진

V_{\text{i}}\cos \omega t

V_{\text{i}}\cos \omega t

V_{\text{i}}\cos \omega t

cos

V_{\text{i}}\cos \omega t

V_{\text{i}}\cos \omega t

{\displaystyle V_{\text{i}}\cos \mega

t

}

를

V_{\text{i}}\cos \omega t

인가하여 사인파 진동을 유도합니다.공급 전압 스텝은 가시성을 위해 증가했습니다.일반적인 다이폴은 충분히 높은 Q 계수를 가지므로 정재파에 비해 공급 전압이 훨씬 작습니다.안테나는 공진 주파수로 공급되기 때문에 입력 전압이 전류(파란색 막대)와 동일하므로 안테나는 공급 라인에 순수한 저항을 제공합니다.구동 전류의 에너지는 방사된 에너지를 전파로 제공합니다.수신 안테나에서는 수신기가 안테나로부터 에너지를 흡수하기 때문에 전송 라인의 전압 위상이 반전됩니다.

반파장 쌍극자 안테나는 약 L = δ/2의 총 길이로 엔드 투 엔드로 배치된 2개의 1/4 파장 도체로 구성됩니다.전류 분포는 쌍극자 길이를 따라 약 정현파이며, 양 끝에 노드가 있고 중심(피드포인트)^[13]에 반노드(피크 전류)가 있습니다.

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

여기서 k = 2µ/160 및 z는 -L/2에서 L/2까지 실행됩니다.

원거리 장에서, 이것은 전기장이 다음과^[13] 같이 주어지는 방사선 패턴을 생성한다.

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

방향인자 cos[(θ/2)cos θ]/sin θ는 짧은 쌍극자에 적용되는 sin θ와 거의 차이가 없어 ^[13]위와 같은 방사선 패턴이 나타난다.

모든 고체 각도에 대한 복사 ${\textstyle {|E_{\theta }|^{2}}/{2\zeta _{0}}}$ E , ${\textstyle {|E_{\theta }|^{2}}/{2\zeta _{0}}}$ / ${\textstyle {|E_{\theta }|^{2}}/{2\zeta _{0}}}$ ${\textstyle {|E_{\theta }|^{2}}/{2\zeta _{0}}}$ 0 { $textstyle$ { $E_{\theta$ } $^{2}}$ / ${$ 2 $\zeta$ _ ${0}}$ 의 ${\textstyle {|E_{\theta }|^{2}}/{2\zeta _{0}}}$ 수치 적분은 단쌍극에서와 마찬가지로 다이폴에서 복사된 총 전력_total P의 값을 위와 같이 피크값 I의₀ 전류로 구한다.P를 4µR로² 나누면_total 전방향 평균 R의 거리에 플럭스가 공급된다.거리 R에서 θ = 0 방향(피크가 있는 위치)의 플럭스를 평균 플럭스로 나누면 방향 이득이 1.64임을 알 수 있습니다.이는 코사인 적분을 사용하여 직접 계산할 수도 있습니다.

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

Cin

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

(

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

)

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

1.

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

{

displaystyle

G =

parc

frac {

4

} { \

operatorname

{

Cin }

( 2 \

pi

) } } \

약

1.

64

\ ; }

G={\frac {4}{\operatorname {Cin} (2\pi )}}\approx 1.64\;

( 2.15 dBi )

(코사인 적분 Cin(x)은 코사인 적분 Ci(x)와 동일하지 않습니다.MATLAB와 Mathematica 모두 Ci(x)를 계산하는 함수가 내장되어 있지만 Cin(x)은 내장되어 있지 않습니다.이러한 기능의 관계에 대해서는, 코사인 적분의 Wikipedia 페이지를 참조해 주세요).

또한 다음과 같은 문제를 해결함으로써 짧은 다이폴에서와 같이 방사선 저항성을 찾을 수 있습니다.

P_{\text{total}}={\frac {1}{2}}I_{0}^{2}R_{\text{radiation}}

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