Die Dipolantenne

In diesem Abschnitt wird die Dipolantenne mit einem sehr kleinen Radius betrachtet. Die Dipolantenne ähnelt dem kurzen Dipol, nur dass sie im Vergleich zur Wellenlänge (bei der Frequenz, bei der die Antenne arbeitet) nicht klein sein muss.

Für eine Dipolantenne der Länge L, die entlang der z-Achse ausgerichtet und bei z=0 zentriert ist, fließt der Strom in z-Richtung mit einer Amplitude, die genau der folgenden Funktion folgt:

Beachten Sie, dass dieser Strom auch zeitlich sinusförmig mit der Frequenz f oszilliert.Die Stromverteilungen für die Dipolantennen mit Viertelwellenlänge (links) und voller Wellenlänge (rechts) sind in Abbildung 1 dargestellt. Man beachte, dass der Spitzenwert des Stroms entlang des Dipols erst erreicht wird, wenn die Länge größer als eine halbe Wellenlänge ist.

Abbildung 1. Stromverteilungen an Dipolantennen endlicher Länge.

Bevor wir die von einer Dipolantenne abgestrahlten Felder untersuchen, betrachten wir die Eingangsimpedanz eines Dipols in Abhängigkeit von seiner Länge, die in Abbildung 2 unten dargestellt ist. Man beachte, dass die Eingangsimpedanz als Z=R + jX angegeben wird, wobei R der Widerstand und X der Blindwiderstand ist.

Abbildung 2. Eingangsimpedanz als Funktion der Länge (L) einer Dipolantenne.

Bei sehr kleinen Dipolantennen ist die Eingangsimpedanz kapazitiv, d. h. die Impedanz wird von einem negativen Reaktanzwert (und einer relativ kleinen realen Impedanz oder einem Widerstand) dominiert. Je größer der Dipol wird, desto größer wird der Eingangswiderstand und die Reaktanz. Bei etwas weniger als 0,5 hat die Antenne eine imaginäre Komponente der Impedanz von Null (Reaktanz X=0), und die Antenne wird als resonant bezeichnet.

Wenn die Länge der Dipolantenne nahe an eine Wellenlänge herankommt, wird die Eingangsimpedanz unendlich. Diese wilde Veränderung der Eingangsimpedanz lässt sich durch das Studium der Theorie der Hochfrequenzübertragungsleitungen verstehen. Zur einfacheren Erklärung betrachten wir den in Abbildung 1 dargestellten Dipol mit einer Wellenlänge. Legt man an die Klemmen der rechten Antenne in Abbildung 1 eine Spannung an, so ergibt sich die in Abbildung 1 dargestellte Stromverteilung. Da der Strom an den Klemmen gleich Null ist, ist die Eingangsimpedanz (gegeben durch Z=V/I) notwendigerweise unendlich. Folglich tritt eine unendliche Impedanz immer dann auf, wenn die Dipolantenne ein ganzzahliges Vielfaches einer Wellenlänge ist.

Im nächsten Abschnitt werden wir das Strahlungsdiagramm von Dipolantennen betrachten.

Strahlungsdiagramme für Dipolantennen

Die Fernfelder einer Dipolantenne der Länge L sind gegeben durch:

Die normalisierten Strahlungsdiagramme für Dipolantennen verschiedener Längen sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Normalisierte Strahlungsdiagramme für Dipolantennen bestimmter Länge.

Die Dipolantenne mit voller Wellenlänge ist stärker gerichtet als die kürzere Dipolantenne mit Viertelwellenlänge. Dies ist ein typisches Ergebnis in der Antennentheorie: Man braucht im Allgemeinen eine größere Antenne, um die Richtwirkung zu erhöhen. Die Ergebnisse sind jedoch nicht immer offensichtlich. Das 1,5-Wellenlängen-Dipoldiagramm ist ebenfalls in Abbildung 3 dargestellt. Man beachte, dass dieses Muster bei etwa +45 und -45 Grad maximal ist.

Die Dipolantenne ist bei azimutaler Betrachtung (um die Längsachse des Dipols) symmetrisch; folglich ist das Strahlungsdiagramm keine Funktion des azimutalen Winkels . Daher ist die Dipolantenne ein Beispiel für eine Rundstrahlantenne. Außerdem hat das E-Feld nur eine Vektorkomponente, und folglich sind die Felder linear polarisiert. Bei Betrachtung in der x-y-Ebene (für einen entlang der z-Achse ausgerichteten Dipol) liegt das E-Feld in der -y-Richtung, und folglich ist die Dipolantenne vertikal polarisiert.

Das 3D-Diagramm für die Dipolantenne mit einer Wellenlänge ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses Muster ähnelt dem der Viertel- und Halbwellen-Dipolantenne.

Abbildung 4. Normalisiertes 3D-Strahlungsdiagramm für die 1-Wellenlängen-Dipolantenne.

Das 3D-Strahlungsdiagramm für die 1,5-Wellenlängen-Dipolantenne ist deutlich anders und wird in Abbildung 5 gezeigt.

Abbildung 5. Normalisiertes 3D-Strahlungsdiagramm für die 1,5-Wellenlängen-Dipolantenne.

Die (Spitzen-)Richtwirkung der Dipolantenne variiert, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Richtwirkung der Dipolantenne in Abhängigkeit von der Dipollänge.

Abbildung 6 zeigt, dass bis etwa L=1,25 die Richtwirkung mit der Länge zunimmt. Bei größeren Längen nimmt die Richtwirkung jedoch tendenziell zu, ist aber nicht mehr monoton.

Im nächsten Abschnitt betrachten wir die häufigste Dipolantenne, die Halbwellendipolantenne.

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