Wat is een dipoolantenne? Een complete gids

De dipoolantenne is een van de meest fundamentele en meest gebruikte antennetypen in communicatiesystemen. Bekend om hun eenvoud en efficiëntie spelen dipoolantennes een centrale rol bij het mogelijk maken van draadloze communicatie in verschillende toepassingen, van radio-uitzendingen tot moderne IoT- en 5G-netwerken. Door hun veelzijdigheid en eenvoudige implementatie zijn ze een keerpunt in de evolutie van communicatietechnologie.

Dit artikel gaat dieper in op dipoolantennes en fundamentele principes. We onderzoeken hun belangrijkste kenmerken, verschillende typen en stralingspatronen. Geavanceerde configuraties, zoals arrayantennes en dubbel gepolariseerde ontwerpen, worden besproken om hun aanpasbaarheid in moderne systemen te benadrukken. Daarnaast duiken we in de toepassingen, voordelen en beperkingen van dipoolantennes en vergelijken we ze met monopoolantennes. Tot slot verkennen we hun rol in moderne technologie, waaronder IoT, 5G en ruimtecommunicatie. Aan het eind zul je duidelijk begrijpen waarom dipoolantennes onmisbaar blijven in communicatiesystemen.

Wat is een dipoolantenne en hoe werkt hij?

Het eenvoudigste maar toch veel gebruikte type antenne in radio en telecommunicatie is de dipoolantenne, die bestaat uit twee geleidende elementen of staven die elektromagnetische golven zenden en ontvangen. Meestal hebben de twee geleidende delen gelijke lengtes metaal. Het is een essentieel onderdeel van draadloze communicatiesystemen vanwege het eenvoudige ontwerp, waardoor het efficiënt signalen kan verzenden en ontvangen over een breed frequentiebereik.

Er wordt een elektrisch veld gecreëerd rond de antenne wanneer een wisselstroom (AC) wordt toegepast op de voedingslijn. Het elektrische veld verschuift van richting samen met de wisselstroom en produceert elektromagnetische golven die de antenne uitstralen.

De lengte van de dipoolantenne is belangrijk voor de werking. Het moet een bepaald percentage zijn van de golflengte van het radiosignaal dat het moet verzenden of ontvangen. De term "halve golf dipoolantenne" verwijst naar het feit dat deze lengte meestal de helft van de golflengte is. De antenne zet elektrische energie effectief om in radiogolven als de lengte en golflengte op elkaar zijn afgestemd.

Dipoolantennes zenden en ontvangen signalen even goed in twee tegenovergestelde richtingen loodrecht op de antenne, wat bekend staat als een bidirectioneel stralingspatroon. Dit is te wijten aan het feit dat het elektrische veld van de wisselstroom het zwakst is aan de uiteinden van de antenne en het hoogst in het midden. Bijgevolg is het grootste deel van de energie die door de antenne wordt uitgezonden loodrecht op de lengte gericht.

In de geleiders van een dipoolantenne wordt een wisselstroom gecreëerd wanneer radiogolven erop inwerken. Een ontvanger of andere elektronische apparatuur kan door deze stroom worden gevoed zodra deze naar de voedingslijn is verzonden. Door de radiogolven terug om te zetten in elektrische energie, doet de dipoolantenne dienst als ontvangstantenne.

Bij het zenden zet een dipoolantenne dus elektrische energie om in radiogolven en bij het ontvangen zet hij radiogolven weer om in elektrische energie. Voor een effectieve signaaloverdracht en -ontvangst zijn de lengte en het ontwerp belangrijk.

Belangrijkste kenmerken van een dipoolantenne

1. Eenvoudig ontwerp

De structuur van een dipoolantenne, die bestaat uit twee geleidende delen van gelijke lengte gekoppeld aan een voedingslijn, maakt hem eenvoudig. Het eenvoudige ontwerp vergemakkelijkt het gebruik en de productie. Dipoolantennes kunnen worden gemaakt om te werken in de HF- (hoge frequentie), VHF- (zeer hoge frequentie) en UHF-banden (ultrahoge frequentie) van het radiofrequentiespectrum.

2. Resonantie bij halve golflengte

De elementen van een dipoolantenne hebben meestal de halve golflengte van de werkfrequentie. Deze resonantie maakt een maximale stralingsefficiëntie mogelijk. Omdat de lengte van de dipool de halve golflengte en de eerste resonantielengte is, heeft de straal geen effect op de ingangsimpedantie. Op zijn resonantiefrequentie, die plaatsvindt op zijn resonantielengte, werkt een antenne efficiënt.

3. Omnidirectioneel stralingspatroon

Deze omnidirectionele straling is perfect voor het verbinden van apparaten op hetzelfde vlak en aan tegenovergestelde zijden van elkaar vanwege hun donutvormige emissiepatroon. Deze worden vaak verkeerd gebruikt in mobiele toepassingen en toepassingen in gebouwen. Omnidirectionele dipoolantennes in mobiele toepassingen hebben niet het juiste patroon dat nodig is om verbinding te maken met een toren op een aanzienlijk grotere hoogte. Omnidirectionele dipoolantennes in bepaalde toepassingen zijn vooral slecht in point-to-multipoint toepassingen, waar een gebruiker zich in een dode zone kan bevinden terwijl hij recht onder een zendantenne staat.

4. Lineaire polarisatie

De polarisatie van een dipoolantenne is van nature lineair. De oriëntatie van de polarisatie is afhankelijk van hoe de antenne is gemonteerd. Wanneer een dipoolantenne breed uitstraalt, wordt energie uitgezonden in een richting loodrecht op de staaf van de dipool.

5. Aanwinst

Antenneversterking is een specifieke parameter die wordt gebruikt om de mate van richtingsgevoeligheid van het stralingspatroon van de antenne te meten. Een antenne met een hoge versterking straalt in een bepaalde richting. Antenneversterking is een passief fenomeen waarbij elektriciteit eenvoudigweg wordt herverdeeld om meer uitgestraald vermogen in een bepaalde richting te leveren in plaats van dat het via de antenne wordt toegevoegd. De versterking van de antenne kan worden uitgedrukt als dBi en dBd.

Ten opzichte van de referentiedipoolantenne kan de dipoolantenneversterking worden berekend in dBd. De dipoolantenneversterking is 2,15 dBi als referentie. Met de formule dBi = dBd + 2,15 is het vrij eenvoudig om te wisselen tussen dBi en dBd door 2,15 toe te voegen of af te trekken.

Soorten dipoolantennes

1. Halve golf dipoolantenne

Halfgolf dipoolantennes zijn een specifiek type dipoolantenne waarbij de dipoollengte de helft is van de golflengte bij de werkfrequentie. Deze antenne wordt ook wel de Hertz-antenne genoemd. Vergeleken met andere antennes heeft deze antenne een eenvoudiger resonantiestructuur, waardoor hij geschikt is voor zowel zenden als ontvangen in verschillende toepassingen. Deze antenne werkt in het frequentiebereik van 3 kHz tot 300 GHz.

Halfgolf dipoolantennes hebben de volgende voordelen: ze zijn licht van gewicht, kosteneffectief en hebben een ingangsimpedantie die vergelijkbaar is met die van de transmissielijn. De nadelen van een halfgolvige antenne zijn het omnidirectionele stralingspatroon en de onafhankelijkheid, waardoor hij als basiscomponent kan dienen voor andere soorten antennes die op zeer hoge frequenties werken. TV- en radio-ontvangers zijn de primaire apparaten die deze antennes gebruiken.

2. Gevouwen dipoolantenne

Een gevouwen type antenne is een groep van twee dipoolantennes die eenvoudigweg één voor één zijn samengevoegd om een dunne draadlus te vormen. Zoals de naam al aangeeft, is de dipoolantenne naar achteren gevouwen en bestaat hij uit twee halve golf dipolen, waarvan er een in het midden is gesplitst en de andere doorloopt. Aan beide uiteinden worden deze gevouwen en parallel verbonden.

Het stralingspatroon van een gevouwen dipoolantenne is vergelijkbaar met dat van een gewone dipool, met uitzondering van een grotere ingangsimpedantie en bidirectionele richtingsgevoeligheid. De grote bandbreedte en hoge voedingsimpedantiewaarde van deze antenne zijn de primaire kenmerken van het gebruik ervan. Als gevolg hiervan worden deze antennes onafhankelijk gebruikt, als een belangrijk onderdeel van andere antennes en om een hoge bandbreedte te leveren. Er zijn tweedraads en driedraads typen van deze antennes.

3. Korte dipoolantenne

Het meest basale type antenne is de korte dipool. Het is slechts een draad die in het midden wordt gevoed en open geschakeld is. In de antennetechniek betekenen de termen "klein" of "kort" altijd "ten opzichte van een golflengte". Daarom is alleen de afmeting van de draad ten opzichte van de golflengte van de werkfrequentie van belang, niet de exacte afmeting van de dipoolantenne. Als de lengte van een dipool minder dan een tiende van een golflengte is, wordt deze over het algemeen als kort beschouwd.

4. Log-periodieke dipoolantenne

Een directionele, multi-element antenne met een breed frequentiebereik wordt een log-periodieke antenne genoemd. Deze antenne is perfect voor toepassingen die betrouwbare, frequentiegevoelige communicatieoplossingen nodig hebben vanwege de kenmerkende geometrische structuur, die consistente prestaties en versterking over de hele bandbreedte mogelijk maakt.

5. Gekruiste dipoolantenne

Een gekruiste dipoolantenne, ook bekend als een tourniquetantenne, is een type radioantenne dat bestaat uit twee identieke dipoolantennes die in fasekwadratuur worden gevoed en loodrecht op elkaar staan. De twee stromen die op de dipolen worden gezet zijn 90 graden uit fase. Het idee dat de antenne op een tourniquet lijkt als hij horizontaal staat, komt terug in de naam.

Er zijn twee werkingsmodi voor de antenne. In de normale modus zendt de antenne radiogolven uit die horizontaal gepolariseerd zijn en loodrecht op zijn as staan. In de axiale modus zendt de antenne cirkelvormig gepolariseerde straling uit langs zijn as. Voor MIMO- en satelliettoepassingen zijn deze antennes perfect.

Stralingspatroon van dipoolantennes

Het stralingspatroon van een dipoolantenne is ringvormig en lijkt op een donut. Het heeft maximale straling loodrecht op de antenne-as en minimale straling langs de as. Dit patroon is effectief voor horizontale communicatie, waardoor dipoolantennes zeer veelzijdig zijn.

De 2 belangrijkste geavanceerde dipoolconfiguraties zijn:

1. Arrayantennes met dipolen

Arrays van dipoolantennes kunnen worden gebruikt om de dekking, versterking en richtingsgevoeligheid te vergroten. Grootschalige communicatiesystemen en radar zijn twee voorbeelden van toepassingen die deze arrays gebruiken. Meerdere dipolen, vaak halvegolftipolen, worden gebruikt in de constructie van verschillende soorten arrayantennes. Het gebruik van meerdere dipolen is bedoeld om de richtversterking van de antenne hoger te maken dan die van een enkele dipool, waarbij de straling van de afzonderlijke dipolen interfereert met een hoger vermogen dat in specifieke richtingen wordt uitgezonden. De voedingslijn wordt verdeeld met behulp van een elektrisch netwerk om stroom te leveren aan de elementen in arrays met talrijke dipoolgestuurde elementen. De relatieve fasevertragingen als gevolg van de transmissie tussen het gemeenschappelijke punt en elk element worden zorgvuldig overwogen.

Om de antenneversterking in horizontale richtingen te verbeteren, kun je antennes in verticale richting stapelen in een breedhoekopstelling waarbij de antennes in fase met elkaar worden gevoed. Hierdoor blijft de richtingsgevoeligheid van de horizontale dipoolantennes en de nulrichting in de richting van hun elementen behouden. Die nulrichting wordt echter verticaal in een zogenaamde collineaire antenne-array als elke dipool verticaal georiënteerd is. Hierdoor krijgt de array het gewoonlijk vereiste omnidirectionele stralingspatroon (in het horizontale vlak). In de VHF- en UHF-frequentiebanden, waar de golflengte van de elementen klein is om er meerdere op een toren te stapelen, worden verticale collineaire arrays gebruikt.

2. Dubbelgepolariseerde dipoolontwerpen (MIMO-antennes)

Dubbel gepolariseerde dipolen kunnen meerdere signalen tegelijk verwerken door twee antennes te gebruiken die orthogonaal gepolariseerd zijn. Moderne draadloze netwerken hebben veel baat bij dit ontwerp, dat essentieel is voor MIMO-systemen en de gegevensdoorvoer en betrouwbaarheid verhoogt. Een antenne die gelijktijdig radiofrequentiesignalen met twee verschillende polarisaties kan ontvangen en uitzenden, meestal horizontaal of verticaal gepolariseerd, staat bekend als een dual-polarity MIMO-antenne.

In de voortplantingsrichting worden RF-signalen door lineair gepolariseerde antennes in één vlak uitgezonden. Naast het feit dat de zender en ontvanger op één lijn moeten worden gebracht, kunnen lineair gepolariseerde antennes zowel verticaal als horizontaal worden gericht. Circulair gepolariseerde antennes zenden radiofrequenties uit in een cilindrisch patroon.

Zowel horizontale als verticale radiofrequentiepatronen worden tegelijkertijd uitgezonden door antennes met dubbele polariteit. De toepassing van antennes met dubbele polariteit in omgevingen met een hoge bevolkingsdichtheid is het belangrijkste voordeel ten opzichte van antennes met horizontale en verticale polariteit. Gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid hebben te maken met extreme congestie van radiofrequenties, wat gepaard gaat met hoge niveaus van interferentie en ruis. In tegenstelling tot traditionele lineair gepolariseerde antennes, die slechts in één lineair patroon uitstralen, ondervangen antennes met dubbele polariteit congestie door zowel in horizontale als verticale patronen uit te stralen.

Er zijn drie technieken om RF-antennes te polariseren: de meest voorkomende is verticale polarisatie, gevolgd door horizontale polarisatie en de minst populaire is circulaire polarisatie. De oriëntatie van de RF-golfvorm wordt bepaald door het vlak van het elektrische veld.

Waar wordt een dipoolantenne voor gebruikt?

Dipoolantennes zijn belangrijk in communicatiesystemen vanwege hun aanpassingsvermogen. Hier zijn enkele van de meest gebruikte toepassingen:

1. Radio-uitzending

Radiocommunicatieapparaten zoals portofoons en portofoons maken vaak gebruik van dipoolantennes. Ze worden gebruikt voor het zenden en ontvangen van signalen op korte afstand.

2. Televisie-uitzendingen

Ze zorgen voor een effectieve signaaloverdracht en -ontvangst en worden vaak gebruikt in VHF- en UHF-televisieantennes. Televisiesignalen worden via dipoolantennes van zendstations naar woningen gestuurd. Ze kunnen ook worden gebruikt om televisiesignalen te ontvangen in huizen die geen internettoegang of satelliettelevisie hebben.

3. Draadloze communicatie

Dipoolantennes bieden betrouwbare connectiviteit en zijn essentieel voor Bluetooth-apparaten, Wi-Fi-systemen en andere draadloze netwerkoplossingen. Wi-Fi-routers en toegangspunten zijn voorbeelden van draadloze netwerkapparaten die dipoolantennes gebruiken. Draadloze internettoegang wordt mogelijk gemaakt door hun hulp bij signaaloverdracht en -ontvangst tussen apparaten.

4. Cellulaire netwerken

Basisstations maken gebruik van dipoolantennes voor cellulaire communicatie, waardoor betrouwbare connectiviteit en snelle gegevensoverdracht mogelijk zijn. Cellulaire signalen worden verzonden en ontvangen door mobiele telefoons met behulp van dipoolantennes. Ze ondersteunen betrouwbare communicatie tussen mobiele masten en mobiele apparaten.

5. Ham Radio (Amateur Radio)

Dipoolantennes worden gebruikt voor VHF- en UHF-communicatie vanwege hun gebruiksgemak en efficiëntie. Ham radio operators, ook wel radioamateurs genoemd, gebruiken vaak dipoolantennes. Bij radioamateurcommunicatie worden ze gebruikt voor zowel signaaloverdracht als signaalontvangst.

6. Luchtvaartcommunicatie

Dipoolantennes worden door vliegtuigen gebruikt voor VHF-communicatiesystemen, die zorgen voor efficiëntie en veiligheid in de luchtvaart. Radarsystemen die objecten zoals schepen, vliegtuigen en weerpatronen detecteren en volgen, maken gebruik van dipoolantennes. Door te helpen bij de transmissie en ontvangst van radarsignalen maken ze het mogelijk om de afstand, snelheid en richting van een object te meten.

Voordelen van dipoolantennes

1. Eenvoud

Het ontwerp van dipoolantennes is eenvoudig: twee geleidende stukken van gelijke lengte worden gekoppeld aan een voedingslijn. Door hun eenvoud kunnen ze worden gebouwd met eenvoudige kennis van technologie en gereedschap. Bovendien zijn ze door hun eenvoudige methode gemakkelijk te onderhouden omdat voor probleemoplossing en reparaties slechts kleine aanpassingen of vervangingen nodig zijn.

2. Kosteneffectiviteit

Dipoolantennes worden gemaakt van algemeen toegankelijke en redelijk geprijsde materialen zoals koper en aluminium. Dit, samen met het eenvoudige ontwerp dat complexe componenten overbodig maakt, garandeert dat dipoolantennes tot de goedkoopste antennekeuzes behoren. Door hun betaalbaarheid zijn ze perfect voor grootschalige installaties zoals consumentenelektronica voor de massamarkt of radiotransmissie.

3. Veelzijdigheid

Dipoolantennes kunnen eenvoudig worden aangepast voor verschillende frequentiebereiken door de lengte van de geleidende elementen te veranderen. Dankzij hun aanpassingsvermogen kunnen ze voor verschillende doeleinden worden gebruikt, waaronder cellulaire netwerken, hoogfrequent Wi-Fi en laagfrequente AM-radio-uitzendingen. Hun toepasbaarheid in zowel traditionele als moderne communicatiesystemen wordt gegarandeerd door hun vermogen om effectief te werken over een reeks frequenties.

4. Betrouwbare prestaties

Dipoolantennes worden al vele jaren effectief gebruikt in draadloze netwerken, radio- en televisie-uitzendingen en luchtvaartcommunicatie. Hun doeltreffendheid bij het verzenden en ontvangen van berichten en hun regelmatige stralingspatronen zijn de belangrijkste redenen voor hun betrouwbaarheid. Ze worden beschouwd als een betrouwbare optie in zowel kritieke als niet-kritieke systemen.

5. Omnidirectionele straling

Dipoolantennes stralen energie gelijkmatig uit in het horizontale vlak, wat betekent dat ze een consistente signaalsterkte leveren in alle richtingen loodrecht op de as van de antenne. Door hun omnidirectionele stralingspatroon zijn ze perfect voor toepassingen zoals Wi-Fi en omroep, waar dekking in meerdere richtingen belangrijk is. Hun vermogen om een consistente horizontale dekking te bieden verbetert de verbinding en garandeert een betrouwbare werking in een aantal omgevingen.

Beperkingen van dipoolantennes

1. Antennegrootte

De golflengte van het signaal waarvoor een dipoolantenne bedoeld is, heeft een directe correlatie met de lengte. De totale lengte van de antenne voor een halve golf dipool is de helft van de golflengte van het signaal. Langere dipoolelementen zijn nodig voor uitzendingen met een lagere frequentie omdat de golflengte toeneemt naarmate de frequentie afneemt. Een halvegolfdipool voor FM-radio die ontworpen is voor een frequentie van 100 MHz zou bijvoorbeeld ongeveer 1,5 meter lang zijn. Voor toepassingen zoals AM-radio-uitzendingen die op extreem lage frequenties moeten werken, kan deze grootte onhaalbaar worden.

2. Richtingbeperkingen

Dipoolantennes stralen energie gelijkmatig uit over de hele antenne en hebben meestal een omnidirectioneel stralingspatroon in het horizontale vlak. Wanneer een gerichte of gefocuste bundel nodig is, zoals in punt-tot-punt communicatiesystemen, wordt dit een beperking, hoewel het gunstig is voor toepassingen die een brede dekking vereisen. Andere onderdelen, zoals reflectoren of directors (gebruikt in Yagi-Uda antennes) of het combineren van dipolen tot arrays, zijn nodig om gerichte straling te krijgen, wat het ontwerp ingewikkelder maakt.

3. Impedantie-aanpassing

De impedantie van de antenne moet overeenkomen met die van de transmissielijn en eventuele aangesloten apparaten voor optimale resultaten; in de meeste communicatiesystemen is dit 50 of 75 ohm. In de vrije ruimte is de ingangsimpedantie van een standaard dipoolantenne ongeveer 73 ohm. Ook al liggen deze waarden dicht bij de standaardwaarden, verschillen op basis van de omgeving of installatieopstellingen kunnen leiden tot impedantieverschillen die kunnen leiden tot vermogensverlies en signaalreflectie. De installatie wordt complexer wanneer geschikte aanpassingen, zoals het gebruik van baluns of matching circuits, nodig zijn om een effectieve vermogensoverdracht te garanderen.

Dipoolantennes vs. monopoolantennes

Er zijn verschillende manieren waarop een dipoolantenne verschilt van een monopoolantenne. Laten we de primaire verschillen tussen deze twee antennetypen nader analyseren.

1. De dipoolantenne heeft straling aan de onderkant en velden aan beide zijden. Omgekeerd heeft een monopoolantenne nul straling onder het grondvlak en slechts één veld in de bovenste helft van het gebied.

2. Om een synthetische massaplaat te maken, hebben dipoolantennes meestal een extra straler nodig. Een monopoolantenne heeft daarentegen een echte massaplaat nodig.

3. De stralingselementen van de dipoolantenne staan 180 graden uit fase. De monopoolantenne heeft daarentegen de buitengeleider van een coaxkabel en het referentievlak van de transmissielijnverbinding. Bij een monopoolantenne vormen deze patronen het grondvlak.

4. Het stralingspatroon van een dipoolantenne is verticaal symmetrisch, maar dat van een monopoolantenne niet. Terwijl het stralingspatroon van de monopoolantenne afhangt van de oriëntatie van het grondvlak, is de dipoolantenne een antennetype dat zeer vaak voorkomt.

5. Een monopoolantenne heeft een beperkt aantal soorten en variëteiten op de markt, terwijl een dipool een veelgebruikte antenne is met veel variëteiten.

Dipoolantennes met moderne technologie

Dipoolantennes zijn cruciaal geworden voor 5G-netwerken en Internet of Things apparaten omdat ze betrouwbare service en snelle connectiviteit bieden in kleine ontwerpen. Ze voldoen aan de vele vereisten en hoge gegevenseisen van moderne technologieën. Dipoolantennes worden veel gebruikt in veel draadloze technologietoepassingen voor draadloze communicatie. Dipoolantennes kunnen communicatie met meerdere frequenties ondersteunen, zoals 5G, LTE, Wi-Fi, enz. omdat ze vaak een grote bandbreedte hebben.

In satellietcommunicatie worden gekruiste dipoolantennes gebruikt voor circulaire polarisatie, wat een betrouwbare signaaloverdracht in de ruimte mogelijk maakt. Eenvoudige draadantennes, dipolen genaamd, worden vaak gebruikt in communicatie- en satellietomroepsystemen.

Conclusie

De eenvoud, betaalbaarheid en prestaties van een dipoolantenne maken er een uitstekende keuze van. Hij is eenvoudig te bouwen en heeft geen ingewikkelde afstem- of aanpassingsschakelingen nodig. Hij kan goed functioneren op verschillende frequenties en heeft een grote bandbreedte. Een dipoolantenne biedt ook een gebalanceerde feed, wat interferentie en common mode noise vermindert. Alles bij elkaar is een dipoolantenne een ideale keuze voor meerdere toepassingen.

Kortom, voor draadloze communicatie zijn dipoolantennes nodig. Ze bieden een goede balans tussen prestaties en eenvoud. Inzicht in dipoolantennes zal je helpen in de draadloze industrie, ongeacht je achtergrond.