Dipol och monopol
Halvvågsdipolen och kvartsvågsmonopolen är grunden för nästan alla antenner. Lär dig hur de fungerar, hur långa de ska vara, hur de strålar och hur de kan förkortas.
Innehåll
Dipolen och monopolen är antennvärldens grundbyggstenar. Nästan varje antenn du ser, från tv-antennen på taket till spröt på en walkie-talkie, är en dipol, en monopol eller en kombination av flera sådana. Den här artikeln visar hur de är uppbyggda, hur långa de ska vara för en viss frekvens och hur de strålar.
Halvvågsdipolen#
En dipol består av två raka ledare, oftast trådar eller rör, som ligger i linje med varandra. Kabeln från sändaren kopplas in i mitten, mellan de två halvorna. När den totala längden är ungefär en halv våglängd är antennen i resonans, och då kallas den halvvågsdipol. Varför antennen ska ha just den längden förklaras i Så fungerar en antenn.
Ström och spänning längs dipolen#
Strömmen i en halvvågsdipol är störst i mitten och avtar till noll i ändarna, där elektronerna inte kan ta sig vidare. Spänningen beter sig tvärtom: den är lägst i mitten och högst i ändarna (figur 1). Därför är matningspunkten i mitten ett ställe med hög ström och låg spänning, vilket ger en lagom impedans för en vanlig koaxialkabel.
Den höga spänningen i ändarna är värd att komma ihåg. Även med måttlig sändareffekt kan det bli flera hundra eller tusen volt i dipolens spetsar. Ändarna ska därför sitta i isolatorer och hållas utom räckhåll för människor. Läs mer i Säkerhet vid antenn- och mastarbete.
Hur lång ska dipolen vara?#
En halv våglängd i fri rymd är meter, med frekvensen i MHz. En verklig dipol av tråd eller rör blir dock i resonans när den är några procent kortare, eftersom ledaren har en viss tjocklek och ändarna har en liten kapacitans som gör antennen ”elektriskt längre”. En vanlig tumregel är 95 % av en halv våglängd:
Hur mycket kortare den ska vara beror på tråden, isoleringen och omgivningen. Plastisolerad tråd blir i resonans ytterligare någon procent kortare. Klipp därför tråden lite för lång, mät med en antennanalysator och korta i små steg.
Tabell 1. Ungefärliga längder för halvvågsdipoler och kvartsvågsmonopoler ( respektive ). Verklig längd kan avvika några procent.
| Användning | Frekvens | Hel dipol | Varje dipolhalva | Kvartsvågsmonopol |
|---|---|---|---|---|
| 80 m-bandet | 3,65 MHz | 39,0 m | 19,5 m | 19,5 m |
| 40 m-bandet | 7,1 MHz | 20,1 m | 10,0 m | 10,0 m |
| 20 m-bandet | 14,2 MHz | 10,0 m | 5,0 m | 5,0 m |
| Privatradio | 27,1 MHz | 5,26 m | 2,63 m | 2,63 m |
| FM-radio | 98 MHz | 1,45 m | 73 cm | 73 cm |
| 2 m-bandet | 145 MHz | 98 cm | 49 cm | 49 cm |
| Jaktradio | 155,5 MHz | 92 cm | 46 cm | 46 cm |
| DAB+ (block 12C) | 227 MHz | 63 cm | 31 cm | 31 cm |
| 70 cm-bandet | 435 MHz | 33 cm | 16 cm | 16 cm |
| PMR446 | 446 MHz | 32 cm | 16 cm | 16 cm |
Impedans#
I resonans har en halvvågsdipol i fri rymd en impedans på ungefär 73 ohm, nästan rent resistiv. Det passar hyggligt till både 50 och 75 ohms kabel. Hänger dipolen lågt över marken eller böjs armarna nedåt ändras impedansen, oftast nedåt mot 50 ohm eller lägre. Hur bra antennen och kabeln passar ihop mäts som ståendevågförhållande, se SVF och impedansanpassning.
Dipolen är en balanserad antenn: de två halvorna är lika. En koaxialkabel är däremot obalanserad, med en innerledare och en skärm. Kopplar du kabeln direkt till dipolen kan det börja flyta ström på kabelns utsida, vilket ger störningar och ett snett strålningsdiagram. En balun eller strömdrossel vid matningspunkten förhindrar det. Det förklaras i SVF och impedansanpassning.
Hur dipolen strålar#
En dipol strålar mest vinkelrätt mot tråden och inget alls längs trådens riktning. Tänk dig en munk (donut) som är trädd på antennen: munkens form visar hur starkt antennen strålar åt olika håll (figur 2).
- En lodrät dipol strålar lika bra åt alla håll i horisontalplanet. Den kallas därför rundstrålande. Vågorna blir vertikalt polariserade.
- En vågrät dipol strålar mest åt sidorna och sämst åt ändarna. Vågorna blir horisontellt polariserade. Läs mer i Polarisation.
Eftersom strålningen koncentreras till sidorna i stället för att spridas lika åt alla håll, är dipolen i sin bästa riktning 2,15 dB starkare än en tänkt isotrop antenn som strålar lika i alla riktningar. Därför säger man att halvvågsdipolen har förstärkningen 2,15 dBi. Den används ofta som referens: förstärkning relativt en dipol anges i dBd, och sambandet är dBd = dBi − 2,15. Samma samband används i PTS föreskrifter när effektgränser anges som e.r.p. eller e.i.r.p.1 Läs mer i Antennparametrar och Utstrålad effekt: ERP och EIRP.
Kvartsvågsmonopolen#
Om du ställer en metallstav lodrätt på en stor metallyta, och matar staven i foten mot ytan, får du en monopol. Är staven en kvarts våglängd lång kallas den kvartsvågsmonopol eller kvartsvågsspröt.
Jordplanet och spegelbilden#
Metallytan under staven kallas jordplan. Den fungerar som en spegel för radiovågorna: ovanför jordplanet ser fälten ut som om det fanns en spegelvänd stav under ytan (figur 3). Monopolen och dess spegelbild bildar tillsammans en hel halvvågsdipol. Därför har monopolen samma strålningsform som en dipol, men bara den övre halvan.
Eftersom all effekt strålar ut i halvrymden ovanför jordplanet, blir strålningen i den riktningen dubbelt så stark som från en hel dipol med samma effekt. En kvartsvågsmonopol på ett oändligt stort, perfekt ledande jordplan har därför ungefär 3 dB mer förstärkning än dipolen, ca 5,2 dBi. I verkligheten är jordplanet aldrig perfekt, och vinsten blir lägre.
Impedansen blir ungefär hälften av dipolens, alltså ca 36 ohm.
Groundplane-antennen#
Ett jordplan behöver inte vara en hel metallplatta. Fyra eller fler trådar, radialer, som sticker ut från antennfoten fungerar nästan lika bra. En sådan antenn kallas groundplane (figur 4). Om radialerna lutar nedåt med ungefär 45 grader stiger impedansen till nära 50 ohm, vilket passar en vanlig koaxialkabel direkt.
På en bil fungerar biltaket som jordplan. Det är därför en takantenn mitt på taket fungerar bättre än en antenn på en stötfångare. Handhållna radioapparater använder radions chassi och användarens hand och kropp som ett ofullständigt jordplan, vilket är en anledning till att räckvidden blir kortare än med en riktig antenn.
På kortvåg står vertikala antenner ofta direkt på marken. Då är det marken som är jordplan, och eftersom vanlig jord leder dåligt läggs ofta många radialer på eller strax under marken för att minska förlusterna.
Monopolens strålning#
Monopolen över jord strålar inte rakt uppåt, utan mest snett utåt längs marken. Det gör vertikala antenner bra för kommunikation med stationer runt omkring, till exempel för en basstation i en jaktstuga eller för fjärrförbindelser på kortvåg. Figur 5 visar diagrammet i vertikalplanet för en kvartsvågsmonopol och en 5/8-vågsmonopol.
Längre och kortare antenner#
5/8-vågsantennen#
En monopol som är 5/8 våglängd lång koncentrerar strålningen mer mot horisonten och får ungefär 3 dB högre förstärkning än en kvartsvågsmonopol (figur 5). Därför är 5/8-vågsantenner populära som mobilantenner och basantenner på VHF. Impedansen är inte 50 ohm, så antennen har en liten spole eller ett anpassningsnät i foten.
Förkortning med spole#
Ofta finns det inte plats för en hel kvartsvåg, till exempel för en 27 MHz-antenn på en bil (2,6 m) eller en antenn på 80 m-bandet (19,5 m). Då kan antennen göras kortare och förlängas elektriskt med en förlängningsspole. Spolen lägger till den ”elektriska längd” som saknas, så att antennen kommer i resonans.
Förkortning har ett pris:
- Smalare bandbredd. Antennen fungerar bara inom ett smalare frekvensområde.
- Lägre verkningsgrad. Strålningsresistansen blir liten, och förlusterna i spolen och jordplanet tar en större del av effekten.
- Högre spänningar kring spolen och toppen.
De korta, spiralformade ”gummiantennerna” på handapparater är en förkortad monopol där hela antennen är en spole.
Inverterad V#
En dipol behöver två fästpunkter i ändarna. Ofta är det enklare att hänga upp mitten i en mast och låta armarna slutta nedåt mot marken, som ett upp och nedvänt V. Den kallas inverterad V och kräver bara en hög punkt. Vinkeln mellan armarna brukar vara 90–120 grader. Antennen blir rundare i sitt strålningsdiagram, impedansen sjunker mot 50 ohm och den behöver kortas några procent jämfört med en rak dipol.
Kontrollfrågor#
Var på en halvvågsdipol är strömmen störst, och var är spänningen störst?
Strömmen är störst i mitten, vid matningspunkten, och noll i ändarna. Spänningen är tvärtom störst i ändarna och lägst i mitten.
Hur lång ska en dipol för 145 MHz ungefär vara?
m, alltså ca 49 cm per halva.
Varför behöver en kvartsvågsmonopol ett jordplan?
Jordplanet fungerar som en spegel och skapar en spegelbild av monopolen. Monopolen och spegelbilden bildar tillsammans en hel dipol. Utan jordplan saknas den andra halvan, och strömmen letar sig i stället ut på kabelns utsida.
Varför lutar man radialerna på en groundplane-antenn nedåt?
Med vågräta radialer är impedansen ca 36 ohm. När radialerna lutar ungefär 45° nedåt stiger impedansen till nära 50 ohm och passar då en vanlig koaxialkabel bättre.
En lodrät dipol strålar lika åt alla håll i horisontalplanet. Gäller det också en vågrät dipol?
Nej. En vågrät dipol strålar mest vinkelrätt mot tråden och nästan inget åt trådens ändar. Den har ett åttaformat diagram i horisontalplanet.
Vad är nackdelen med att förkorta en antenn med en spole?
Antennen blir smalbandigare och verkningsgraden sjunker, eftersom strålningsresistansen blir liten jämfört med förlusterna i spole och jordplan.
En antenn har förstärkningen 5,15 dBi. Hur många dBd är det?
dBd = dBi − 2,15, alltså 5,15 − 2,15 = 3,0 dBd.