Диполна антена или симетричен вибратор е проста антена от две еднакви проводящи части с централна симетрия, свързани към преносна линия симетрично спрямо центъра. Те представляват метални пръчки или жици с разнообразна конструкция. В класическата си форма това е прав проводник, захранван по средата на дължината си от генератор на високочестотни токове. Токът в двете рамена на дипола е с една и съща посока, а в симетричните му точки е еднакъв по амплитуда и противоположен по фаза.Д. Д. Дамянов – Антенни устройства, Военно издателство, София, 1978 г.Никольский В. В., Никольская Т. И. – Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. С. 324 (на руски).

Най-простият симетричен вибратор е диполът на Херц. Той е относително къс (в сравнение с дължината на вълната) прав електрически проводник с прекъсване в средата, захранван (в режим на излъчване) в точките на прекъсване от генератор на високочестотен ток. Първите експерименти с такава антена са проведени от Хайнрих Херц през 1886 – 1888 г.В конструкциите на Херц и неговите последователи, в краищата на вибратора може да се поставят метални топки, квадратни листове или дискове. Прототип на дипола на Херц е елементарният електрически дипол (ЕЕД), който е много по-къс от дължината на вълната и в двете му рамена токът е с постоянна амплитуда.

Симетричният вибратор се захранва най-лесно със симетрична двупроводна линия, но може и с коаксиална линия през съгласуващо устройство. Той е слабонасочена антена и не излъчва по оста си. Диаграмата на насоченост на всеки вибратор е с нули по оста му и максимум най-често в равнината, перпендикулярна на дипола. Симетричният вибратор масово се използва в радио- и телекомуникациите като самостоятелна диполна антена или елемент на антенна решетка в целия диапазон на радиовълните.Михайлов М. А. – Специализирани антени, Шумен, 2001 г.

Класификация Основната класификация на вибраторните антени е според размерите. В практиката най-често се използват тънки вибратори с напречен размер много по-малък от дължината им и от дължината на вълната , където е диаметърът на цилиндричен вибратор или ширината на плосък дипол.

Вибраторът се нарича къс, ако дължината му е и дълъг, ако

Според конструкцията диполите могат да са единични, двойни и тройни; цилиндрични и плоски; правоъгълни, триъгълни, решетъчни, трипрътови, перфорирани и др.

Според работните честоти се делят на теснолентови (резонансни) диапазонни.

Теория на симетричния вибратор Разпределение на тока и заряда по вибратора Точното решение на основната задача от теорията на антените (определяне на характеристиките и параметрите) за симетричния вибратор е свързано с редица трудности, тъй като законът на разпределение на тока по вибратор с произволна дебелина е неизвестен. За най-използваните тънки вибратори с крайна дебелина разпределението на тока по вибратора може да се получи по-просто, но с по-малка точност, ако той се замени с някаква еквивалентна двупроводна линия – в този случай разпределението по вибратора, както и по линията е синусоидално. Този метод на анализ е използван за пръв път от съветските учени М. В. Шулейкин и И. Г. Кляцкин.

Симетричният вибратор може да се разглежда като получен от двупроводна линия чрез отдалечаване на краищата на проводниците до завъртането им на 90°, при което те застават в една линия – оста на вибратора. Така двата проводника се превръщат в двете рамена на вибратора. Разликата се състои в това, че двупроводната линия е неизлъчваща система, а и вибраторът е излъчваща система.

От аналогията между двупроводната линия и симетричния вибратор, а също и от резултатите, получени при строгото решаване на основната задача, и от експериментални изследвания е установено, че разпределението на тока по дължината на тънък дипол се определя от израза

където е амплитудата на тока в максимума на разпределението; – дължината на едното рамо на вибратора; – координатата по дължината на вибратора, отчитана от средата му; е вълновото число; ( – дължината на вълната).

Поради загубите при излъчване разпределението на тока по вибратора не е строго синусоидално, но изчисляването на полето, основано на синусоидално разпределение, дава добро съвпадение с експерименталните резултати. Строгата теория потвърждава, че в тънките вибратори токът е разпределен по приблизително синусоидален закон и отговаря на горната формула.

Диполът създава излъчващо поле, което не е потенциално, затова понятията „напрежение“ и „потенциална разлика“ са неопределени, за разлика от дългите линии. Затова при вибратори, които са съизмерими с дължината на вълната, разпределението на напрежението се заменя с разпределение на заряда. Зарядът се разпределя така, както напрежението в отворена линия – по косинусоидален закон. На максимумите на тока съответстват нули на заряда и обратно.

Характеристики на симетричния вибратор За определяне полето в далечната зона, създадено от симетричния вибратор, може да се използва изразът за напрегнатостта (интензитета на полето) на вертикален праволинеен проводник в свободното пространство:

Правите съединяват различните участъци от дипола с точката на наблюдение, в която се определя полето. Тъй като точката е на голямо разстояние, може да се приеме, че тези прави са успоредни, следователно и

където е разстоянието от средата на вибратора до точката на наблюдение, а е вертикалният ъгъл.

Ако се разгледат два симетрични участъка с токове, отговарящи на условие (1), след заместване на равенство (4) в (2) се достига до равенството

След интегриране и някои преобразования се получава крайният израз за напрегнатостта на електрическото поле на симетричния вибратор

Анализът на последната формула показва, че тя се състои от три части: множител, който определя амплитудата на напрегнатостта на полето в пространството – ; множител, който взема под внимание фазата (фазова характеристика) – ; множител, определящ насочените свойства (характеристика на насоченост) – .

Наличието на в знаменателя на израза (6) показва, че симетричният вибратор, както и елементарният електрически дипол, създава сферична вълна.

Липсата на ъгъла в характеристиката на насоченост показва, че диполът няма насоченост в равнината, перпендикулярна на оста му и в нея излъчва равномерно във всички посоки – ХН . Свойствата на насоченост в равнина при се определят от характеристиката на насоченост (ХН)

където ъгълът се отчита от оста на вибратора. Ако ъгълът се отчита от нормалата към оста на вибратора, в тази формула се заменя със , а се заменя с . Формулата показва, че по оста на вибратора ХН и няма излъчено или прието електромагнитно поле.

От този израз могат да се получат характеристиките на насоченост за вибратори с конкретна дължина и техните ХН по мощност

.

В таблицата вдясно третата колона дава общата излъчена мощност, интегрирана по целия пространствен ъгъл, базирана на изразите за характеристиките на насоченост във втората колона:Klaus Kark – Antennen und Strahlungsfelder, , стр. 245 – 250.

Получените числени стойности характеризират пространственото разпределение на излъчваната мощност и са мярка за относителната ширина на сектора на максимално излъчване – главния лист на диаграмата на насоченост.

+ Характеристики на насоченост на диполиДиполизотропенЕЕД <<λ(дипол на Херц)полувълноввълнов ~вълнов ~

Диаграми на насоченост и параметри на дипол В равнина, перпендикулярна на оста за всички посоки и диаграмата на насоченост има формата на окръжност.

В зависимост от отношението на дължината на вибратора към дължината на вълната и мястото на включване към него на фидера, амплитудното разпределение на тока и диаграмата на насоченост на симетричния вибратор в равнината на оста му /графиката на ХН / имат вида, изобразен на фигурата. Показани са ДН в дясното полупространство, тъй като са симетрични спрямо оста на дипола. Вибраторът може да се разглежда като съставен от безкрайно близко разположени елементарни електрически диполи (непрекъсната антенна система), а ДН е интерференция от техните полета. Полетата на ЕЕД се сумират синфазно по нормалата към оста на вибратора, затова полето е най-силно в това направление и ДН има максимум. С увеличаване на дължината на вибратора нараства броят на ЕЕД, фокусиращото им действие става по-силно и ДН се стеснява. При дължина по дипола се нанася повече от една вълна на тока и се появява участък с противоположна посока на тока в сравнение с останалата част на вибратора. Той създава поле с противоположна фаза, което се изважда от основното и го отслабва, като създава странични листи в ДН. Главният лист продължава да се стеснява, но намалява неговата амплитуда. При главният лист е най-тесен. При амплитудата му е по-малка от тази на страничните листи, които се изместват към оста на вибратора. При участъците с противоположна посока на тока са равни и затова излъчването по нормалата изчезва – остават само допълнителните листа. Подобна диаграма с два симетрични максимума, но с по-голяма ширина може да се получи и с два пъти по-къс дипол , но с несиметрично захранване – двете рамена са с различна дължина.

При дължина на дипола ДН в пространството има формата на тороид. Тя е ненасочена в равнината, перпендикулярна на оста на вибратора. Във всяка равнина на оста ДН е с максимум, перпендикулярен на оста, като амплитудата намалява до нула по оста на дипола по формула (7).

Тези свойства не зависят от разположението на симетричния вибратор. Следователно хоризонталният дипол няма насочени свойства във вертикална равнина под прав ъгъл (90°) спрямо оста му, а в хоризонтална равнина излъчването и приемането са максимални в направление, перпендикулярно на оста му. Обратно, вертикалният дипол няма насочени свойства в хоризонтална равнина, а във вертикална равнина излъчва и приема максимално също под прав ъгъл спрямо оста си (в хоризонтално направление).

Ако се пренебренат загубите при излъчване и се приеме к.п.д. , коефициентът на усилване на антената е приблизително равен на коефициента на насочено действие , който е 1,5 (1,76 dBi или -0,39 dBd) за къс дипол и нараства до 1,64 (2,15 dBi или 0 dBd) за полувълнов дипол. За ⁠5/4-⁠вълнов дипол усилването допълнително се увеличава до около 5,02 dBi, което прави тази дължина желателна, въпреки че дължината не е резонансна. По-дългите диполи от този имат многолистови ДН и с по-слабо усилване дори по главния лист (освен ако не са много по-дълги). Други подобрения на дипола (като например включване на ъглов рефлектор или антенна решетка от диполи) могат да се разглеждат, когато е желана по-съществена насоченост. Такива конструкции на антени, макар и базирани на полувълновия дипол, обикновено получават свои собствени имена.

Ширината на диаграмата на насоченост и коефициентът на насочено действие на характерните диполи са показани в таблицата. + Параметри на диполи [ dB ] Забележка ≪0,5 120 1,5 1,76 ниска ефективност 0,5 80 1,64 2,15 най-разпространен 1,0 44 2,4 4,0 само за дебели вибратори;най-голяма амплитуда 1,25 31 3,18 5,023 най-голяма насоченост 1,5 2,24* 3,5* трета хармонична;* – страничен лист 2,0 2,69* 4,3* не се използва;* – страничен лист Съпротивлението на излъчване в максимума на тока може да се определи от мощността на излъчване в свободното пространство. При след преобразуване се получава формулата:

където е отчетено вълновото съпротивление на свободното пространство .

За полувълнов дипол , а за вълнов вибратор и След тази дължина съпротивлението на излъчване намалява: при то е Кочержевский Г. Н. – Антенно-фидерные устройства, М., Связь, 1972. а при – После отново се увеличава до при и колебателното изменение продължава. Нарастването се дължи на увеличаване на броя на елементарните съставящи диполи, участващи в излъчването на електромагнитна енергия, а намаляването – на увеличаване дължината на появилите се участъци с противоположна посока на тока, чието поле е с обратна фаза и намалява излъчването на главния лист на ДН.

Коефициентът на насочено действие в посока на максимума на ДН се определя от израза