آنتن دوقطبی کوتاه: ساختار، اصول کار و الگوی تابش

آنتن دوقطبی کوتاه یکی از مدل‌های اساسی مورد استفاده در نظریه آنتن است. این یک آنتن سیمی خطی ساده است که طول کل آن بسیار کوچکتر از طول موج سیگنال عامل است. اگرچه ساختار آن بسیار ساده به نظر می‌رسد، اما دوقطبی کوتاه یک مدل مرجع مهم برای درک توزیع جریان، رفتار تابش، امپدانس آنتن و رابطه بین اندازه آنتن و طول موج است.

در مهندسی آنتن، یک دوقطبی معمولاً زمانی «کوتاه» در نظر گرفته می‌شود که طول کل آن کمتر از یک دهم طول موج باشد:

L < \frac{\lambda}{10}

در اینجا، (L) طول رسانای دوقطبی و (λ) طول موج در فرکانس کاری را نشان می‌دهد. این تعریف بر اساس طول الکتریکی است نه یک محدوده فرکانسی ثابت. به عبارت دیگر، یک دوقطبی کوتاه از نظر تئوری می‌تواند در باندهای فرکانسی مختلف ظاهر شود، مادامی که طول فیزیکی آن بسیار کوچکتر از طول موج باقی بماند.

از آنجا که آنتن از نظر الکتریکی کوتاه است، توزیع جریان در امتداد رسانا با توزیع جریان در یک دوقطبی نیم موج متفاوت است. در یک دوقطبی کوتاه عملی، جریان معمولاً در نزدیکی نقطه تغذیه حداکثر است و به سمت انتهای رسانا کاهش می‌یابد. از آنجایی که طول رسانا بسیار کوتاه‌تر از طول موج است، آنتن از اندازه فیزیکی خود برای تابش به طور مؤثر استفاده نمی‌کند. در نتیجه، دوقطبی‌های کوتاه معمولاً مقاومت تابشی کم و راندمان تابشی نسبتاً کمی دارند، به خصوص هنگامی که تلفات رسانا و تلفات تطبیق در نظر گرفته شوند.

یک مدل نظری مرتبط، دوقطبی بی‌نهایت کوچک است. یک دوقطبی بی‌نهایت کوچک، یک آنتن ایده‌آل است که طول آن بسیار کوچکتر از طول موج است. اغلب به صورت زیر بیان می‌شود:

[\دلتا l \ll \lambda]

در برخی از مدل‌های ساده‌شده آنتن، می‌توان فرض کرد که دوقطبی بی‌نهایت کوچک توزیع جریان تقریباً یکنواختی دارد. این امر، آن را برای تحلیل نظری مفید می‌کند، اگرچه به خودی خود یک ساختار آنتن عملی نیست. مهندسان اغلب از دوقطبی بی‌نهایت کوچک به عنوان یک بلوک سازنده برای درک مسائل پیچیده‌تر تابش آنتن استفاده می‌کنند.

در ساختارهای آنتن واقعی، صفحات بارگذاری خازنی یا عناصر بارگذاری بالایی ممکن است برای بهبود توزیع جریان یا کاهش اندازه فیزیکی سیستم آنتن استفاده شوند. این ساختارهای بارگذاری می‌توانند به کاربردی‌تر شدن یک آنتن کوتاه الکتریکی کمک کنند، اما این واقعیت اساسی را تغییر نمی‌دهند که یک دوقطبی کوتاه نسبت به یک آنتن رزونانسی مانند یک دوقطبی نیم موج، راندمان کمتری دارد.

الگوی تابش یک دوقطبی کوتاه از نظر شکل مشابه دوقطبی نیم موج است. اگر دوقطبی به صورت عمودی قرار گیرد، الگوی تابش آن تقریباً در صفحه افقی همه جهته است. در نمای دوبعدی، این الگو اغلب به شکل عدد هشت توصیف می‌شود که حداکثر تابش عمود بر محور آنتن و حداقل تابش در امتداد محور آنتن است.

آنتن‌های دوقطبی کوتاه معمولاً در سیستم‌های گیرنده فرکانس پایین و فرکانس متوسط مورد بحث قرار می‌گیرند، جایی که طول موج بسیار بلند است و یک آنتن رزونانس فیزیکی ممکن است برای ساخت بسیار بزرگ باشد. در این موارد، دوقطبی کوتاه یک ساختار گیرنده جمع و جور فراهم می‌کند، اگرچه تطبیق امپدانس و راندمان باید به دقت در نظر گرفته شوند.

از دیدگاه مهندسی، دوقطبی کوتاه چیزی بیش از یک شکل ساده آنتن است. این به توضیح اهمیت طول آنتن، چگونگی تأثیر توزیع جریان بر تابش و اینکه چرا آنتن‌های کوچک الکتریکی اغلب به شبکه‌های تطبیق یا تکنیک‌های بارگذاری نیاز دارند، کمک می‌کند. برای مهندسان RF و مایکروویو، درک دوقطبی کوتاه، پایه مفیدی برای مطالعه آنتن‌های کاربردی، آنتن‌های کوچک الکتریکی، آنتن‌های اندازه‌گیری و سیستم‌های آنتن پیشرفته‌تر فراهم می‌کند.