Elektromagnetischer Dipol

Eine Dipolantenne (di, lat. zwei – Zweipolantenne) ist eine gestreckte Antenne, die aus einem (ggf. gefalteten) geraden Metallstab oder Draht besteht, der auch geteilt sein kann. Sie wandelt hochfrequenten Wechselstrom und elektromagnetische Wellen ineinander um, kann also sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt werden.

Gestreckter λ/2-Dipol (oben) und λ/2-Faltdipol

Die optimale Länge einer λ/2-Dipolantenne ist etwa die Hälfte der Wellenlänge λ des speisenden hochfrequenten Wechselstromes. Eine Verkürzung oder Verlängerung der Stäbe hat eine Änderung der Resonanzfrequenz zur Folge.

λ/2-Dipolantennen

Bei λ/2-Dipolen befindet sich in der Mitte ein Strommaximum und an beiden Enden ein Spannungsmaximum. Es gibt zwei Bauformen:

• Der Dipol kann in der Mitte geteilt werden, um dort ein symmetrisches Kabel anzuschließen. Dessen Impedanz muss für Leistungsanpassung relativ gering (etwa 70 Ω) sein. Falls ein unsymmetrisches Koaxkabel verwendet werden soll, ist an dieser Stelle ein Symmetrierglied (Balun) erforderlich.
• An einem Ende des Dipols kann ein unsymmetrisches Kabel angeschlossen werden, dessen Impedanz relativ hoch (etwa 2000 Ω) ist. Falls ein niederohmiges Koaxkabel verwendet werden soll, ist an dieser Stelle ein Resonanztransformator zur Leistungsanpassung erforderlich.

hochfrequentes elektrisches und magnetisches Feld um eine vertikal polarisiert strahlende Dipolantenne

Räumliche Richtcharakteristik eines vertikalen Halbwellendipols

Dipolantenne mit Anpassung (Lecherleitung) für 1,5…3 GHz

Faltdipol (1), Reflektorstäbe (2) und Direktoren (3) einer Yagiantenne.

Entstehung eines Dipols aus einem Schwingkreis

Die Impedanz eines offenen Dipols der Länge λ/2 und einem Leiterdurchmesser von 0 ist 73,2 Ohm.
Um einen λ/2-Dipol exakt resonant zu machen, muss ein Verkürzungsfaktor von 0,96 gegenüber der Freiraumwellenlänge angewandt werden, das heißt, ein „λ/2-Dipol“ muss zur Beseitigung des Imaginärteiles 0,48 λ lang sein. Das gilt für einen Dipol, der unendlich dünn ist. Da aber in der Realität der Durchmesser der Dipolelemente > 0 ist, sinkt der Verkürzungsfaktor in Abhängigkeit vom realen Durchmesser weiter ab.

Auch der Faltdipol ist eine Art des λ/2-Dipols. Bei ihm erfolgt die Speisung in der Mitte eines von zwei parallelen Leitern, die an den Enden miteinander verbunden sind. Seine Impedanz ist 4-mal höher als die des gestreckten λ/2-Dipols, da nur der halbe Strom über die Speisepunkte fließt. Das passt sehr gut zum Balun aus einer λ/2-Umwegleitung, der die Impedanz auf 1/4 reduziert und den Anschluss eines üblichen Koaxkabels ermöglicht.

Das Richtdiagramm eines horizontalen λ/2-Dipols ähnelt einer liegenden Acht. Die Halbwertsbreite der Keulenöffnungen ist 78°.

Die Richtwirkung einer Dipolantenne kann durch Hinzufügung weiterer Elemente gesteigert werden, siehe dazu Yagi-Antenne.

In Fällen, bei denen die Richtwirkung gerade nicht erwünscht ist, z. B. bei angestrebtem Rundum-Empfang oder -Senden, kann man zu einem Knickdipol greifen, bei dem die beiden Metallstäbe im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

Das Prinzip der Dipolantenne geht auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz zurück, der als erster elektromagnetische Wellen experimentell nachweisen konnte. Sein Dipol (Hertzscher Dipol), der wesentlich kleiner als λ/8 war, hat nur noch theoretische Bedeutung.

Der Antennengewinn G eines λ/2-Dipols (bezogen auf einen isotropen Strahler) beträgt 2,2 dBi und, auf sich selbst bezogen, 0 dBd:

Richtcharakteristik eines strahlenden Stabes mit unterschiedlicher, auf die Wellenlänge bezogener Länge.

$G = 2{,}2\,\mathrm{dBi} = 0\,\mathrm{dBd}$

Die Wirkfläche A_W hängt im Resonanzfall nur ab von der Wellenlänge:

$\frac{A_\mathrm{W}}{G} = \frac{\lambda^2}{4 \cdot \pi}; \quad A_\mathrm{W} = \frac{G \cdot \lambda^2}{4 \cdot \pi} = \frac{1{,}7 \cdot \lambda^2}{4 \cdot \pi} \approx \frac{\lambda^2}{8}$

Ganzwellendipole

Stromverteilung (rot) und Winkelverteilung der Strahlung (blau) an einem Dipol bei verschiedenen Wellenlängen

Setzt man zwei ungespeiste Halbwellendipole längs aneinander und speist deren einander zugewandte Enden, entsteht ein Ganzwellendipol. An den Enden der λ/2-Elemente befinden sich Spannungsmaxima, Ganzwellendipole haben daher eine sehr hohe Speiseimpedanz (> 1 kOhm). Vorteilhaft gegenüber dem Halbwellendipol ist die leicht verbesserte Richtwirkung und damit ein erhöhter Antennengewinn.

Um Antennen aus Ganzwellendipolen zusammenzusetzen und übliche Kabelimpedanzen (etwa 50 Ω) zu erzielen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:

• Man schaltet oft mehrere Ganzwellendipole zu einem Array zusammen und speist sie phasenrichtig parallel.
• Man ändert die Speiseimpedanz mit Hilfe eines Resonanztransformators.
• Man kann die Impedanz senken und zugleich die Bandbreite erhöhen, wenn man an Stelle dünner Stäbe Flächendipole wählt. Solche Flächendipole (oder gleichwertig aus v-förmigen Stäben gebildete Elemente) werden auch als Strahler in Yagi-Antennen verwendet. Die passiven Elemente dieser Antennen dimensioniert man für den oberen Teil der Frequenzbandbreite des Flächendipols, so dass der Gewinn nach höheren Frequenzen hin ansteigt.

Ein weiteres Aneinanderfügen von Dipolen wird selten gemacht, weil sich dadurch im Strahlungsdiagramm unerwünschte „Nebenkeulen“ ergeben. Die Antenne „schielt“ dann.

Siehe auch

• Antennendiagramm
• Richtantenne
• Höhendipol
• Kreuzdipol
• Bodendipol
• endgespeister Dipol

Literatur

• Martin Gerhard Wegener: Moderne Rundfunk-Empfangstechnik. Franzis-Verlag, München 1985, ISBN 3-7723-7911-7

Weblinks

• Sehr schöne Darstellung der Wellenausbreitung eines Dipols
• Abgestimmte Halbwellen Dipole