Антенна, это устройство, можно сказать зонд, который помещается в пространство для создания радиоволн (передающая антенна) или отбора энергии радиоволн (приемная антенна).
Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты поступающую с выхода передатчика по линии передачи (кабелю или волноводу) в энергию электромагнитных волн.
Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты которая от антенны по линии передачи поступает на вход приемника.
Линии для передачи энергии (кабели, волноводы) между антенной и устройством еще называют фидерами.
Одна и та же антенна может быть, как передающей, так и приемной. Все зависит от того подключена она к передатчику или приемнику.
На рисунке ниже показан принцип распространения радиоволн. Подробнее о нем говорилось в Уроке 2.1. Напомним его. Всякое изменяющееся электрическое поле (Е) вызывает появление изменяющегося магнитного поля (Н), сдвинутого относительно него в пространстве и времени.
В свою очередь, всякое изменяющееся магнитное поле вызывает появление изменяющегося электрического поля так же сдвинутого относительно него в пространстве и времени.
Распространение электромагнитного поля происходит со скоростью света, равной 3х108 м/сек.
Изменение величины (амплитуды) поля происходит с частотой изменения токов, поступающих с выхода передатчика. Поэтому в пространстве амплитуды векторов электрического (Е) и магнитного (Н) поля располагаются с периодом λ.
Напомним, λ — это длина волны. Она определяется как скорость света (в метрах в секунду) деленная на частоту (в Герцах):
λ (м)= 3×108 (м/сек) / f (Гц)
Из рисунка видно, если поместить зонд (антенну) между точками А и В, то можно получить максимальное значение сигнала. Расстояние между точками А и В равно λ/2.
Именно поэтому размеры антенны должны быть соизмеримы с длиной волны (частотой) передаваемого (принимаемого сигнала.)
Чем выше частота передаваемого (принимаемого) сигнала, тем меньше геометрические размеры антенны.
Антенны для длинных, средних и коротких волн имеют большие геометрические размеры и выполняются с использованием мачт, растяжек и других довольно громоздких конструкций.
Пример простейшей антенны для средних волн:
В радиоприемниках, для уменьшения геометрических размеров антенн средних и длинных волн, их выполняют на ферритовых сердечниках:
Антенны УКВ и телевизионных частот, имеют гораздо меньшие размеры и выполняются, как правило, из полых трубок, обычно алюминиевых.
Ниже на рисунке «а» изображена телевизионная антенна «волновой канал» с указанием размеров ее элементов в привязке к длине волны λ, а на рисунке «б» ее диаграмма направленности.
Антенны для работы на более высоких частотах, несколько гигагерц, уже выполняются в виде зеркала и облучателя, установленного в фокусе этого зеркала. Наиболее распространенными представителями таких антенн являются спутниковые.
Пример такой антенны:
Из приведенной выше информации становится понятно, что конструкции антенн очень разнообразны. Но, несмотря на такое разнообразие у антенн много общих параметров и характеристик.
Рассмотрим основные из них. Поскольку антенны обладают принципом взаимности (параметры на прием и передачу аналогичны), мы будем говорить о приемных антеннах.
- Диапазон рабочих частот. Это полоса частот, в пределах которой параметры антенны сохраняют значения, обеспечивающие необходимый уровень сигнала на выходе антенны.
- Диаграмма направленности антенны – это график, показывающий зависимость уровня сигнала на зажимах антенны от направления прихода сигнала.
- Коэффициент усиления антенны по напряжению – это отношение напряжения на выходе антенны к величине напряжения на выходе полуволнового вибратора, помещенного в ту же точку приема. Коэффициент усиления антенны тем выше, чем уже диаграмма направленности антенны.
- Входное сопротивление антенны Zвх – это отношение напряжения к току на зажимах антенны. Чем ближе входное сопротивление антенны (Zвх) к волновому сопротивлению фидера (Zв), тем лучше согласованы антенна и фидер. Чем лучше они согласованы, тем больше энергии передается от антенны к фидеру. Степень согласования оценивается коэффициентом бегущей волны (КБВ). Если Zвх = Zв , то КБВ = 1 и вся энергия от антенны передается в фидер. При этом в фидере устанавливается режим бегущей волны. Конечно, при этом на другом конце фидера, где он подключен ко входу приемника, так же должно выполняться согласование Zв с входным сопротивлением приемника.
- Поляризация. Определяется по ориентации в пространстве вектора электрического поля (Е). При его вертикальном расположении поляризация называется вертикальной, при горизонтальном расположении (параллельно поверхности земли) — горизонтальной. Выставляется поляризация положением передающей антенны и приемная антенна должна располагаться с учетом этой информации.
Правильно подобранная и установленная антенна может в разы повысить качество сигнала на входе радиоприемника или телевизора.