ANTÉNY PRO ZAČÍNAJÍCÍ - 1
Tento "traktát" jsou žalostné zbytky toho, co se podařilo důstojníkům Československé Lidové Armády natlouci do mé hlavy před padesáti lety. Předpokládám, že i dnes by to snad mohlo být někomu k užitku, zvláště těm, kteří se chystají postavit si svou prvou anténu. Vynechám zde některé nepodstatné záležitosti, jako jsou třeba antény zahrabané do země (ano, ono to skutečně na KV fungovalo) a problémy zaměřování, které by zajímaly snad jen zájemce o ROB (Hon na lišku). Zkušení anténáři mi snad prominou některá zjednodušení, použitá k snadnějšímu pochopení daného tématu. Předpokládám, že čtenář již ví, že existuje elektrická a magnetická složka elektromagnetických vln, atd. a po absolvování tohoto přehledu si prostuduje některá další díla.
Vysokofrekvenční energie vysílače se přenáší ve tvaru elektromagnetických vln prostorem mezi vysílačem a přijímačem. Na vysílací straně vyzařuje vysokofrekvenční energii do prostoru anténa vysílací, na druhé straně přijímací anténa tuto vyslanou energii opět zachycuje. Proto jsou antény nezbytnou součástí každého radiového spojovacího zařízení.
Tak od začátku. Anténa je zařízení pro vyzařování a příjem rádiových vln [1]. Již v roce 1888, Heinrich Hertz používal ve svých experimentech, dipólovou anténu (také se jí říká Hertzův dipól), i když ve skutečnosti prvá anténa byla použita pro vysílání a příjem v roce 1865, tedy přes dvacet let před Heinrichem Hertzem, patent byl udělen v roce 1872. Vysílací anténa se obecně definuje jako transformátor, který převádí vlnění šířící se podél vedení na vlnění ve volném prostoru. Přijímací anténa plní funkci opačnou.
Anténa je v podstatě laděný oscilační obvod, ve kterém jsou buzeny kmity buď přímo z výstupu vysílače, nebo (v případě přijímací antény) přijatou energií. Aby anténa dobře vyzařovala (nebo přijímala), musí být naladěna na kmitočet vysílače, tedy musí být v rezonanci s pracovním kmitočtem. Proto pro antény platí většina pouček o laděných rezonančních obvodech. Toto srovnávání s laděným obvodem ale poněkud pokulhává, jelikož klasický laděný obvod je tzv. uzavřený, kdežto anténa představuje otevřený laděný obvod. Takže čím se oba tyto obvody od sebe liší – uzavřené laděné obvody (oscilační obvody se soustředěnými parametry) mají celou svou indukčnost soustředěnu v cívce a kapacitu v kondenzátoru (viz obrázek 1).
Obrázek 1 – Paralelní laděný obvod.
Při kmitání laděného obvodu je magnetické pole soustředěno vždy uvnitř cívky a v jejím nejbližším okolí, elektrické pole je zase uvnitř kondenzátoru, mezi jeho deskami. Tyto uzavřené laděné obvody se používají v oscilátorech a zesilovačích pro generování a zesilování kmitů s vysokým kmitočtem. Vždy se zde snažíme o to, aby obě pole, magnetické i elektrické, byly soustředěny výhradně v obvodu a aby nevyzařovaly (nebo jen minimálně) do okolí. Naopak – z energie vyrobené vysílačem je žádoucí vyzářit do okolí co možná největší část. Tento úkol může plnit jen otevřený laděný obvod, který je vlastně podstatou antény.
Vznik otevřeného laděného obvodu můžeme odvodit z uzavřeného tak, že si představíme oddalování desek kondenzátoru, čímž se stále více rozšiřuje elektrické pole mezi jeho deskami (viz obrázek 2).
Obrázek 2 – vznik otevřeného laděného obvodu.
Obdobně rozvinutím vodiče cívky a jeho natažením získáme rovný vodič, jehož indukčnost bude rovnoměrně rozložena po celé jeho délce. Desky kondenzátoru na koncích vodiče již nebudou nutné (jen někdy, pro zkrácení antény, ale o tom se zmíním jindy), jelikož každý sebemenší úsek tohoto vodiče bude mít vůči jeho ostatním částem určitou (i když docela malou) kapacitu. Říkáme, že otevřený laděný obvod má indukčnost L a kapacitu C rozloženou po celé své délce. Elektrické a magnetické pole se při jeho kmitání uzavírá již jen vzduchem. Obě pole, jak elektrické, tak i magnetické spolu těsně souvisí, jsou nutně vázána jedno na druhé, proto celý prostor, v němž se projevují jejich účinky, považuje za jediné elektromagnetické pole.
Půlvlnný dipól
Základní, nejjednodušší anténou, je jednoduchý zářič tvořený rovným vodičem umístěným ve volném prostoru. Poněvadž energie vyzařovaného elektromagnetického pole je úměrná druhé mocnině vysokofrekvenčního proudu v zářiči, je žádoucí, aby tento proud byl při daném výkonu vysílače co možná největší. To bude možné jen tehdy, bude-li zářič při použitém kmitočtu v rezonanci. Nejlepší rezonující zářič je tzv. půlvlnný dipól. Jeho délka je odvozena ze vztahu:
kde l = délka vlny v metrech
v = rychlost šíření elektromagnetických vln
f = použitý pracovní kmitočet.
Délka dipólu (půlvlnné antény) je pak
Obrázek 3 – rozložení proudu a napětí
Obrázek 4 – proudové napájení dipólu
Obrázek 5 – napěťové napájení dipólu
Málo známou skutečností je fakt, že anténa dodává do napáječe jen polovinu přijaté energie, druhou polovinu vyzáří zpět do prostoru. Tuto okolnost zjistil již Dr. Hidetsugu Yagi, a doplnil tedy dipól dalším prvkem, tak zvaným reflektorem, dle toho, že vyzářenou energii z nežádoucího směru odrážel zpět žádoucím směrem. V žádoucím směru pak přidal tak zvané direktory, které jsou naladěny tak, aby energii soustředily také tímto směrem (obrázek 6).
Obr. 6 - Anténa typu Yagi - Uda
Tyčová anténa
Pokud půlvlnný dipól postavíme kolmo k zemi, dá se jedna polovina dipólu nahradit povrchem země. Takto dostaneme tzv. tyčovou anténu (vertikál) o délce l/4 (obrázek 7). Rozložení napětí a proudu odpovídá polovině dipólu, viz obrázek 8.
Obr. 7 – Tyčová anténa
Obr. 8 – rozložení proudu a napětí.
Na horním (volném) konci je maximální napětí a minimální proud (dál už nemá kam téci), říkáme že tam je uzel napětí a kmitna proudu. Tento systém antén se používá v širokém rozsahu kmitočtů (samozřejmě dle délky zářiče) hlavně pro přenosné, základnové a pojízdné radiostanice. Aby se nemusela dělat anténa příliš dlouhá, zvláště pro nižší kmitočty (třeba CB a podobně), volí se délka kratší než čtvrtina použité vlnové délky a taková anténa se pak chová jako kapacita. Abychom anténu dostali do rezonance na požadovaném kmitočtu (délce vlny), zařadí se do série s anténou ještě cívka, která svou indukčností vyváží kapacitu antény, tedy ji doladí (viz obrázek 9). Tím docílíme toho, že do antény teče stejný proud, jako do antény s plnou délkou. Této doplňkové cívce se pak říká prodlužovací cívka, v některých případech se provede i jako laditelná, hlavně u profesionálních stanic, a pak se změnou její indukčnosti doladí anténa při změně pracovního kmitočtu. Jak určit parametry prodlužovací cívky je pěkně popsáno v http://www.cbdx.cz/clanek475-anteny-anteny-18.htm.
Obr. 9 – Prodloužení antény cívkou.
Je však nutno si uvědomit, že geometrické zkrácení anténního vodiče má za následek menší vyzařování energie do prostoru (a samozřejmě recipročně také méně přijaté energie v případě přijímací antény), i když je anténa elektricky prodloužena prodlužovací cívkou na správnou hodnotu. Energii vyzařuje (a přijímá) pouze vlastní anténa, magnetické pole cívky je omezeno na malý prostor samotné cívky čili k yzařování nepřispívá. Proto se doporučuje používat prodlužovací cívku s pokud možno malou indukčností a délku samotné antény pokud možno co nejblíže hodnotě čtvrtině použité vlny.
Vyzařovací charakteristiky antén.
Vyzařovací charakteristiky jsou vlastně grafické znázornění, jak silně anténa vyzařuje nebo přijímá do nebo z různých směrů. Tak třeba takový dipól může být umístěn vysoko, nebo nízko nad zemí. Tím se liší i jeho vyzařovací charakteristiky. Vysoký dipól musí být umístěn nejméně jednu čtvrtinu vlnové délky nad zemí, čím výše, tím lépe. V těchto případech vyzařuje (nebo přijímá) maximálně v rovině kolmé na osu dipólu, tedy dopředu, dozadu, dolů, jak je znázorněno na obrázcích 10 a 11. Dipól je tedy nutno umístit tak, aby směr k protistanici byl vždy ve směru maximálního vyzařování.
Obr. 10 – Vyzařování vysokého dipólu v horizontální rovině (představte si pneumatiku)
Obr. 11 – Vyzařování dipólu ve vertikální rovině
V případě, že dipól umístíme nízko nad zemí, tedy níže než jednu čtvrtinu vlnové délky, jeho vlastnosti se zásadně změní. Vlivem země bude dipól vyzařovat (a přijímat) především ve směru své osy, jak je znázorněno na obrázku 12.
Obr. 12 – Vyzařování nízkého dipólu v horizontální rovině
Kromě toho blízkost země způsobí zkrácení vlnové délky a tím i vodiče antény na 3/4 původní délky. V těchto případech se délka půlvlnného dipólu urči podle vzorce
Podle tohoto vzorce lze vypočítat zkrácení libovolně dlouhé antény umístěné nízko nad zemí, tedy méně, než čtvrtinu vlnové délky.
V případě tyčových antén, často používaných hlavně u přenosných a vozidlových případně u základnových radiostanic, je možno jejímu rozměry určit zda se má pracovat s blízkými, středně vzdálenými, či velmi vzdálenými stanicemi. Při vyzařování šikmo vzhůru se vlna odráží od ionosféry a dopadá na zem (a tedy protistanici) ve značné vzdálenosti. V těchto případech se používají antény o rozměrech od 0,8 l až po 2 l. Jak vypadá vyzařovací diagram v těchto případech, je znázorněno na obrázcích 13 až 18.
Obr. 13 – Vyzařování antény l/8
Obr. 14 – Vyzařování antény l/4
Obr. 15 – Vyzařování antény l/2
Obr. 16 – Vyzařování antény 5/8l
Obr. 17 – Vyzařování antény 3/4l
Obr. 18 – Vyzařování antény 1l
Pokračování příště.