2019 július 24 - szerda

2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

Ahhoz, hogy megértsük, mi a különbség a Tesla féle vezetéknélküli energiaátvitel és a rádiózás között, nézzük át először az antennák néhány alapfogalmát.

Minden egyes elektromos vezető tartalmaz szabad elektronokat, melyek már szobahőmérsékleten leszakadnak az atommagokról. A szabad elektronok azonban nem csak villamos töltéssel rendelkeznek, hanem a mozgásuk következtében mágneses erőteret is kialakítanak maguk körül.

Külső erő nélkül a szabad elektronok rendezetlen mozgást végeznek, egyik elektron előre, a másik hátra, a harmadik jobbra, a negyedek balra és így tovább. Ennek a rendezetlen mozgásnak az eredője zérus, azaz kifelé a villamos vezető körül se mágneses, se pedig elektromos mezőt nem érzékelhetünk.

Külső áramforrást alkalmazva azonban a szabad elektronok rendezett, egyirányú, a külső erőhatás irányának megfelelő mozgást végeznek, így a villamos és mágneses erőterük már nem oltják ki egymást, hanem összegződnek. Az így kialakult elektromágneses mező viszont már kölcsönhatásba lép a tér minden pontján jelenlévő elektromágneses mezővel, abban hullámokat kelt, melyek gömbszerűen, a tér minden irányába elkezdenek terjedni. Mivel a forrás energiája véges, s mivel a forrástól távolodva a terjedési gömb "felszíne" egyre nagyobb lesz, ezért a gömb felszínének egy adott pontja egyre kevesebb és kevesebb energiát tartalmaz.

Ha az elektromágneses hullám terjedésének útjába egy másik elektromos vezetőt helyezünk, akkor annak szabad elektronjaira erőhatást fog kifejteni a gerjesztett EM mező, azaz a vezető szabad elektronjait rendezett mozgásra készteti. Az elektronokat egy fogyasztón keresztülvezetve számunkra hasznos munkavégzésre késztethetjük.

Amennyiben az adóantennára kapcsolt áramforrásunkat megfelelő tartalommal látjuk el – azaz moduláljuk – akkor a vevőantennán érzékelt jelet visszaalakítva – demodulálva – információt közölhetünk vezeték nélkül.

Nagyon röviden ez a rádiózás alapja.

Mint látjuk, ez a rendszer nem alkalmas arra, hogy jelentős energiát továbbítsunk az EM mezőn keresztül, mivel a forrástól távolodva a tér adott pontján az energia drasztikusan csökken. Vagy mégis lehet energiát közölnünk az éteren keresztül? Erről lesz szó a következő oldalon. Előtte azonban ismerkedjünk meg pár alapfogalommal.

Virtuális foton

A kvantumfizika meghatározása szerint az EM mezőt gyakran tekintik virtuális fotonok felhőjének, mely virtuális fotonokat a töltött részecskék sugározzák ki magukból bizonyos távolságra, majd ezt követően a fotonok visszatérnek a forrásukhoz. Minden egyes virtuális foton egy nagyon kis mennyiségű energiával rendelkezik. Ha azt nem tudja – megfelelő fogyasztónak vagy elnyelőnek juttatva – valós energiává átalakítani, akkor a virtuális foton visszatér a forrásához és visszaadja a kölcsönvett energiát.

Ezek szerint egy reaktív régió alakul ki a töltés körül, mely többnyire "képzeletbeli", azaz kölcsönzött energiával rendelkezik. Ez magyarázza, hogy mivel a virtuális foton csak kölcsönzi az energiáját, ezért nem tud hosszabb ideig létezni a rezgési frekvencia egy ciklusnyi idejénél. Úgy is felfoghatjuk a virtuális fotonokat, mint amiknek az E és H mezeje nincs fázisban.

A következő oldalakon majd látni fogjuk, hogy a virtuális foton elmélete nem biztos, hogy helytálló.

Hullámhossz

Ahhoz, hogy a villamos vezetőben keltett elektromos áram állandóan hatással legyen az EM mezőre, az áramnak állandó változásban kell lennie. A legjobb jelalak erre a célra a szinusz hullám. Minden szinusz hullám adott frekvenciával is rendelkezik, s a közegtől függően az adott frekvencián a hullám egy periódusának a hossza is meghatározható.

hullamhossz 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

1. ábra. A hullámhossz meghatározása

A hullámhossz (l) fordított arányban áll a frekvenciával, a közöttük lévő arányosságot pedig a fény vákuumban mért terjedési sebessége adja meg. Ezek szerint:

l = c / f

ahol:

  • l – a hullámhossz (m)
  • c – a fény sebessége (3*108 m/s)
  • f – a hullám frekvenciája (1/s = Hz)

Amennyiben nem vákuumban terjed az EM hullám, akkor valamelyest eltér a hullámhossza, de ez annyira kis eltérés, hogy nyugodtan figyelmen kívül hagyhatjuk.

Az antenna hossza

Az antenna hosszát több paraméter is befolyásolja, bár elsősorban a kisugározni vagy venni kívánt jel hullámhossza a meghatározó. Attól függően, hogy az antenna hossza milyen arányban van a venni kívánt jel hullámhosszával, beszélhetünk félhullámú, negyedhullámú stb. antennáról. Minél alacsonyabb a jel frekvenciája, annál hosszabbnak kel lennie az antennának. Ez az egyik oka, hogy a rádiózásban a technika fejlődésével egyre magasabb frekvenciákat használunk, bár van több más ok is, pl. az átvinni kívánt jel sávszélessége, a torzítások csökkentése stb.

Közeli és távoli zóna

Az antenna közvetlen közelében a vezeték jelenléte miatt a mágneses és elektromos hullámok nem 90 fokban térnek el egymástól, azaz a fázisviszony torzul. Amikor azonban "leszakadnak" a hullámok az antenna vonzáskörzetéből, akkor visszaáll a 90 fokos eltérés. Ez az antennától 3-6 hullámhossznyi távolságtól kezdődik. A torzult zónát közeli zónának, az antennától messzebb levő zónát pedig távoli zónának nevezzük. A két zóna matematikai leírása eltér egymástól, de mind a kettőt a Maxwel egyenletek segítségével jellemezhetjük.

Az antennák fajtái

Az antennákat több szempont szerint csoportosíthatjuk. Az első antennák a földre merőlegesen, függőlegesen készültek és a föld biztosította az antenna "tükörképét". Az antenna hossza a továbbítani vagy venni kívánt jel hullámhosszának egynegyede, ezért ezt az antennát negyedhullámú vertikális antennának, vagy más néven Marconi antennának hívják a feltalálója tiszteletére. Mikor ilyen antennát használunk, akkor nagyon fontos a jó vétel érdekében, hogy leföldeljük a rádiókészülékünket. Az AM (középhullámú) adótornyok magassága meg kell, hogy egyezzen az adni kívánt jel hullámhosszának negyedével, így pl. a 810 kHz-es adótorony magassága 88 m kell legyen.

Az antennák másik csoportját a dipólus antennák alkotják, azaz a jel mindkét pólusát az antenna egy-egy végére kapcsoljuk. A dipólus antennák két típusát különböztetjük meg aszerint, hogy az elektromágneses mező elektromos vagy mágneses mezejével lép-e kapcsolatba. Amikor a mágneses mezőt szeretnénk változtatni, akkor induktív antennát használunk, amikor pedig az elektromos mezőt, akkor kapacitív antennát. A következő ábrák ezt a két fajta antennát szemléltetik.

ant-basics-fig3 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

2. ábra. Félhullámú kapacitív dipólus antenna

A félhullámú kapacitív antenna csak egy szűk sávban veszi a jeleket, ezért dolgozták ki japán tudósok az 1930-as években az úgynevezett Yagi antennát, ahol több, különböző kapacitív elem van elhelyezve egy központi rúdra, így minden egyes elem adott sávszélességet ölel át, a teljes sávszélesség pedig jelentősen megnő.

ant-basics-fig6 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

3. ábra. Yagi antenna

ant-basics-fig4 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

4. ábra. Félhullámú induktív (hurok) dipólus antenna

A hurokantenna széles sávban veszi a jeleket, ezért láthatjuk gyakran a TV készülékek antennájaként. Ennek egy másik formája a tekercselt hurokantenna, amit a középhullámú rádióvevőkben láthatunk ferritmagra tekercselve.

A technika fejlődésével egyre magasabb frekvenciákon továbbíthatunk jeleket és egyre nagyobb teljesítményben, ezért az antennák mérete drasztikusan csökkent. A növekvő vivőhullám frekvencia azonban azt is maga után vonja, hogy a rádióhullámok már nem csak a föld felszínén terjednek, hanem a Földet körülvevő légkörben (ionoszféra, troposzféra) visszatükröződve jutnak el a vevőantennáig. Ezek az antennák már tányér alakúak, hogy egy közös pontba gyűjtve a nagyon gyenge jeleket azok felerősödve és ezáltal jóval kisebb zajjal jussanak a vevő bemenetére.

Terjedési közeg

Minden hullám – legyen az hang, fény vagy EM hullám – terjedéséhez egy közegre van szükség. Az EM hullámok terjedéséhez a mindenütt – még a vákuumban is – jelenlévő elektromágneses mező szolgál közegként.

EMhullam 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

5. ábra. Az elektromágneses hullám terjedése

Hullámterjedés

Három fő módja van a rádióhullámok terjedésének:

  • A 0 és 3 MHz közötti rádióhullámok mintegy átölelik a Földet, így járják körbe azt.
  • A második fajta terjedés a csúsztatás, mikor a rádióhullámok a föld felszíne és az ionoszféra között "pattognak" fel s alá. A 3 és 30 MHz közötti frekvenciákon általában így terjednek a rádióhullámok.
  • A harmadik fajta hullámterjedés az egyenes vonal mentén történő terjedés. Ez a 30 MHz feletti frekvenciákon jellemző

Ezek a hullámterjedési módok természetesen folyamatosan változnak, nem éles átmenetként.

Az antennák sugárzási karakterisztikája

A sugárzási karakterisztika az adó vagy vevőantenna körül kialakult mező relatív erősségét mutatja. Ezt úgy határozhatjuk meg, hogy az antenna körül a tér különböző pontjainál megmérjük a térerősséget. Egy dipólus antennának a tipikus sugárzási karakterisztikáját mutatják a következő ábrák.

L-over2-rad-pat-per 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

6. ábra. Dipólus antenna sugárzási karakterisztikája (térbeli nézet)

RadPatt-lin 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

7. ábra. Dipólus antenna sugárzási karakterisztikája (lineáris nézet)

dip01c 2.4.18.4. Antenna alapfogalmak

8. ábra. Dipólus antenna sugárzásának animációja

Polarizáció

Az antennák földhöz képesti viszonyát jellemezzük a polarizációval. Amikor az antenna a Földdel párhuzamos, akkor horizontális polarizációról, amikor pedig arra merőleges, vertikális polarizációról beszélünk. Ennek azért van jelentősége, mert ha az adó antenna pl. horizontálisan polarizált, akkor a vevő antennának is ugyanolyan polarizációjúnak kell lennie, ellenkező esetben jelentős veszteségekkel lehet csak a jeleket venni.

Az antennák tulajdonságait még tovább is sorolhatnánk, azonban a legfontosabb jellemzőiket már megismerhettük a fenti sorokból. A következő oldalon az energiaszívó antennákról olvashatsz.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás