Antennifysiikkaa

Johdanto

Antenna, physics

Antennien täydellinen ymmärtäminen on haastavaa, koska siinä tulee osata Maxwellin yhtälöt, mutta tämän jutun peruslähtökohtana on seuraavat asiat:

1. Kiihtyvässä liikkeessä oleva varaus säteilee (mikroprosessorit, miksi atomi pysyy kasassa?)
2. Antenni on avoin virtapiiri.

Kiihtyvä liike saadaan aikaiseksi (esim) vaihtovirralla.

Lähtökohtaisesti antenneja on kahta eri perustyyppiä, mutta teknisiä vaihtoehtoja on paljon

1. silmukka-antenni
2. dipoliantenni

Liittimet

• SMA
• Reverse-polarity SMA (RP-SMA or RSMA) is a variation of the SMA connector specification that reverses the gender of the interface
• Hirose U.FL (a 3d-printed or otherwise constructed support sleeve would be added for the cable before the zip tie; add a zip tie for extra security)
• a U.FL to SMA adapter cable

At 2.4 GHz, there are loads of fun antenna ideas on the internet. These include a helix antenna, yagi antenna, pringles antenna, and many others.

Antenna design (https://www.cansat.fi/docs/CanSat-hardware/communication)

• Operating frequency of the antenna (should include 2.45 GHz)
• Bandwidth of the antenna (At very least 35 MHz)
• Impedance of the antenna (50 ohms)
• Connector (U.FL or you can use adapters)
• Physical size (Does it fit to the can)
• Cost
• Manufacturing methods, if you are making the antenna yourself.
• Polarization of the antenna.
  • Wifi antennas are linearly polarized
  • drone antennas, which tend to be circularly polarized.

Teoriaa: dipoliantenni

Kondensaattori antennina

Tarkempi lähikentän kuva

Säteilykuvio. Antenni on keskellä pystyssä. Kuvio on symmetrinen toiseen suuntaan.

1. Lähetin kondensaattorista:

Sähkövirta ei kulje kondensaattorin läpi, mutta kondensaattorien levyjen välille syntyy sähkökenttä myös staattisessa tilanteessa: avoin virtapiiri.

Huom: Kokonaispituus $\ell ={\frac {1}{2}}\lambda$, eli kumpikin johde on $\ell ={\frac {1}{4}}\lambda$.

Kts https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_(radio)

2. Lähetin: Miten sähkövirta heijastuu antennin (johtimen) päästä.

Miten virta voi kulkea dipoliantennissa, koska se ei ole suljettu virtapiiri: Dipolin pitää olla riittävän pitkä, jotta sitä pitkin kulkeva sähkömagneettinen aalto ei tiedä, että "johto" loppuu. Se heijastuu takaisin: vaihesiirto 180 astetta, ja pituuden tulee olla synkronissa lähettimen kantoaallon kanssa: superpositioperiaate ja konstruktiivinen interferenssi.

• Resonanssi

3. Säteilykuvio

Pystysuora dipoli- tai hyvä monopoliantenni säteilee tasaisesti joka suuntaan kohtisuoraan antennia vasten, mutta lähetysteho riippuu vastaanottokorkeudesta. Suoraan antennin yläpuolelle signaalia ei tule.

Erilaisia dipoli- tai monopoliantenneja

Monopole antenna with conducting earth.

Dipoliantenni on yksinkertaisin ja yleisin antennityyppi.

• (Erittäin) lyhyt dipoli: $\ell \ll {\tfrac {1}{2}}\lambda$.
• Monikerrat: $\ell =n\times {\tfrac {1}{2}}\lambda$, missä $n$ on kokonaisluku.
  • $\ell \ll 0.5\lambda$, Gain: 1.76. Tehoton.
  • $\ell =0.5\lambda$, Gain: 2.15. Yleisin
  • $\ell =1.0\lambda$, Gain: 4.0. Only with fat dipoles
  • $\ell =1.25\lambda$, Gain: 5.2. Paras teho
  • $\ell =1.5\lambda$, Gain: 3.5. Kolmas harmoninen.
• Taitettu dipoli: ylimääräinen johde yhdistää sen päät. Jos ylimääräinen on samanlainen johde kuin perusdipoli, saadaan kaksi virtaa. Teknisesti se on myös silmukka-antenni, mutta säteilykuvio on enemmän dipolin kuvio.
• Halo-antennissa johto on kääritty silmukaksi (ei suljettu).
• Turnstile: kaksi dipolia 90 asteen kulmassa (keskeltä). Polarisoitua aaltoa.
• Batwing: laajennettu turnstile
• G5RV
• Horisontaalinen dipoli
• Sloper
• Käänteis-V:

Monopoliantennissa toinen pää on kytketty lähettimeen (vastaanottimeen) ja toinen pää johtavaan maahan.

Quarter wave / dipole. One vertical 1/4 wave element connected to the center of the coax cable and 4 (or more) more grounding elements pointing towards the the ground at 45 deg.

• Kumiantenni
• Kaksihaarainen tv-antenni
• Spiraaliantenni
• Pelkkä johto
• Sateenvarjoantenni
• Mastoantenni
• Piiska-antenni

Coax collinear antenna. Very high omnidirectional gain. Multiple short coax cables where the outer conductor is connected to the inner conductor in an alternating fashion.

Yagi-Uda -antenni (Suomessa Jagi)

Neljännesaaltoantenni (quarter wave antenna).

Suuntaava antenni, jossa on heijastin- sekä säteilijätanko (tai -tankoja) ja yksi tai useampia suuntaajatankoja eli parasiittisia tankoja, joita ei ole kytketty. Se toimii kuten (kitaran) resonaattori. Jagiantennissa on yleensä yksi aktiivinen elementti. Aktiivinen tanko on yleensä toinen (tai toiseksi viimeinen) heijastimen vieressä. Yleensä on vain yksi heijastintanko: lisääminen ei juuri paranna gainia. Parasiittiset suuntaajatangot ovat hieman lyhyempiä; yleensä $0.45--0.48\lambda$. Niitä in noin 1--20 kpl.

Yagi antenna. Very directional antenna that will pick up signals in the direction it is pointed: Very large gain.

The idea is to make the driven element a bit short so it presents a capacitive impedance, then that inductance cancels it. Driven element. Multiple descriptions of how to do it because there are multiple ways of doing it depending on the intended use of the antenna. (https://ham.stackexchange.com/questions/5797/how-do-i-construct-the-driven-element-of-a-yagi)

• feed it directly like a dipole, splitting the driven element in two and connecting one side to the coax shield and one to the center conductor of the coax. It will not be possible to get maximum bandwidth and maximum gain with this method, though you should be able to get a reasonable compromise that works on all of 2 meters. 70cm would be much trickier.
• feed it with a gamma match. This gives a wide match and has the advantage of also acting as a balun. They're finicky to make, and would be very difficult to tune without an SWR meter or antenna analyzer
• You can feed it with a hairpin match. Similar problems to the gamma match, but similar advantages.

Bazooka dipole (from the same SE): http://www.iw5edi.com/ham-radio/3777/the-vertical-bazooka-antenna?the-vertical-bazooka-antenna%2C18

Gamma match.

The impedance of the dipole

• https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
• https://ham.stackexchange.com/questions/15474/how-to-estimate-a-dipole-feedpoint-impedance#15476

Log-periodic antenni hyödyntää eri mittaisia dipoleja, jolloin se voidaan virittää useammalle taajuudelle (isompi taajuuskaista), mutta kuitenkin vain yksi resonoi kerrallaan.

Slim Jim.

Refs:

• https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=cD8dWC13ckU&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Fwww.simplehamradioantennas.com%2F&source_ve_path=MTM5MTE3LDI4NjY2&feature=emb_logo
• https://www.vk5dj.com/yagi.html
• https://www.k7mem.com/Ant_Yagi_VHF_Quick.html
  • https://www.k7mem.com/Ant_Yagi_VHF.html
  • See image in 6-element Yagi array (feed point): https://www.k7mem.com/Ant_Yagi_HF.html see also Yagi Matching: https://www.k7mem.com/Ant_2_3El_HF_Yagi_Matching.html also https://www.k7mem.com/Ant_Yagi_VHF_Feed.html is a good resource. 'Common 1/4" copper tubing is often a good choice as long as it's not going to be in a harsh environment.'
• https://www.arrl.org/arrl-antenna-book
• Hyvät kuvat: https://jeroen.steeman.org/Antenna/Yagi-Antenna-Calculator

https://www.instructables.com/INCREASE-RANGE-OF-SIMPLE-LOW-POWER-FM-TRANSMITTER-/

Laajakaista-antenni

https://oh3aa.fi/ohjeita/lk-99-laajakaista-antenni/

Patch Antenna

A square conductor mounted over a groundplane. GPS sized.

https://web.archive.org/web/20120322102621/http://home.iae.nl/users/plundahl/antenne/patchant.htm