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

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

Suuntaava antenni, jossa on heijastin- sekä säteilijätanko ja yksi tai useampia suuntaajatankoja.

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

Slim Jim.

Refs: