Antennid

Antenn kui hajutatud parameetritega avatud võnkering

Iga raadiosaatja ja vastuvõtja oluliseks osaks on antenn, millest sõltub suurel määral raadioside kvaliteet. Saatja antenni ülesandeks on saatja väljundsignaali vooluenergia muundada elektromagnetilise välja energiaks ning kiirata see energia raadiolainetena vajalikus suunas. Vastuvõtja antenni ülesandeks on saatjast kiirgunud raadiolainete energia muundada raadiosageduslikuks vooluenergiaks ning juhtida see vastuvõtja sisendisse.

Sellist võnkeringi nimetatakse koondatud parameetritega süsteemiks või võnkeringiks, sest võnkeringi kogu induktiivsus on koondunud pooli ja kogu mahtuvus on koondunud kondensaatorisse. Antenn, mis kujutab endast mingi kindla pikkusega juhtme lõiku, omab samuti oma induktiivsust ja mahtuvust, kuid need on jaotunud (hajutatud) ühtlaselt kogu juhtme pikkuses. Koondatud parameetritega süsteemi juures on võimalik näidata, kuhu on kontsentreerunud võnkeringi mahtuvus C ja kuhu induktiivsus L, aga antenni juures sellist L ja C kontsentreerumist pole. Selliseid süsteeme nimetatakse hajutatud või jaotatud parameetritega võnkeringiks või süsteemiks.

Saatja antenn peab kiirgama elektromagnetilise välja energiat võnkeringist välja, et raadiolained jõuaksid vastuvõtu antenni. Et võnkering kiirgaks raadiolaineid, selleks peab ta olema avatud, mitte suletud nagu seda on kontsentreeritud parameetritega võnkering joonisel 1 a, kus elektriväli on koondunud kondensaatori plaatide vahele ja ei kiirgu sealt välja ning magnetväli on kontsentreerunud pooli südamikku ning ei levi sealt kaugemale. Joonis 1 selgitab, kuidas kinnisest võnkeringist saab moodustada avatud süsteem, mis kiirgab välja elektromagnetilisi laineid.

Joonisel 1 a kujutatud võnkering on suletud, sest ta elektromagnetilise komponendid, elektri- ja magnetväli, ei saa levida antud süsteemist väljapoole. Elektriväli on sulgunud kondensaatori plaatide vahele, magnetväli on pooli südamikus ja pooli keerdude lähedal. Kui aga viia kondensaatori plaadid üksteisest eemale, nagu näidatud joonisel 1 b, siis kogu elektriväli ei paikne enam plaatide vahel, vaid osa nendest pääseb ümbritsevasse keskkonda nagu jooniselt näha. Kui viia plaadid teineteisest maksimaalselt eemale, nagu näidatud joonisel 1 c, siis elektriväli ei ole enam sulgunud kondensaatori plaatide vahele, vaid ta jääb joonisel kujutatud võnkeringi ülemise ja alusemise otsa vahele. Elektrivälja suhtes muutus süsteem avatuks ja võnkering kiirgab elektrivälja ümbritsevasse ruumi. Magnetväli aga on endiselt sulgunud pooli ning ei kiirga sealt välja. Joonistel 1 a, b ja c pole magnetvälja näidatud, et mitte jooniseid koormata keerukusega. Joonisel 1 d on kujutatud sama võnkering olukorras, kus pooli keerud on välja venitatud sirgeks traadiks. Nüüd moodustavad võnkeringi (antenni) traat, mille induktiivsus on jaotunud ühtlaselt piki traadi pikkust ning mahtuvus on jaotunud traadi otste vahele. Nagu jooniselt näha, magnetvälja jõujooned H levivad kontsentriliste ringidena ümber traadi ristlõike ja on risti traadi (antenni) pikiteljega. Elektrivälja E jõujooned on traadi otste vahel ja on rööbiti traadi pikiteljega. Seega suletud võnkeringist, millest laineenergia välja ei kiirgu, on saanud avatud süsteem, mis kiirgab antennina elektromagnetilisi laineid.

Antenni omasagedus (resonantssagedus) ja lainepikkus sõltub tema pikkusest. Mida pikem on antenn, seda suurem on ka tema induktiivsus ja mahtuvus. Seega pikema antenni lainepikkus on suurem ja omasagedus väiksem kui lühemal antennil.

Sümmeetriline ja mittesümmeetriline antenn

Oma ehituselt jaotatakse antennid kahte liiki, sümmeetrilisteks antennideks e dipoolantennideks ja ebasümmeetrilisteks antennideks (varras- või traatantennid).

Seepärast häälestatakse saatja antenn saatja signaali sagedusele, antenni pikkust l muutes.

Dipoolantenni kasutatakse nii saatja kui vastuvõtja antennina, vastuvõtul juhitakse raadiolaine poolt antenni indutseeritud elektromotoorjõud dipooli keskel asuvatelt klemmidelt vastuvõtja sisendisse.

Saatja töötab tavaliselt ühel kindlal sagedusel, seepärast häälestatakse saateantenn sellele sagedusele, et saatja töötaks võimalikult tõhusalt. Vastuvõtjal, mis võtab vastu erineva sagedusega raadiojaamu, antenni ei häälestata.

Saatja ja vastuvõtja antenn peavad olema ühes asendis maapinna suhtes (vt Raadiolainete polarisatsioon). Vertikaalselt polariseeritud raadiolaine korral peab antenn olema risti maapinna suhtes, horisontaalse polarisatsiooni korral peab antenn olema rööbiti maapinnaga. Ringhäälingu raadiosaatjad töötavad tavaliselt vertikaalse polarisatsiooniga, televisiooni saatjad aga horisontaalse polarisatsiooniga, kuid kaasajal ka vertikaalse polarisatsiooniga. Lennunduses kasutatakse raadiosides vertikaalset polarisatsiooni.

Antenni oluliseks karakteristikuks on suunadiagramm, mis näitab, kas saatja antenn kiirgab raadiolaineid igasse suunda ühtlaselt või omab antenn mingit kindlat suunitlust, kus kiirgus on koostatud saateantennile. Suunadiagramm jääb samaks ka siis kui see antenn töötab vastuvõtu antennina. Kui raadiotelefoni jaama antenn omab teravat kiirguse suunitlust kindlas suunas, siis ta võtab vastu raadiolaineid efektiivselt samuti sellelt suunalt.

Antenni parameetrid

Antenni kasutegur η iseloomustab antenni tõhusust kiirgurina saatjas ja raaadiolainete energia muundurina vastuvõtul. Saateantenni kasutegur näitab kui suur osa saatjast antenni kantavast signaali võimsusest kiirgub raadiolainetena ümbritsevasse keskkonda. Vastuvõtuantenni kasutegur näitab kui suur osa antenni sisenenud raadiolainete võimsusest antakse vastuvõtja sisendisse elektrisignaali võimsusena.

Antenni suunitlust hinnatakse antenni suunateguriga D, mis näitab suunatud antenni maksimaalse kiirgusvõimsuse suhet isotroopse antenni poolt kiiratud võimsustihedusega, tingimusel, et antennide kiirgusvõimsused on võrdsed:

D = П_max / П_i ,

kus П_max – suunatud antenni pealiistaku maksimaalne võimsustihedus W/m² , П_i – isotroopse antenni kiirgustihedus, W/m².

Antenni võimendusena mõistetakse numbrilist suurust, mis seob antenni töötamise efektiivsust (kasutegurit η ) antenni suunitlusega D. Suure võimendusega saatja antenn muundab saatjast antenni antud signaali tihedaks fokusseeritud raadiolainete kimbuks ja kiirgab selle efektiivselt (suure kasuteguriga!) kindlaksmääratud suunas. Suure võimendusega vastuvõtuantenn kogub efektiivselt kindlas suunas saabunud raadiolainete väljaenergia kontsentreeritult kokku ning muundab selle vooluenergiaks

Antenni võimendus G määratakse antenni suunitluse D ja antenni kasuteguri η järgi. Antenni võimendustegur on suunateguri ja kasuteguri korrutis:

G = D η .