Антена - це механічна конструкція, за допомогою якої випромінюються або приймаються електромагнітні хвилі. Антени перетворюють електричні сигнали в електромагнітні хвилі при передачі, або навпаки - хвилі в електричний сигнал на прийомі.

Диполь, або симетричний вібратор

Антена виконує функцію прийому-передачі завдяки тому, що її структура є резонансною на частоті або частотах, які нас цікавлять. В основі більшості поширених антен лежить так званий диполь. У найпростішій формі це можуть бути два металеві стрижні, зазвичай один спрямований вгору, а інший - вниз, а точка подачі сигналу (живлення) знаходиться між ними.

Симетрична дипольна антена:
a) з прямим живленням (гіпотетична модель)
b) з живленням через коаксіальну лінію передачі

Як випливає з назви, диполь має два полюси, як показано вище. Довжина диполя визначає частоту, на якій він є резонансним. Багато хто також називає диполі "напівхвильовими диполями". Це пов'язано з тим, що коли довжина диполя дорівнює приблизно половині довжини хвилі, він буде "резонансним" на частоті, яка нас цікавить. Коли радіосигнал подається на антену, вона передає енергію в повітря. Якщо на антену потрапляє радіохвиля з іншого джерела, вона перетворює цю енергію на електричний струм, який потім проходить через лінію подачі (trasmissin line) до радіоприймача у вигляді прийнятого сигналу. Антена виконує цю функцію однаково як для передачі, так і для прийому.

Поляризація

Коли диполь орієнтований вертикально, як показано вище, він генерує або приймає сигнали, які називаються вертикально поляризованими. Радіохвиля, що виходить з диполя, є хвилею, яка коливається вгору і вниз. Якби диполь знаходився в горизонтальній площині, сигнал коливався б з боку в бік і називався б горизонтально поляризованим. Антена передавача і антена приймальна мають бути в одній поляризації, інакше вони не співпрацюватимуть. Наприклад:

Наведений рисунок показує неузгодженість зв'язку між передавальними/приймальними парами антен. Максимальний зв'язок спостерігається для пар антен з однаковою поляризацією (рядок вгорі), повна відсутність зв'язку - для повністю неузгоджених пар (рядок посередині) і частковий зв'язок - для частково неузгоджених пар (рядок внизу).

Якщо вертикально поляризована антена приймає горизонтально поляризований сигнал від іншої антени, вона не зможе отримати достатньої потужності, щоб радіоприймач зміг його використати. І навпаки, вертикально поляризований сигнал, що передається нашою системою, не може бути використаний горизонтальною системою віддаленого прийому.

Частота

Дивлячись на графік вище, ми бачимо зображення того, що називається синусоїдою. Це основа всіх радіохвиль. Ми бачимо, що сигнал починає підійматися вгору, досягає піка, потім опускається вниз, знову досягає піка, а потім підійматися до центральної лінії, з якої він починався. Це один цикл (період): від нуля до плюса, потім до мінуса і назад до нуля. Звичайно, він може бути різної довжини, і цю довжину і час, необхідний для здійснення одного циклу, ми використовуємо для визначення частоти.

Частота найпоширеніших радіосистем вимірюється в мегагерцах (МГц), що становить мільйони циклів на секунду. Радіохвилі поширюються у вільному просторі (повітрі) практично зі швидкістю світла, тому ми можемо визначити довжину хвилі (ДХ). Наприклад, сигнал 150 МГц матиме ДХ 2,0 метра. Сигнал на частоті 450 МГц матиме ДХ 0,67 метра.

Приклад перерахунку частота/довжина хвилі (у метричній системі):

Конструктори антен використовують ці числа при проєктуванні антен, щоб переконатися, що антена буде резонансною на частоті, яка нас цікавить. Як ми бачимо вище, нижча частота має довшу ДХ, а вища частота - коротшу ДХ. Отже, антена на нижчій частоті буде більшою за розмірами, ніж антена на вищій частоті.

Звичайний диполь при вертикальній поляризації, який використовується для роботи на 150 МГц, повинен мати приблизно половину ДХ, тому ми очікуємо, що він буде 1 метр заввишки, а диполь на 450 МГц буде приблизно 0,33 метра заввишки.

Важливо зазначити, що на антену 150 МГц не впливатимуть сигнали на частоті 800 МГц, оскільки вона не є резонансною на вищій частоті.

Можливо, ви бачили демонстрацію, коли сопрано співає певну ноту і може змусити кришталевий келих розбитися. Це відбувається тому, що нота і скло перебувають у резонансі. Звукові хвилі змушують скло вібрувати аж до руйнування.

Діаграма спрямованості

Існує багато типів антен. Основною причиною їхньої різноманітності є те, що вони виробляють різні форми сигналів, які називаються діаграмами спрямованості (ДС). Загально, симетричний вібратор (СB) генерує сигнал у формі тора, як показано нижче:

Синім помічена вісь антени, яка є центром випромінювання. Саме таку форму тора (бублика) має радіохвиля, яку генерує диполь.

Верхній ряд малюнка:

• зліва наведена візія хвиль від диполя (просторова ДС), все починається з точки приєднання кабелю (фідера) живлення
• в центрі показані лише проєкції, без просторової моделі розповсюдження хвиль
• зправа додані проєкції (перерізи) на ліву, праву і нижню площини (суміщена ДС)

Нижній ряд малюнка - ті ж самі діаграми спрямованості, розгорнуті для зручності:

• проєкція на XOZ при погляді на ліво
• проєкція на YOZ при погляді на право
• проєкція на XOY при погляді зверху в низ

Як видно, діаметр кола характеризує відстань, на яку передається енергія радіохвилі. Чи можна збільшити діаметр (дальність зв'язку)? Так, для цього є спосіб - розташувати кілька диполів один над другим вертикально, тоді коло XOY розшириться, а діаграми XOZ та YOZ стануть більш пласкими. Просто уявіть собі надувний дитячий круг, на якого сів дорослий, змінивши його форму і розподіливши повітря по більшому колу.

Отже, розташування кількох диполів один над одним змінює як вертикальну (якщо дивитися збоку), так і горизонтальну (якщо дивитися зверху) картину. Більший діаметр кола покликаний демонструвати, що воно зможе передавати і приймати на більшій відстані, ніж одиночний диполь.

Вищесказане демонструє, що ми можемо змінювати спосіб, яким антени розподіляють енергію і яку вони випромінюють у ефір.

Це підводить нас до невдалого терміну, який широко використовується в англомовній літературі при обговоренні антен, і це термін GAIN. Це слово означає, що ми отримаємо щось більше чогось. Термін маємо запам'ятати, але не сприймати буквально.

Правда полягає в тому, що ми не отримаємо більше. Загальна кількість енергії, випромінювана одиночним диполем, така ж, як і у випадку, коли на них подаються однакові сигнали. Енергія в чотирипроменевій дипольній решітці розподілилася по-іншому, ось і все, що сталося.

Вертикальна діаграма спрямованості була стиснута, і тому рівень сигналу, який ми виміряли б на горизонті від одиночного диполя, виявився б таким самим для чотирипроменевої решітки на значно більшій відстані. Так, ми можемо забезпечити зв'язок з чотирипроменевою дипольною решіткою на більшій відстані, ніж з одиночним диполем, але загальна кількість енергії, випромінювана обома антенами, все ще залишається однаковою.

Різні типи антен базуються на простому диполі, який є основою всіх поширених антен. Залежно від того, що ми хочемо отримати від діаграми спрямованості, ми обираємо тип антени, з урахуванням того, наскільки далеко буде поширюватися сигнал.

Вимір радіочастотної енергії

Обговорюючи антени, часто говорять про радіочастотну енергію (РЧ). Вона вимірюється в децибелах (dB), на честь Олександра Грема Белла. Сам по собі термін dB не є придатним для використання. Він повинен бути пов'язаний з чимось. В антенах це або dBd (децибел-диполь), коли ми порівнюємо рівень сигналу з диполем, або dBi (децибел-ізотроп), коли порівнюємо рівень сигналу з ізотропним випромінювачем*.

Ізотропний випромінювач - це антена, яку неможливо виготовити, оскільки він являє собою єдину умовну точку в просторі, яка випромінює однаково в усіх напрямках. Цей показник dBi корисний у деяких інженерних розрахунках, але не дуже допомагає при реальних вимірюваннях антени.

Різниця полягає в тому, що один dBd дорівнює 2,15 dBi і є математично розрахованим значенням, тобто dBi = dBd + 2.15

Ширина діаграми спрямованості

Обговорення діаграм спрямованості антен зазвичай включає в себе посилання на ширину діаграми спрямованості. Її можна виміряти як для вертикальної, так і для горизонтальної діаграми спрямованості, якщо тільки мова не йде про колінеарну антену, в якій горизонтальна діаграма спрямованості має кругову форму.

Ширина головної пелюстки (ШГП) діаграми визначається як включений кут між точками, де рівень потужності впав до половини пікового значення коефіцієнта підсилення (-3 dB). Таким чином, ви можете почути термін "точки половинної потужності" для опису ШГП, яку генерує антена.

У наведених нижче прикладах діаграм спрямованості ви можете бачити лінію половинної потужності, позначену червоним пунктиром, а кут ШГП виділений жирним.

Видно, що на основі таких діаграм зручно проводити порівняння різних антен, зокрема за показником ширини головної пелюстки.