Как антенны принимают и передают радиосигналы? Как они различаются и что такое «направленная антенна»? В этой статье также кратко будут разобраны вопросы взаимодействия их радиоволнами и разобраны принципы действия некоторых типов устройств.
Что такое радиоволны?
При этом слове нам представляется радиоприёмник, телевизор, ну или рация.
Однако, на самом деле, именно посредством радиоволн осуществляется передача информации на расстояние в таких устройствах как, мобильные телефоны или Wi-Fi—роутеры. Также есть радиотелескопы, которые также используют радиоволны для исследования глубин космоса.
По сути, радиоволны являются лишь разновидностью электромагнитного излучения.
К электромагнитному излучению относится видимый свет, рентгеновское излучение и так далее.
При этом разница между этими отдельными видами излучения заключается только лишь в длине волны или в циклах колебаниях в секунду. Длина волны и её частота взаимосвязаны и для определения принципа работы антенн удобнее использовать понятие «длина волны».
Нам известно, что электромагнитное излучение распространяется в вакууме со скоростью света, которая постоянна.
Диапазон электромагнитных излучений для радиоволн находится в диапазонах от 0 до 300 ГГц или в переводе на длину волны это будет равно от 300 тысяч километров до 1 миллиметра. Для чего это нужно?
Выбор параметров антенны
Ведь от длины волны зависит и длина антенны. Поэтому антенна подбирается с учётом той длины волны, с которой и будет работать эта антенна. Рассмотрим это на примере классической симметричной дипольной антенны.
Конструктивно антенна состоит из двух штырей (проводов), которые направлены в разные стороны. Длина каждого штыря должна равняться половине длины волны или 1/4 волны для каждого штыря.
Почему так? Потому что, при только таких параметрах возможно обеспечить её максимальную чувствительность. Только в этом случае возможен резонанс, что приведёт к усилению принимаемого сигнала. В случае передачи сигнала такие параметры позволят усиливать сигнал.
Также можно оставить один штырь. В этом случае длина антенны будет равна 1/4 длины волны, при этом вторую часть антенны будет выполнять металлический корпус или земля.
Расчёт параметров антенны производят не на отдельную, определённую частоту, а на диапазон частот. Для примера, в обычном радиоприёмнике используют антенну длиной 75 см, которая будет резонировать на частоте в 100 МГц.
При этом ФМ-диапазон, конечно же, немного шире и подстраивать длину антенны, под частоту каждой радиостанции весьма затруднительно. Однако, мы знаем, что на практике этого не требуется. Ведь в современных радиоприёмниках сигнал также усиливается ещё и транзисторными каскадами и резонансным контуром, который можно настраивать под определённую частоту.
Сотовая связь
Для сотовой связи используют планарные несимметричные антенны.
При этом форма таких антенн позволяет принимать частоты в широком диапазоне.
Направленные антенны
Все виды антенн, рассмотренные нами ранее относятся к ненаправленным антеннам. Однако есть ещё и направленные, то есть такие антенны, которые работают в узком диапазоне. Такие устройства могут передавать сигнал узким лучом, что позволяет достигать большой дальности передачи.
Волновой канал
Одним из самых известных типов таких устройств является «Волновой канал» или антенна Яги-Уда, названная так по фамилиям своих создателей — японских инженеров-электриков. В просторечье её называют ещё проще — антенна Яги.
Раньше, когда не было цифрового и спутникового телевидения, их делали самостоятельно разные радиолюбители с целью улучшить приём некоторых телеканалов.
Она состоит из следующих элементов: антенна, рефлектор и директоры.
Как уже понятно из фотографии, антенна — это лишь небольшая часть конструкции. Она может быть выполнена в виде кольцевого вибратора или в виде симметричного диполя, как на предыдущей фотографии. При этом остальные части устройства предназначены для того, чтобы направлять и усиливать сигнал. Длины элементов конструкции рассчитываются на тот диапазон частот, которым будет работать антенна.
Теперь разберёмся, как же всё это работает при передаче сигнала. Подключаем к антенне источник сигнала. При этом длина диполя должна соответствовать половине длины волны сигнала. В этом случае диполь входит в резонанс и излучает радиоволны.
В задней части конструкции имеется рефлектор, длина которого немного больше длины рефлектора. Он также входит в резонанс и также излучает сигнал. При этом сигнал, излучаемый им, не совпадает по фазе с сигналом, излучаемым диполем. Это позволяет ему гасить сигнал. Однако спереди диполя сигнал совпадает по фазе и усиливается.
Директоры, также переизлучают сигнал, что способствует его усилению. При этом расстояние между всеми элементами конструкции специально рассчитывается. Нужно отметить, что конструкция будет работать и на приём.
Рупорная антенна
Такая конструкция включает в себя волновод в форме трубы, имеющий на конце расширение. По внешнему виду такая конструкция напоминает рупор.
Внутри рупора находится небольшая антенна.
Благодаря такой конструкции, происходит усиление и направление радиоволн. В отличие от волнового канала в этой антенне отражение радиосигнала идёт от стенок рупора, а не от рефлектора и директоров. На диаграмму направленности влияет размер и форма рупора.
Очень часто рупорные антенны играют роль излучателя или приёмника в других конструкциях: параболических, зеркальных, спутниковых или рефлекторных антеннах.
Такая конструкция предполагает фокусирование принимаемого сигнала отражателем в одной точке. При передаче сигнала отражатель также фокусирует сигнал и направляет его в пространство в виде луча.
Данная конструкция позволяет получать радиосигнал с очень узкой диаграммой направленности, достигая при этом высокого уровня его усиления. Такие конструкции применяются для обеспечения связи между Землёй и космическими объектами, а также для исследований космического пространства.
Заключение
Конструкции, описанные в этой статье — это всего лишь небольшая часть существующих антенн. Однако, это также и одни из самых используемых видов антенн. В дальнейших статьях планируется написать и о других типах антенн, а также о принципах работы сотовой связи.