Radio dla opornych
Część 4. Anteny, czyli nie tylko kawałek druta
Wydawać by się mogło, że temat błahy i niewart minuty na czytanie. To zależy. Jeśli mieszkasz w pobliżu nadajnika twojej ulubionej stacji radiowej to sprawa zamyka się na kawału druta podłączonym do wejścia antenowego twojego odbiornika. Sprawy mają się zupełnie inaczej, jeśli nie masz takiego luksusu jak mocny sygnał z nadajnika, lub ta druga strona, która powinna odebrać twoje sygnały nie słyszy nic więcej, niż szum. W takim przypadku antena nabiera niebagatelnego znaczenia. Powiem więcej, jest chyba nawet ważniejsza, niż nadajnik/odbiornik. Ze źle dobraną anteną możesz sobie pompować kilowaty energii, a efekt będzie mizerny. To tak, jakby do Ferrari 296 nalać etyliny 78 i dziwić się, że nie jedzie.
To jak opisać dobrą antenę? Ja po laborkach z anten to mam generalnie uraz, bo patrząc na antenę widzę te cygara i zastanawiam się, czy wierzchołki drzew to już wchodzą w pierwszą strefę Fresnela, czy jeszcze nie. Ale postaram się to jakoś uporządkować i sprzedać w cywilizowany sposób.
Jak będziecie szukać anteny do naziemnej TV to zapewne sprzedawca będzie wam nawijał o zysku antenowym, polaryzacji czy impedancji (choć sam zazwyczaj nie wie, o czy mówi). To tak powolutku, zacznijmy od impedancji. Impedancja to taki fachowy termin pokrewny kolokwialnie mówiąc oporowi, tyle że dotyczący prądu przemiennego (a taki płynie przez antenę). Generalnie impedancja anteny powinna pasować do impedancji nadajnika, by nie generować strat sygnału, zanim ten nie opuści naszego układu nadawczego. Powszechnym standardem dla wyjść/wejść antenowych sprzętu telekomunikacyjnego jest impedancja o wartości 50Ω. Problemu nie ma, jak nadajemy/odbieramy sygnały na jednej częstotliwości: robi się pomiar wartości impedancji, dostraja we/wy do 50Ω i wszystko śmiga.
Niestety, jeśli nasz układ pracuje z dużymi zmianami częstotliwości już tak różowo nie jest. Gdyby impedancja miała kolor, to byłaby ruda, a jak wiadomo rudy to nie kolor, tylko charakter. Ta wredna @ potrafi zmieniać swoją wartość wraz ze zmianą częstotliwości lub podpiętej anteny i robi się problem. W takim przypadku trzeba zastosować symteryzator lub sprzęgacz antenowy. To takie sprytne urządzenia, które będą pilnowały tej impedancji. Wpinamy je pomiędzy radio a antenę by mieć kontrole nad obciążeniem nadajnika i zapewnić maksymalną moc przekazywaną z niego do anteny.
A o co chodzi z tym zyskiem antenowym? To taki parametr, który obrazuje zdolność anteny do skupiania energii (tej promieniowanej przez antenę ale i tej przez nią odbieranej) w konkretnym kierunku. W zasadzie to mówi on nam o ile lepiej (lub gorzej) dana antena odbiera energię elektromagnetyczną w porównaniu z idealną anteną (nazywaną również izotropową), czyli taką która potrafi odbierać/nadawać sygnał równomiernie we wszystkich kierunkach. Jak wiadomo w przyrodzie nie ma rzeczy idealnych (no, morze poza kilkoma przypadkami, ale Salma jest wampirem, więc się nie liczy). Zysk antenowy podawany jest zazwyczaj w dBi (taka jednostka logarytmiczna wymyślona przez nerdów, żeby pozostali nie wiedzieli o co chodzi), a im ma większą wartość, tym dana antena jest bardziej kierunkowa.
No ale co to znaczy tak po ludzku? Jeśli zamienimy antenę dookólną (taką zbliżoną do tej idealnej izotropowej) anteną kierunkową z zyskiem 10 dBi, to przy mocy nadajnika 10 watów uzyskamy efektywną moc wypromieniowaną (ERP - effective radiated power) przez antenę taką, jak w przypadku nadajnika o mocy 100 watów z anteną dookólną. Im większa moc wypromieniowana, tym dalej doleci nasza fala, tak więc korzystając z anten kierunkowych możemy nawiązywać łączność na większych odległościach przy zachowaniu niższych mocy nadajnika. Trzeba tu jednak pamiętać, że anteny kierunkowe muszą „patrzeć” na siebie, bo inaczej „nie usłyszą się”.
Z zyskiem antenowym wiąże się bezpośrednio charakterystyka promieniowania anteny. Tak, tak, to jest parametr dla nerdów, ale wspomnę o nim kilka słów. Bez zrozumienia tego parametru trudno jest zoptymalizować układ nadawczo-odbiorczy. Charakterystyka anteny wynika z jej konstrukcji, a w przypadku zakresu KF również silnie powiązana z umiejscowieniem anteny względem podłoża/gruntu. Żeby nie było za łatwo wpływ na nią mają również inne obiekty znajdujące się w sąsiedztwie anteny, takie jak budynki czy roślinność (drzewa, liście). Dlatego większość charakterystyk wygląda pięknie w laboratoriach, a w rzeczywistości bywa różnie (tu robimy bingo z „działa”, „nie działa”, „a”, „powinno”, „nie powinno”). Żeby jakoś zobrazować czym jest charakterystyka promieniowania anteny rysuje się dziwne wykresy w płaszczyźnie poziomej i pionowej (lub inaczej horyzontalnej i wertykalnej), gdzie widać jak zmienia się sygnał odbierany przez antenę w zależności od kierunku.
Dodatkowo charakterystyki anten potrafią się zmieniać w zależności od częstotliwości z jaką pracuje nadajnik. Jak się przyjrzymy takim wykresom, to pojawiają się obrazy przypominające bąble lub liście. Stąd w terminologii pojawił się termin listków, które wskazują na kierunek, w którym antena promieniuje energię, oraz sektory, gdzie ich nie ma i jest ona „głucha”. Ten największy listek jest nazywany głównym, mniejsze – bocznymi lub wstecznymi. Idealnie by było, gdyby antena miała jeden listek główny i nic więcej, bo każdy listek boczny/wsteczny wprowadza niepotrzebne zakłócenia.
Z charakterystyki wynika również polaryzacja anteny, czyli w jakiej orientacji dana antena działa najlepiej. Nie będę się rozpisywał w tym temacie. Najczęściej spotkacie się z polaryzacją wertykalną (pionową) lub horyzontalną (poziomą). Pamiętajcie o jednym: jeśli antena nadawcza ma polaryzację wertykalną, to antena odbiorcza musi mieć taką samą konfigurację. Jeśli ustawicie ją horyzontalnie może być kicha z łączności.
To jaką antenę wybrać? A to zależy. Jeżeli mamy do zorganizowania łączność typu punkt-punkt (czyli kierunek radiowy K/R), to najlepsze będą dwie anteny o mocno kierunkowej charakterystyce, np. cała rodzina anten Yagi. Mamy wtedy zapewnioną łączność na dużych odległościach przy stosunkowo niewielkich mocach nadawania. Ale co w przypadku gdy mamy jedno centrum nadawcze i wielu rozsianych odbiorców na różnych kierunkach? Zaczyna się wariantowanie: centrum nadawcze musi dotrzeć do wielu odbiorców, więc albo stosuje anteny kierunkowe o szerokim listku głównym (czyli grosza kierunkowość, ale większy obszar pokrycia sygnałem), albo antenę dookólną (czyli izotropową), ale musi zwiększyć moc nadawania, by dotrzeć do wszystkich. Można też zastosować kilka anten kierunkowych ustawionych w różnych sektorach – patrz stacje bazowe telefonii komórkowej. A co z odbiorcami? Jeśli źródło sygnału jest stacjonarne, to po prostu ustawiamy kierunkową antenę na dany azymut (pamiętając o polaryzacji) i po sprawie. No, prawie. Pamiętamy o strefach Fresnela, czyli antena najwyżej, jak się da i bez żadnych przeszkód wchodzących w listek główny (cygaro z wykresów charakterystyki) anteny.
A co jeśli któraś ze stacji jest ruchoma? Jest wiele rozwiązań, ale najprostszym (czyli najtańszym) jest stosowanie anten dookólnych. Tracimy na zasięgu, ale oszczędzamy na prostocie układu. Można też zastosować kilka anten kierunkowych pokrywających sektorami odbioru 360° i dodać automatykę śledzącą sygnał użyteczny oraz przełączającą poszczególne anteny (prosty algorytm porównujący siłę sygnału na każdej z anten).
PS. Fresnel i jego strefy – pojawiło się już kilka razy w cyklu. Co to za twór i jak go zjeść? Odpuścimy sobie wzór i pojedziemy na chłopski rozum. Wyobraźcie sobie dwie anteny, a pomiędzy nimi elipsoidę obrotową, czyli takie cygaro, cienkie na końcach i grube na środku. Kształt cygara zmienia się wraz z częstotliwości, na jakiej nadają/odbierają anteny i im ta częstotliwość jest wyższa, tym cygaro robi się coraz smuklejsze. To jest 1-sza strefa Fresnela i jest cholernie ważna dla nawiązania łączności. W idealnym przypadku powinna być ona wolna do jakichkolwiek przeszkód terenowych. W rzeczywistości takie warunki można osiągnąć bardzo rzadko, dlatego należy dążyć do sytuacji, by przeszkód było w 1-szej strefie jak najmniej.
Poza 1-szą strefą są też kolejne, zawierające w sobie strefy niższych rzędów, ale wraz ze wzrostem numeru strefy jej wpływ na propagację fal radiowych maleje.
Dziś kończymy wykład, choć nawet dobrze nie liznęliśmy wierzchołka tematu, ledwo go pomizialiśmy. Krótkofalowców proszę o wybaczenie za uproszczenia i praktycznie pominięcie zagadnienia doboru anten do łączności KF, ale zadaniem cyklu jest jako takie przybliżenie tematu nietechnicznym.
W następnym odcinku będzie trochę o modulacjach, czyli jak wysyłana jest informacja za pomocą fal elektromagnetycznych i dlaczego korekcja błędów jest taka ważna.
QRU QTX CQ SK
