Сегодня мы с вами влезаем на территорию радиолюбителей. Часто бывает, что радиолюбителями называют всех, кто ковыряется в электронике.
Но всё-таки, исходя из лексикона, радиолюбитель - это тот, кто балуется с радиоволнами, передаёт что-то или принимает через приёмники и передатчики.
Итак, мы сегодня с вами немного побалуемся с антеннами, узнаем, как антенны принимают и передают сигнал, какие они бывают. Что это за антенны такие - направленные, ненаправленные? Почему одни антенны длинные, другие короткие? Одни тарелкой, другие штырьками? Всё это мы сегодня разберём, и поверьте, это очень интересно.
Что такое радио?
Мне кажется, первым делом нужно разобраться, что такое радио и радиопередача. Наверняка многим при слове "радио" в первую очередь на ум приходят только радиоприемники и FM радиостанции. И на самом деле это так, но это не вся картина.
Радио - это ещё телевидение, Wi-Fi со всеми его стандартами, это все поколения мобильной связи, начиная от GSM и заканчивая 5G. И вообще, практически вся беспроводная передача данных - это радио.
Радио - это ещё исследование космоса. Между прочим, есть целый достаточно новый раздел астрономии - радиоастрономия, где направленные параболические антенны ловят радиосигналы от космических объектов и формируют изображение на основе радиоволн.
Такие же антенны используют для связи с далекими искусственными космическими спутниками.
Длина радиоволны
Так что же такое радио? Радиоволны в своей сути - это тип электромагнитного излучения.
Например, видимый свет - это тоже электромагнитное излучение: рентген, инфракрасный свет, ультрафиолет, гамма-лучи и, конечно же, радио. Разница в этих типах электромагнитного излучения только лишь в частоте колебаний в секунду, которые совершает волна электромагнитного излучения.
Но всё-таки в нашей сегодняшней теме антенны удобнее будет не измерять частоты, а смотреть на длину волны излучения. Электромагнитное излучение распространяется со скоростью света, которая постоянна, и зная его частоту, можно легко рассчитать его длину волны.
Радиодиапазон электромагнитного излучения лежит в частотах от 0 до 300 ГГц. Если переводить это в длину волны, то это будет от 300 тысяч километров до 1 мм. Достаточно большой разброс.
Именно от длины волны зависит длина антенны, вернее, необходимо подбирать антенну в зависимости от длины волны, с которой будет работать антенна.
Ненаправленные антенны
Для самых классических ненаправленных антенн, например симметричных дипольных антенн, от которой два штыря направлены в стороны, длина должна быть равна половине длины волны или четверти волны на 1 ус антенны.
Именно при такой длине антенна сможет работать максимально оптимально, так как будет входить в резонанс. При правильной длине антенна будет самостоятельно усиливать сигнал. Также это работает и в обратную сторону: при расчётной длине антенна эффективнее создаёт радиоволны.
Есть ещё вариант оставить только один ус от этой симметричной дипольной антенны, и тогда это будет уже несимметричная антенна, которая встречается, кстати, гораздо чаще.
В такой конструкции длина антенны может быть уже равна четверти длины волны, а вторую половину диполя замещает земля или металлический корпус. Обычно подобные антенны рассчитывают не на какую-то определённую частоту, а на диапазон частот достаточно приблизительно.
Например, для приёма радиостанции используют несимметричную антенну 75 см, и по расчётам такая длина антенны будет резонировать на частоте 100 МГц, а диапазон FM несколько шире. Но всё-таки подстраивать миллиметры длины антенны под каждую радиостанцию это не очень удобно.
Поэтому длина антенны приблизительная. Всё равно в современных приёмниках сигнал усиливается не только резонансом антенны, но и транзисторными каскадами. А ловить конкретные нужные радиостанции нам поможет резонансный контур внутри приёмника, который можно настраивать на определённые точные частоты.
Примерно такие же антенны используются для приёма и передачи Wi-Fi сигнала и для мобильной связи, только изменяется длина антенны в зависимости от частоты.
Хотя есть нюансы. Например, для мобильной связи используют так называемые планарные инвертированные антенны. Это тоже разновидность несимметричной антенны, но при этом её форма позволяет эффективно принимать достаточно широкий диапазон частот, которые накопились за многие поколения мобильной связи - от GSM до 5G.
Направленные антенны
Всё, что мы рассматривали выше, можно отнести к ненаправленным антеннам, которые излучают сигнал почти во все стороны и принимают со всех сторон.
Но есть ещё класс антенн, которые работают с узконаправленным сигналом, так называемые направленные антенны. Это уже более сложная тема, но при этом конструкции таких антенн гораздо интереснее.
Волновой канал
Зачем нужны сложные направленные антенны, если есть простые понятные ненаправленные?
Дело в том, что направленные антенны могут увеличивать дальность, поскольку они направляют всю мощь сигнала узким или относительно узким лучом. Например, такие антенны могут использоваться для получения сигнала из удалённых и сложных мест.
Мне кажется, одним из самых известных видов направленных антенн является так называемый волновой канал.
Раньше радиоподкованные умельцы делали их самостоятельно, чтобы лучше ловить ТВ-приём. Устроена эта антенна действительно очень интересно. Давайте разберёмся.
Она состоит из трёх основных частей: это набор директоров, рефлектор и, собственно, сама антенна.
Да, в волновом канале антенна - это всего лишь один элемент на этой конструкции. Все остальные части направлены на усиление сигнала в одном направлении.
В данном примере основная антенна волнового канала выполнена в виде кольцевого вибратора, но это может быть и симметричный диполь, который мы рассматривали ранее. Длины директоров, диполя и самой антенны рассчитаны на диапазон частот, который будет работать антенна.
Как же тут всё работает? Допустим, мы хотим через эту антенну что-нибудь передать. Подаём переменный сигнал на диполь. Если длина диполя соответствует половине длины волны сигнала, то диполь входит в резонанс и, являясь сама по себе ненаправленной антенной, разносит волны вперёд и назад.
Сзади волнового канала установлен рефлектор примерно такой же длины, как и диполь, но всё-таки немного больше. Он тоже входит в резонанс от излучаемых волн диполя.
Рефлектор переизлучает волны, но уже фазы в поле рефлектора не совпадают. Эта разница нужна для того, чтобы можно было установить рефлектор на определённое расстояние от диполя.
При такой установке волны от самого диполя и рефлектора сзади антенны входят в противофазу и взаимно гасят друг друга, а спереди поля они совпадают фазами и взаимно усиливают друг друга. Даже уже в таком виде антенна работает, становится направленной и усиливает в одну сторону.
Но также в этой конструкции есть ещё и директоры, которые уже немного короче основной антенны, то есть диполя. Они тоже переизлучают сигнал, и расстояние между ними рассчитано таким образом, чтобы сигнал, идущий по волновому каналу, усиливался переотражёнными волнами от директоров.
Антенна Яги или волновой канал в принципе не сложная для понимания. Но вот рассчитывать её, особенно расстояние между элементами, уже не так уж и просто.
Рупорные антенны
Есть ещё тип направленных антенн, про которые мне хочется рассказать в рамках этого видео, - это рупорные антенны.
Рупорная антенна состоит из длинного волновода, трубы с расширением в виде рупора на одном из концов. Колебания электромагнитных волн внутри волновода возбуждаются маленькой антенкой или штырьком, к которому подключается разъём.
Благодаря форме рупора происходит усиление и направление электромагнитных волн. Как и в случае с волновым каналом, волны отражаются, взаимодействуют друг с другом и, попадая в фазы друг друга, усиливаются.
Только в рупорной антенне отражение идёт не от рефлекторов и директоров, а от стенок рупора. Размеры рупора и его форма влияют на его диаграмму направленности.
Часто бывает, что рупорные антенны играют роль излучателя или облучателя в параболических антеннах, или их ещё называют зеркальные, или рефлекторные, или просто "тарелка".
В таких антеннах в случае приёма сигнал собирается отражателем с достаточно большой площади и фокусируется на облучателе.
В случае передачи сигнала рупорная антенна в фокусе отражателя будет называться уже излучателем и будет направлять сигнал на отражатель, а отражатель узким лучом направит сигнал туда, куда нужно, и достаточно далеко.
Такие антенны имеют одну из самых узких диаграмм направленности и при этом высокий уровень усиления. Они используются для связи с космическими объектами или в качестве радиотелескопа для исследования космоса в радиодиапазоне.
Заключение
Конечно, всё, что я вам сегодня рассказал, - это небольшая доля всех типов антенн. Но, как мне кажется, это одни из наиболее часто встречаемых и интересных антенн.
