MODTAGERANTENNER
Lidt om antenner i modtagersammenhæng.

0. Begrebet bølgefront.

En radiobølge -- eller en elektromagnetisk bølge -- er karakteriseret derved, at man har et elektrisk og et magnetisk felt; disse to felter er vinkelrette på hinanden og vinkelrette på bølgens udbredelsesretning samt i fase med hinanden . Videre gælder det, at man har et forhold mellem størrelsen af de to felters styrke, som er ca. 377 Volt pr. Ampere. Man taler om en radiobølges polarisationsretning, hermed mener man retningen af bølgens elektriske felt.

Forestiller man sig, at man står og kigger på en indkommende bølge, siger vi, at vi ser en BØLGEFRONT. Når vi er tilstrækkelig langt fra sendeantennen, kan vi betragte bølgefronten som plan.

1. Absorbtionsflade.

En antenne er i princippet en transducer, en anordning, der omformer fra én energiform til en anden, her fra elektromagnetisk stråling til elektrisk spænding og strøm -- eller omvendt. I denne forbindelse kender vi fra antenners anvendelse med radiosendere begrebet nærfelt eller induktionsfelt, et område i antennens nærhed, hvor transformationen fra spænding/strøm, der tilføres antennen -- til elektromagnetisk stråling.

For antennens anvendelse til modtagning finder vi et tilsvarende begreb, der hedder antennens absorbtionsflade eller effektive areal ( Der er også andre ord for begrebet: Effective Aperture og Capture Area).

Absorbtionsfladen er defineret som forholdet den effekt, der er til rådighed for antennen og strålingstætheden på antennens sted:

Pråd

A =

----------------

S

hvor S er strålingstætheden i W/m2 og Pråd er antennens rådighedseffekt.

Sammenhængen med sendeantennens situation er ikke helt entydig, men rundt regnet kan man betragte absorbtionsfladen som svarende til sendeantennens nær- eller induktionsfelt.

Absorbtionsfladen vil for en simpel antenne, eksempelvis en halvbølgedipol, være elliptisk og med en udstrækning på ca. 1/3x 1/2bølgelængde. Absorbtionsfladen er foruden at være bestemt af antennens art kun bestemt af den benyttede bølgelængde.

For en isotropisk (ikke praktisk antenne) har vi

l 2

Aii =

----------------

eller ca. 0,0795 l 2

4p

For en Hertz´sk dipol (en heller ikke praktisk realiserbar antenne!) har vi:

3 l 2

Aih =

----------------

eller ca. 0,1194 l 2

8p

3 l 2

Aid =

----------------

´ 1,09 eller ca. 0,13 l 2

8p

En kort vertikal:

3 l 2

Aiv =

----------------

Eller ca. 0,0597l 2

16p

For antenner med direktivitet har vi:

Ai beam = 0,13 l 2 ´ G, hvor G er antennens power gain (i forhold til en dipol-antenne).

Det signal, antennen kan opfange, er i sin størrelse bestemt af en række forhold som signalets polarisation (lineær/elliptisk), signalets polarisation i forhold til antennens polarisation og signalets retning i forhold til antennen. I det følgende skal der for ikke at gøre tingene for uoverskuelige regnes med ideelle forhold: Signalet lineært polariseret, signalets og antennens polarisation den samme og antennen liggende i signal-bølgefrontens plan. Ligeledes er antennen betragtet som tabsfri. Afvigelser fra de ideelle forhold vil så altid medføre et mindre opfanget signal. På kortbølge vil man som regel være ganske langt fra de ideelle forhold, på de højere frekvenser kan man nok komme lidt nærmere disse.

2. Antennens opfangede signal:

Effekten af signalet i absorbtionsfladen ( for en halvbølgedipol):

E2

Po =

----------------

´ Ai

Zo

hvor E er feltstyrken i Volt/meter og Zo er rummets impedans, 377W .

Heraf får vi : Po = 3,45 ´ 10-4 ´ E2 ´ l 2 .

Antennens elektromotoriske kraft:

Uo ant = Ö Po ´ Rg , hvor Rg er antennens generatorimpedans.

Antennens klemspænding:

Rl

Uk ant = Uo ant ´

--------------

, hvor Rl er modtagerens indgangsmodstand.

Rl + Rg

Nu får vi :

Rl

Uk = 1,86 ´ 10-2 ´ E ´ l ´ Ö Rg ´

--------------

Rl + Rg

- - hvis der nu er tilpasning mellem antenne og modtager, bliver formlens

to sidste led til Ö Rg / 2;

altså

Uk ant matched = 1,86 ´ 10-2 ´ E ´ l ´ 3,54 , hvis impedansen er 50 W taler vi om 75W bliver formlens sidste størrelse 4,33.

Som det fremgår af det foranstående, bruger vi altså kun halvdelen af den effekt, der er i feltet, resten genudstråles. Hvis tilpasningen til modtageren ikke er perfekt, vil yderligere noget signal reflekteres fra modtagerens indgang og genudstråles.

Måske er den mest interessante konstatering den, at størrelsen af det signal, en modtagerantenne kan opfange, kun er bestemt af bølgelængden og ikke af antennens størrelse (her taler vi altså om en simpel antenne, f.eks. en dipol; en antenne med gain er jo godt nok større end den simple antenne). Og det mulige signal fra antennen er altså for en given feltstyrke i sin størrelse proportional med bølgelængden.

Man kan altså på lavere frekvenser klare sig med eksempelvis antenner, som er ganske små i forhold til bølgelængden. De problemer, man så her møder, kommer fra antennens impedans; dennes resistive del vil være lille og der vil være en reaktans, som skal udbalanceres. Denne udbalancering medfører ofte tab, der skal søges minimeret. En synsvinkel: Den lille og (og stærkt reaktive) antennes system skal gerne have et højt Q for at virke tilfredsstillende!

Én ting mere omkring antennens absorbtionsflade:

Når man skal stakke eksempelvis beamantenner, skal man se til, at de enkelte antenner i stakken ikke overlapper hinandens flader.

Lidt "praktiskt":

Jeg har en FT-1000 radio.

Dens "S9" på 3.727 kHz er 27 m V (PD)

Forudsat alle de ideelle betingelser ville jeg få "S9" for en feltstyrke på 5.1 m V/m; her kommer endnu en ideel betingelse ind i billedet:Tilpasningen. Min FT-1000´en har på den nævnte frekvens et SWR på ca. 1:1,8, altså reflekteres der noget signal (men egentlig ikke så meget) . -- Og så var der jo altså alle afvigelserne fra de ideelle forhold!

Nogle litteraturhenvisninger:

Terman: Radio Engineers Handbook, 1943 eller senere

Langford-Smith: Radio Designer´s Handbook, 1955 eller senere

K. Steen-Andersen: Antenner, 1955 (Københavns Teknikum)

Balanis: Antenna Theory, ISBN 0 471 59268-4

Rothammel: Antennenbuch, 10´ udg., ISBN 3 440 05853-0

Technical Report 1756: Dipole and Monopole Effective Area

for Communication Formulas, NCCOS Center, San Diego

Skoma Smith: Measuring the Radio Frequency Environment, 1985 ISBN 0-442-28184-6

Rohde & Bucher: Communications Receivers, 1988 ISBN 0-07-053570-1

31 Marts 2000

OZ8NJ

Copyright © 2000-2013. by Niels Rudberg.
Sidst opdateret: 31. august 2013 16:49:39 +0200.