Antena

Antena (latīņu: antenna — ‘buras kāts, rāja’) jeb radioantena ir ierīce (vadītāju sistēma) radioviļņu izstarošanai un uztveršanai. Izstarojošā antena raidītāja ģenerētās augstfrekvences strāvas enerģiju pārveido radioviļņu enerģijā, bet uztverošā — radioviļņu enerģiju elektriskās strāvas enerģijā, kuru pēc tam pastiprina un pārveido radiouztvērējs. Radioantenu darbība ir apgriežama, t.i., raidantena var darboties kā uztverošā antena un otrādi. Praksē tomēr raidītāju antenām mēdz būt konstruktīvas atšķirības no uztvērēju antenām atšķirīgo pārvadāmo jaudu dēļ. Jaudīgu raidītāju antenas mēdz būt grandiozu izmēru celtnes — garākiem viļņiem pašas antenas ir milzīga izmēra, bet īsāku viļņu antenas novieto augstos torņos, daži no kuriem pieder pie planētas augstākajām celtnēm. Ļoti lieli izmēri var būt centimetru diapazona antenu paraboliskajiem spoguļiem, piemēram, radioteleskopiem.

Pārnēsājamās radiostacijās parasti uztveršanai un raidīšanai izmanto vienu un to pašu antenu. Pati vienkāršākā antena var būt parasts metāla vada gabals vai teleskopisks stienītis, tomēr šādai antenai būs mazs pastiprinājums un nebūs virziendarbības (mazu pastiprinājumu var kompensēt uztvērēja jutība, tomēr attiecību signāls/troksnis vislabāk uzlabo tieši kvalitatīva antena).

Vēsture

Par pirmo antenu var uzskatīt 1888. gadā Heinriha Herca izveidoto Herca vibratoru.

Darbības princips

Slēgta svārstību kontūra transformācija par antenas dipolu (vaļēju kontūru). Ar zilām līnijām attēlots elektriskais lauks, ar sarkanām — magnētiskais lauks

Augstfrekvences elektriskā maiņstrāva, ko antenai pievada no raidītāja, plūstot caur antenas metāliskajiem elementiem, saskaņā ar Ampēra likumu rada ap tiem mainīgu magnētisko lauku. Magnētiskais lauks savukārt rada mainīgu elektrisko lauku, kurš ap sevi atkal rada magnētisko lauku — veidojas elektromagnētiskais vilnis, kas ar gaismas ātrumu izplatās projām no antenas telpā. Tādējādi elektriskās strāvas avota enerģija pārveidojas elektromagnētiskā viļņa enerģijā. Uztveršanas režīmā uz antenu krītošais elektromagnētiskais vilnis inducē metāliskajos vadītājos augstfrekvences strāvu, ko pievada uztvērējam.

Parasts slēgts svārstību kontūrs radioviļņus praktiski neizstaro, jo kontūra ģeometriskie izmēri ir ļoti mazi salīdzinājumā ar viļņa garumu, turklāt kontūra cilpā strāva plūst pretējos virzienos, un abu kontūra pušu radītie radioviļņi savstarpēji dzēšas. Tomēr slēgtu kontūru ir iespējams pārvērst vaļējā kontūrā, respektīvi, antenā, atvirzot kondensatora klājumus un pārveidojot tos par vadiem. Šādu vienkāršu antenu sauc par simetrisku vibratoru jeb dipolu. Simetriskās dipola antenas plaši izmanto īsviļņu un ultraīsviļņu diapazonos. Garajos un vidējos viļņos parasti vienu dipola pusi paceļ pēc iespējas augstāk virs zemes, bet otru pusi vai nu izvelk tuvu zemei (tā saucamais pretsvars), vai pašu zemi izmanto kā dipola elementu. Šādas antenas sauc par nesimetriskām antenām.

Antenu veidi

Radioantenu tipi un konstrukcijas mēdz būt ļoti dažādas. Galvenokārt antenas veidu nosaka izmantojamo radioviļņu garums. Antenas var būt dažāda diametra vadi vai vadu sistēmas, metāla stieņi, spoles, metāliski rupori, viļņvadi ar spraugām tajos, sinfāzi antenu režģi. Antenu konstrukcijā var tikt izmantoti reflektori (radioviļņu atstarotāji), kas garākos viļņos ir aiz antenas izvietoti metāla stieņi vai režģi, bet centimetru vai milimetru diapazonā — metāliski paraboliski spoguļi. Parasti antenas izgatavo no metāliskiem materiāliem, bet pastāv arī dielektriskās antenas, kā arī antenas, kas izgatavotas no pusvadītājiem vai metamateriāliem.

Antenas atšķiras arī pēc radioviļņu polarizācijas — var būt vertikāli, horizontāli, kā arī cirkulāri polarizētas antenas.

Sistēma no četrām cirkulārās polarizācijas spirālantenām

Garos un vidējos viļņos izmanto nesimetriskas L-veida vai T-veida āra antenas no metāla vadiem; var izmantot arī istabas antenas vai surogātantenas (piemēram, pieslēgšanos elektriskajam tīklam caur kondensatoru), bet tās ir daudz mazefektīvākas. Lieto arī rāmja antenas, kas pēc būtības ir liela izmēra spoles (tās sauc arī par magnētiskajām antenām, jo šādas antenas pārsvarā uztver radioviļņu magnētisko komponenti). Šādu antenu izmēri ir samērā mazi, salīdzinot ar uztveramo viļņu garumu, bet tās nav piemērotas raidīšanai. Vēl mazāki izmēri ir magnētiskajām antenām, kuras sastāv no nelielas daudzvijumu spoles, kas novietota uz serdes — ferīta stienīša. Šādām antenām ir liela virziendarbība, tādēļ tās lieto pelengatoros vai radiouztveršanai lielu traucējumu apstākļos. Magnētiskās antenas ar ferīta serdi plaši lieto portatīvos uztvērējos to mazo izmēru dēļ.

Īsākos viļņos lieto pusviļņa dipolu antenas, kuras lielākai virziendarbībai un labākam pastiprinājumam var saslēgt antenu režģos. Ja ceturtdaļviļņa attālumā paralēli antenas dipolam novieto otru tādu pašu nedaudz pagarinātu dipolu, tas darbojas kā reflektors un palielina antenas pastiprinājumu no antenas dipola puses, attiecīgi izmainot antenas virziendarbību. Parasti lieto tā saucamos pasīvos reflektorus, kas nav ne ar ko savienoti. Lai vēl vairāk palielinātu pastiprinājumu, priekšā antenas dipolam novieto vienu vai vairākus nedaudz īsākus dipolus, ko sauc par direktoriem (tie it kā virza starojumu uz sevi). Šādas vairāku dipolu sistēmas sauc par Jagi antenām, kas ir visparastākās virszemes televīzijas uztveršanas antenas. Jagi antenai līdzīga ir logoperiodiskā antena, kam ir lielāks frekvenču diapazons. Vēl viens antenas veids ir Pistolkorsa vibrators jeb cilpas vibrators vai cilpveida antena. Šāda antena pēc būtības ir divi viens otram tuvu novietoti un galos savienoti pusviļņa dipoli; tāda antena ir divreiz efektīvāka par vienkāršu dipolu, bet obligāti prasa salāgošanas ierīci ar fīderu. Ar cilpas vibratoru var aizvietot uztverošo dipolu Jagi antenā.

Portatīvām ierīcēm īsviļņu un metru diapazonos lieto stieņu antenas, kas ir it kā puse no dipola (kā otra puse jeb pretsvars kalpo iekārtas metāla korpuss). Parasti šādas antenas ir teleskopiskas (sabīdāmas).

Decimetru un centimetru viļņos iespējams izmantot paraboliskus reflektorus, kas ļoti uzlabo virziendarbību un koncentrē elektromagnētisko viļņu enerģiju uz antenu, kas ir vai nu neliela izmēra dipols, vai — sevišķi īsiem viļņiem — viļņvada atvērums. Centimetru viļņos lieto arī rupora antenas, kas ir koniski paplašināti viļņvadu gali, un spraugas antenas jeb difrakcijas antenas, kas ir vienkāršas noteikta izmēra spraugas viļņvada sieniņā. Lielākai virziendarbībai parasti vienlaicīgi lieto vairākas spraugas. Spraugas antenas sevišķi parocīgas izmantošanai lidaparātos, jo tām nav izvirzītu daļu.

Irbenes radioteleskopa paraboliskā antena

Fīderi

Svarīga lielgabarīta antenu iekārtas daļa, neskaitot pašu antenu, ir fīders jeb fīderu līnija, kas pārvada augstfrekvences strāvu no antenas uz uztvērēju vai no raidītāja uz antenu. Fīderam jānodrošina šī pārvadīšana ar pēc iespējas mazākiem zudumiem, bet pašas fīderu līnijas nedrīkst uztvert vai izstarot radioviļņus (tām nedrīkst būt vērā ņemama antenas efekta). Garo, vidējo un īso viļņu diapazonos kā fīderus lieto noteikta, no frekvences atkarīga, izmēra elektriskos vadus, metru un decimetru diapazonā — koaksiālos kabeļus, bet centimetru diapazonā — viļņvadus. Starp fīderu un antenu var būt papildu ierīces viļņu pretestības salāgošanai un simetrizēšanai. Portatīvām ierīcēm antena ir šīs ierīces sastāvdaļa un īpaši fīderi nav vajadzīgi.

Interesanti fakti

Radioantenas "nepievelk" zibeni, kā tautā mēdz uzskatīt. Zibens sper nevis pašā augstākajā priekšmetā, bet gan izplatās pa mazākās elektriskās pretestības ceļu, kas parasti ir visai līkumains. Tas atkarīgs no gaisa stāvokļa, kuru grūti paredzēt. Tieši antenās zibens iesper relatīvi reti. Pareizi konstruēta antena vienlaicīgi var darboties kā zibensnovadītājs, līdz ar to zibens nodara mazāku postu, nekā tad, ja antenas vispār nav. Liela izmēra antenām jāparedz iespēja tās sazemēt, lai antenā uzkrājies statiskais lādiņš nesabojātu uztvērēju vai neizraisītu ugunsgrēku.

Antenas elektriskie parametri nemainās, ja uztveramo viļņu garumu un antenas ģeometriskos izmērus izmaina vienādu skaitu reižu.

Tā saucamo sintezētās apertūras antenu (antenu kompleksu, kas sastāv no daudzām atsevišķām antenām) izmēri var sasniegt desmitus un simtus kilometru.

Literatūra

Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: antenas

J. Žerebcovs. Radiotehnika. Rīga: Liesma, 1968, 97.-131. lpp.