Sebelepší přijímač se neobejde bez antény – prvku, který transformuje elektromagnetické vlny putující prostorem na elektrické napětí a proudy, které jsou zpracovány ve vstupních obvodech přijímače. Mezi svorkami antény a vstupní zásuvkou na přijímači bývá použit přívodní kabel – napáječ, u přijímacích antén také nazývaný svod. Jeho vlastnosti a délka jsou pro kvalitní příjem velmi důležité.
Pro různá kmitočtová pásma a použití je dnes k dispozici mnoho typů a provedení antén. Jejich podoba je především dána tím, jakou složku elektromagnetického pole zpracovávaji. Magnetickou složku využívají smyčkové antény. Mají smysl především na nízkých kmitočtech, kde by antény založené na elektrické složce byly příliš veliké. Téměř v každém přijímači, který diponuje vlnovými rozsahy dlouhých a středních vln, se nachází maličká feritová anténa (velké množství závitů na feritovém jadérku). Více poslouží v těchto pásmech také rámová anténa na stejném principu – v cívce v proměnném magnetickém poli je vybuzen elektrický proud. Elektrickou složku elektromagnetického vlnění pak využíva většina antén (všechny dále zmíněné) pro vyšší kmitočtová pásma. Jejich velikost (délka) je srovnatelná s délkou elektromagnetické vlny. Délka vlny je určena vztahem =c/f, kde c je rychlost šíření elektromagnetických vln v daném prostředí a f je frekvence sledovaného signálu. Ve vzduchu je délka vlny o frekvenci 100 MHz cca 3 m, na 1 GHz pak přibližně 30 cm. Vybuzení elektrických proudů v anténě je úzce svázáno s touto délkou nebo jejími zlomky.
Článek je věnován přijímacím anténám pro pásma rozhlasu a televize. Antény přijímací a vysílací jsou principiálně shodné, u vysílacích hraje významnější roli přenášený – vysílaný výkon, což se projevuje především na robustnosti provedení a snahou o co nejlepší výkonové přizpůsobení. Vlastnosti antén se lépe popisují uvažujeme-li je jako vysílací, proto se u větší části vysvětlení budu často a rád odkazovat na vlastnosti antény použité jako vysílací.
Téma antén pro krátké vlny by samo o sobě vydalo na několik článků. V průběhu minulého století především radioamatéři došli ponejvíce experimentálním přístupem k bezpočtu různých konstrutrukcí krátkovlnných antén. Většinou se jedná o drátové antény, s různým počtem různě dlouhých (desítky – stovky metrů) a různě vzájemně orientovaných drátových zářičů.
Zářičem se obvykle nazývá aktivní prvek antény – připojený k přijímači (resp. vysílači v případě vysílací antény). Aby došlo k maximálnímu přenosu energie z antény do napaječe a poté i do přijímače, je třeba přispůsobit – transformovat impedanci antény k impedanci napáječe resp. přijímače. Impedance antény je definována jako poměr napětí a proudu na vstupních svorkách antény. Impedance souvisí s vyzařovacími vlastnostmi antény (uvažujeme-li anténu vysílací). Impedanci antény ovlivňuje délka jejích prvků, jejich vzájemná orientace, tloušťka a okolní prostředí. Podobně i impedance napaječe souvisí s tloušťkou vodičů, jejich vzdáleností, umístěním a materiálem, který je odděluje. K maximálnímu přenosu energie mezi anténou a přijímačem (resp. generátorem a vysílací anténou) dochází, pokud jsou impedance antény, napáječe a vstupního dílu přijímače shodné.
Nejvíce rozhlasového televizního vysílání se odehrává na vyšších kmitočtech – v pásmech VKV (VHF: 30 – 300 MHz) a (UHF: 0,3 – 3 GHz). Další část textu bude proto věnována anténám pro velmi krátké vlny. Dále popsané vlastnosti však platí pro jakékoliv antény.
Šíření elektromagnetických vln v pásmech velmi krátkých vln (od 30 MHz výše) je se zvyšující se frekvencí stále více bližší šíření světelných paprsků. Na nižších kmitočtech (50 – 100 MHz) se kromě přímé vlny může ještě uplatňovat ohyb a rozptyl vlnění o překážky, s vyššími kmitočty pak začíná dominovat spíše odraz. Obecně putuje energie mezi vysílačem a místem příjmu množstvím nezávislých cest, z nichž některé mohou být dominantní. S rostoucím kmitočtem roste útlum přenosové cesty.
Současné analogové systémy pozemského rozhlasu i televize jsou dosti choulostivé na vícecestné šíření. Pokud na přijímač přichází několik podobně silných, ale časově různě posunutých signálů, dochází ke zkreslení. U rádia se může projevit zhoršením stereoefektu až „nakřápnutím“ přenášeného zvuku. U televize je pak nejčastějším efektem přítomnost „duchů“, v horším případě dochází k výpadku barvy nebo dokonce ke ztrátě synchronizace. Vícecestné šíření do značně míry řeší digitální systémy s OFDM.
Vhodnou volbou typu antény, jejího umístění a směrování je možné významně eliminovat vliv vícecestného šíření – anténou vybíráme jednu dominantní cestu a ostatní cesty jsou pokud možno co nevíce potlačené.
Pro pásma VKV a UKV bylo navrženo nepřeberné množství antén. Lze je rozdělit do několika skupin:
- lineární (drátové) – dipól, smyčka, šroubovice …
- plošné – zářič má tvar čtverce nebo obdelníku, např. antény většiny mobilních telefonů
- reflektorové antény – antény s odraznou plochou
Základem (těchto) antén je vždy aktivní prvek – zářič, jehož rozměry často odpovídají délce půlky nebo, čtvrtiny vlnové délky. Může to být drátový dipól, obdelníková vyzařovací ploška nebo dokonce štěrbina ve vodivé plošce.
Anténa je charakterizována následujícími vlastnostmi:
- Impedance Pokud vstupní impedance antény není shodná se charakteristickou impedancí napáječe, je nutné její impedanci přispůsobit – transformovat na impedanci napáječe. To samé platí i pro spojení napáječe a vstupu přijímače. Samozřejmostí jsou odpovídající konektory. V opačném případě, jsou-li impedance na kterémkoliv z těchto rozhraní rozdílné, dochází na rozhraní k odrazu energie zpět ke zdroji a výsledná energie, která se dostává na vstup přijímače je nižší, případně žádná.
- Směrová charakteristikaÚkolem přijímací antény většinou bývá přijímat signály z jednoho směru na úkor směrů ostatních.
Směrová charakteristika udává chování antény v různých směrech – každá anténa je v jakýsi prostorový filtr. Pro přesnost směrování antény a určení schopnosti potlačit signály z jiných směrů je důležitá šířka svazku v hlavním vyzařovacím směru antény – udává se jako úhel na kterém dochází k poklesu přijímaného výkonu na polovinu (3 dB), oproti směru maximálního příjmu. - ZiskZisk antény slouží k porovnání směrových vlastností různých antén. Jednotkový zisk (0 dB) má všesměrový dipól. Směrová anténa se ziskem větším než 0 dB přiváděnou energii vyzařuje více do jednoho směru na úkor směrů ostatních. Zisk je také možné příblížit jako měřítko, kolikrát vyšší výkon by musel být přiváděn do všesměrové antény, aby v žádaném směru vytvořil elektromagnetické pole stejné intenzity.
- Polarizace Elektrická a magnetická složka elektromagnetického vlnění jsou navzájem kolmé a zároveň jsou kolmé ke směru šíření. Pro provedení antén je většinou důležitý směr / rovina elektrické složky a její vztah k povrchu země – hovoříme o polarizaci elektromagnetických vln. Nejčastěji používaná je polarizace horizontální nebo vertikální, což jsou případy lineární polarizace. Prvky antén jsou směrovány buď vodorovně nebo svisle vůči povrchu země. Jiným druhem polarizace je polarizace obecně eliptická, speciálně kruhová, u které se obě složky neustále vůči zemskému povrchu otáčejí.
- Šířka pásmaŠířka pásma určuje v jakém rozmezí kmitočtů anténa splňuje zadaná kritéria ve výše zmíněných parametrech.
Více stejných antén může tvořit anténní řady – více antén umístěných většinou nad sebou nebo vedle sebe. Vhodné propojení a optimální vzdálenost prvků takové řady může zajistit lepší vlastnosti výsledné soustavy. Například dva stejné všesměrové zářiče umístěné v jisté vzdálenosti a napájené signálem z jednoho zdroje, z něhož má signál pro jeden zářič zpožděnou fází o určitou hodnotu, už budou vykazovat chování směrové antény. Jejich vzdálenost, amplituda a fáze signálu, jímž budou napájeny, rozhodne o podobě výsledného vyzařování. Speciálním případem anténní řady je i nejrozšířenější anténa, která je k vidění téměř na každé budově – Yagiho anténa. Vyjma aktivního prvku – nazývaného často dipól ji tvoří oproti dipólu delší prvky – reflektory, které se umísťují za dipól a odrážejí elektromagnetické vlny zpět k dipólu. Kratší prvky – direktory jsou umístěny před dipólem a pomáhají na dipól soustřeďovat energii ze směru osy uchycení prvků: direktory -> dipól -> reflektor(y).
Pokud rovnocenné prvky (například celé Yagi antény) stavíme vedle sebe, zužuje se vyzařovací diagram – směrová charakteristika v horizontální rovině. Obdobně, jsou-li antény kladeny nad sebe, zužuje se (a stává se ziskovější) vyzařování vertikální.
Pro rozhlasové pásmo VKV-FM i televizní pásma VHF a UHF (I – V. TV pásmo) je dnes v obchodech k dispozici šíroké spektrum Yagi antén různých provedení. Tyto antény na vyšších TV pásmech rovněž doplňují reflektorové antény se zářiči před odraznou plochou (nejznámější je legendární síťová anténa, časté jsou také různé kombinace Yagi antény s větší odraznou plochou. Vlastnosti antén mohou zúročit vhodné zesilovače a předzesilovače, které se vkládají vždy hned za anténu a především kompenzují ztráty v napáječi. Větší zisk a směrovost přinese spojení několika antén (2, 4, 8) do anténní řady. Každé zvýšení počtu antén na dvojnásobek vede ke zvýšení zisku soustavy až o 3 dB, tj. na dvojnásobek. Samozřejmostí je dnes napáječ – koaxiální kabel s charaktreristickou impedancí 75 ohmů. Stejnou impedanci mívá v drtivé většině rovněž vstup přijímače. Aktivní prvek Yagi antény – půlvlnný dipól – má obvykle impedanci 300 ohmů, jež je třeba transformovat na impedanci kabelu – použitím symetrizačního členu.
Stavba antén pro příjem slabých vzdálených signálů v pásmech dlouhých, středních a krátkých vln je většinou předmětem laborování radioamatérů a DX posluchačů, existuje nepřeberné množství různých konstrukcí a přístupů, popsané v rozličné literatuře. Materiál potřebný ke konstruování takových antén je v ČR k dostání pouze v několika specializovaných prodejnách.
I dnes v nadcházející digitální době platí stará poučka, že anténa je nejlepší zesilovač. Anténu se nevyplatí podceňovat a pro kvalitní výsledek příjmu by měla být samozřejmostí kvalitní, pečlivě a odborně instalovaná anténa. Různé náhražkové a ještě hůře různé drahé pokojové antény jsou vhodné pouze do míst poblíž vysílače – míst se solidním příjmem nezatíženým odrazy. Dá se říci, že v takových to podmínkách by k příjmu posloužily například i obyčejné hrábě :).
Literatura:
Mazánek,M., Pechač, P., Vokurka, J.: Antény a šíření vln. Vydavatelství ČVUT 1999
Český, T.: Antény pro příjem televize. SNTL 1991
