Halvvågsantenn

Hej!

Jag är nybörjare på området radioteknik, och skulle gärna vilja veta teorin bakom halvvågsantennen? Alltså, hur fungerar den, och framför allt; varför blir mottagningen / sändningen bäst då antennen är just en halv våglängd lång?

MVH

Jonas Öst
 

SM0AOM

Well-Known Member
Allmänt sett arbetar antenner som omvandlare mellan "fria vågor" dvs sådana som utbreder sig i rymden, och "bundna vågor" som är sådana elektromagnetiska vågor
som utbreder sig i kablar eller andra typer av matarledningar.

Resonemangen blir identiska vare sig om antennen är mottagar- eller sändarantenn, det är bara riktningen hos vågorna som skiljer.

Ifall man tänker sig att en mottagarantenn finns på ett stort avstånd från källan till vågorna så kan man säga att vågorna är "plana", dvs att deras storlek inte ändrar sig märkbart vid ett kort styckes förflyttning. Då kommer all utsänd energi att fördelas över ytan av en sfär, och man kan bortse från dess krökning. Effekten från sändaren P [W] sprids ut över ytan [m/2], och man får "effekttätheten" S [W/m2]. En konsekvens av naturlagarna är att själva rymden får en impedans som är 120*pi eller 377 ohm, och då kan man räkna ut att det finns en elektrisk fältstyrka E som är = roten (S/377) [V/m].
Om man då sätter en antenn med längden L [m] i denna punkt så kommer den att uppfånga en spänningsskillnad som blir E * L [V].

För att en antenn ska fungera på avsett vis är det nödvändigt att energin som den uppfångar kan matas vidare till matarledningen, och då kommer impedansen hos antennen in.

En dipolantenn som är en halv våglängd lång har en impedans som är en ren och ganska låg resistans, och då är den som lättast att anpassa till matarledningen utan onödiga förluster. Förhållandet att antennen visar en rent resistiv impedans kallas för "resonans", och den kortaste längd som detta kan ske för är just 1/2 våglängd.
Sedan upprepas detta för varje udda tal som man multiplicerar längden med dvs 3/2, 5/2 osv våglängder. När antennen är en hel våglängd lång får den en hög impedans som kan vara svår att anpassa till kabeln.

Antennens effektivitet är i sig inte beroende på att den är just 1/2 våglängd lång,
utan det är de ofrånkomliga förlusterna som uppstår när man ska anpassa en mycket kort antenn till matarledningen som gör att "korta antenner" är ett svårt problem.

När en antenn blir stor i förhållande till våglängden så får den också riktverkan, vilket innebär att strålning från vissa håll framhävs på bekostnad av strålning från andra håll.

Inget hindrar att man gör en dipolantenn som är t.ex. 10 eller 100 våglängder lång, men denna kommer då att få en riktverkan som kan vara svår att använda, eftersom antennen kommer att stråla som summan av en mängd "punktstrålare" som sammansätter sig till ett komplicerat mönster (jämför med interferensmönstren i optiken).

Hälsningar,

Karl-Arne
SM0AOM
 
Tack för litteraturtipsen, Uffe!

Och tack för beskrivningen, Karl-Arne! Mycket pedagogisk!

Vi gjorde ett försök med just halvvågsantenner, men det gick inte så bra. Vi tog hjälp av en tongenerator med att spela in en lång ton på mobilen. Vi sände sedan tonen med en FM-sändare (som jag hade sedan tidigare), och fångade upp den med mottagaren. Mottagaren kopplade vi till oscilloskopet vid de två kontakterna till högtalaren. Vi fick då fram en sinusformad kurva på oscilloskopet precis som vi ville.

Men problemet var att kurvan inte ändrade amplitud när vi bytte längd på antennen så mycket som vi trodde att den skulle. Det vill säga att antennlängden inte spelade någon roll, till och med när vi inte hade någon antenn alls blev amplituden nästan den samma.

Beror detta på att vi var i ett litet klassrum, och att det inte behövs någon antenn med så små avstånd?

Kvaliteten på signalen vi fick ur mottagaren var hela tiden den samma. Antingen var det signal utan brus, eller signal med brus. Det var aldrig skillnad på själva signalen (alltså amplituden på kurvan). Vad beror detta på?

MVH
Jonas Öst
 

SM0AOM

Well-Known Member
En av orsakerna till att ni inte märkte någon skillnad är att en FM-mottagare har
en utpräglad "tröskeleffekt", där variationer av den inkommande högfrekvenssignalstyrkan inte ger något större inverkan på lågfrekvenssignalen när man väl är över tröskeln.

Om man istället hade observerat nivån på HF-signalen före demodulatorn hade det gått bättre, och dessutom bör man vara i ett så stort rum (eller utomhus) att sändar- och mottagarantenner kan separeras med minst 5 - 10 våglängder för att inte direkt koppling mellan antennerna och apparaterna ska maskera resultatet.

Vill man också ha en uppfattning om antennernas riktverkan så gäller det också att reflexer i omgivande byggnader eller väggar inte är så starka att de påverkar.

Dessutom gäller det att använda en så liten sändareffekt att inte mottagaren överstyrs och därmed ger felaktiga indikationer av signalstyrkan.

När man mäter på antenner i yrkesmässiga sammanhang brukar man använda mottagare som har reglerbar känslighet och som kan kalibreras i antingen ingångsspänning eller effekt.

Om skolan har en mätmottagare eller en spektrumanalysator kan du ersätta din mottagare med denna och jämföra uppträdandet när antennerna ändras.

Hälsningar,

Karl-Arne
SM0AOM
 
Vad ligger bakom denna tröskeleffekt?

I skolan har vi tyvärr inga mätmottagare eller spektrumanalysatorer, eller knappt något som rör radioteknik...

Men antag att vi gör testet utomhus. Kan man då koppla ett oscilloskop till antennens fäste till radion (och till jord för andra polen) för att mäta LF-signalen, eller kan man innan demodulatorn bara mäta HF-signalen?

Hur skulle man kunna koppla in oscilloskopet för att mäta LF-signalen?

MVH
Jonas Öst
 

SM0NCL

Well-Known Member
Om du får öppna locket din FM mottagare finns en liten chans.....
De flesta FM mottagare är byggda runt nån integrerad FMdetektor/mottagarkrets som ibland har en utgång för signalstyrkemätare.
Dvs. även om din FM mottagare inte har en synlig s-mätare kan det finns inbyggt i FM kretsen men funktionen används inte.
Ett sätt är att titta i motsvarande krets datablad och se om det finns en "signal strengt" pinne. Här skulle det gå att ansluta ett enklare oscilloskop och mäta DC signalen.
 

SM0AOM

Well-Known Member
Som Christer/SM0NCL är inne på går det ofta att "plocka ut" signalstyrkeindikeringen
ur FM-mottagarens MF- och demodulatorkrets. Denna kallas i moderna datablad för "Received Signal Strength Indicator" eller "RSSI". Utsignalen är en likspänning som vanligen varierar mellan 1 och 4 V eller så.

Tröskeleffekten beror i korthet på att en FM-mottagare bara ska känna av variationer i insignalens frekvens, och då kan man bortse från och undertrycka nivåvariationerna på ingångssignalen. Den undre gränsen ligger vid den punkt när bruset i mottagarkedjan maskerar frekvensvariationerna, och då försvinner mottagarens utsignal abrupt.
När ingångssignalen kommer över tröskeln återkommer signalen snabbt, och vid en ytterligare ökning blir förbättringen marginell.

Tröskeleffekten blir mer markerad när frekvenssvinget eller deviationen hos signalen ökas vid en konstant moduleringsfrekvens.

Om du har ett känsligt oscilloskop med ett frekvensområde på minst 100 MHz
kan du i och för sig ersätta mottagaren med detta. Dock är signalerna från mottagarantennen ofta så svaga att de syns dåligt på oscilloskopet.

För att komma framåt så rekommenderar jag i första hand att du undersöker om någon signalstyrkeindikering kan tas ut ur mottagaren, alternativt att du letar fram en "tuner" eller FM-mottagare som har en signalstyrkemätare.

Hälsningar,

Karl-Arne
SM0AOM
 
Mottagaren är mycket enkelt byggd och väldigt svag, men det är den enda vi har för att göra våra mätningar.

Jag menar inte att vi ska ersätta mottagaren med ett oscilloskop, utan bara att vi vill mäta LF- styrkan precis efter antennen. Vi gjorde också så; vi kopplade ena polen från oscilloskopet till antennens fäste vid kretskortet, och den andra polen till jord. Vi fick då en LF-signal på oscilloskopet, även om den inte såg så bra ut. Betyder detta att man med oscilloskopets hjälp kan utläsa LF-signalen från den omodulerade bärvågen direkt från mottagarens antenn?

MVH
Jonas Öst
 

SM4FPD

Well-Known Member
Nej Jonas, resonerar du så kude du lika gärna vara utan mottgare, dvs koppla antenn direkt till oschilloskopet.
Det är heller inte LF vid antennen, utan HF kanske till och med VHF.
Vad du mäter vid antennen kan i en enkel mottgare vara dess lokaloschillator.
Då blir det en signal på oscilloskopet som är konstant.
Ett osc som kan mäta på antennen vid VHF, dvs 30 - 300 MHz måste kunna svepa med mindre än 1 nsekund per ruta, kan ditt göra det?
Och ha en vertikalförstärakre som klarar dessa frekvenser. Dvs ett 100 - 150 Mhz oschilloskop.
Får du LF vid antennen är det ett mätfel. LF är hörbara signaler och du kanske får 50 Hz brum pga av jordproblem i hela uppkopplingen. Något som tyvärr förekommer.

Skall du mäta signalstyrka måste man som de andra inläggen säger, mäta i mottgarens MF före dess begränsare.

En FM mottagare ger en LF signal, dvs den som är demodulerad, och som vi hör i mottgarens högtalare, har konstand nivå oavsett signalstyrkan från antennen.
Om vi talar om en FM mottgare.
 
Top