Antenni

Langattoman verkon antenneja sähkötolpassa.

Antenni on sähkömagneettisten aaltojen, erityisesti radioaaltojen lähettämiseen ja vastaanottoon suunniteltu radiolaitteiston osa, jonka tehtävänä on siirtää radiolähettimen sähköisessä muodossa oleva suurtaajuusteho siirtojohdosta mahdollisimman pienin häviöin sähkömagneettiseksi kentäksi väliaineeseen, ilmaan tai avaruudessa tyhjiöön, ja vastaavasti siirtää tuleva sähkömagneettinen kenttä laitteiston vastaanottimen siirtojohtoon.

Ollakseen tehokas antennin on täytettävä useita täysin käyttötarkoituksesta riippuvia vaatimuksia.

Antennien ominaisuuksia

• vahvistuksella tarkoitetaan antennin suuntaavuudella saatavaa RF-tehon kohoamista verrattuna vertailutehoon, joko kertoimena tai logaritmisena lukuna, desibeleinä dB (dB). Vertailutehona käytetään antennin itsensä kaikkialle ympärilleen säteilemän tehon keskiarvoa, suuntavahvistus, mittayksikkö dB. Tehovahvistus, eli maksimivahvistus verrataan täysin ideaaliseen ympärisäteilevään, isotrooppiseen antenniin, mittayksikkö dBi. Jos vertailuna käytetään dipoliantennia mittayksikkö on dBd, joilla on 2.14 dB ero: 0 dBd = 2.14 dBi. Suuntavahvistus on aina suurempi luku kuin tehovahvistus samalla antennilla, koska jälkimmäiseen kuuluu myös häviöt.
• Hyötysuhde kertoo antennin häviöistä johtuvan tehonmenetyksen. Aina pienempi luku kuin 1. Suunta-antennilla hyötysuhde on yhtä suuri kuin tehovahvistus jaettuna suuntavahvistuksella.
• Resonanssitaajuus on se paras taajuus, jolla antenni on vireessä ja toimii parhaiten.
• Kaistanleveys on niiden taajuuksien (ylä- ja alarajataajuus) erotus, joilla antenni on käyttökelpoinen. Asiaan kuuluu tällöin aina ilmoittaa rajataajuuksien antennivahvistus, esimerkiksi -3 dB maksimista, joka tarkoittaa puolta maksimitehon arvosta.
• Impedanssi on vektorisuure ja tarkoittaa sitä jännitteen ja virran suhdetta, joka vaikuttaa antennin syöttönavoissa. Joskus siitä käytetään nimeä kuvaimpedanssi, koska se tavallaan "näkyy" antennin navoissa syöttöjohtoon päin.
• Polarisaatio tarkoittaa antennista lähtevän sähkömagneettisen kentän sähkökentän suuntaa vertailutasoon nähden. Maa asennuksessa verrataan maan pinnan suuntaan. Esimerkiksi: horisontaalinen polarisaatio, vertikaalinen polarisaatio tai kiertopolarisaatio.
• Lähetystehonkesto on arvo, minkä antenni kestää tuhoutumatta tai ettei kahden antennin osan välillä tapahdu ylilyöntiä ts. kipinöintiä.
• Säteilykuvio kertoo miten paljon antenni säteilee mihinkin suuntaan. Säteilykuvio ilmoitetaan tavallisesti graafisesti polaaridiagrammilla logaritmisella asteikolla horisontaalitasossa ja vaakatasossa jollakin korkeudella maanpinnasta.
• Etu/taka -suhde
• Tulokulma
• Mekaaninen kestävyys
• Diversiteetti antennijärjestelmissä tarkoittaa sitä, että yhtä lähetettä lähetetään eri taajuuksilla ja eri polarisaatioilla. Vastaanottimessa on useita antenneja ja vastaanotin vertailee lähetteen laatua ja valitsee parhaan signaalin ja polarisaation.

Antennityyppejä

Radioamatööriaseman jagiantenneja

• maatasoantenni
• pitkälanka-antenni
• dipoliantenni
  • Puoliaaltodipoli on rakenteeltaan hyvin yksinkertainen antennityyppi. Antennin kokonaispituus on yksi puoliaalto, tai käytännössä hieman vähemmän, jotta antenni saataisiin resonanssiin ja impedanssi siten puhtaasti resistiiviseksi. Teho syötetään tavallisesti keskelle, joskus päähän. Vahvistus on 2,14 dBi. Impedanssi on 73 ohmia tai käytännössä hieman alle.
  • Taittodipoli antenni on yhden aallon pituinen litteä kehä. Impedanssi on noin 288 ohmia. Kaistanleveys on puoliaaltodipolia suurempi.
• kvadiantenni
• jagiantenni
• Helix-antenni
• logperiodinen antenni
• parabolinen peiliantenni
  • Tutka käyttää usein parabolisen heijastimen, tai sen leikkaleen muotoista antenniheijastinta ja siihen tehon syöttävää torviantennia, rakoantennia, logperiodista antennia tai dipoliantennia. Tärkein ominaisuus on suuri antennivahvistus: 20...40 dBi.
• rakoantenni Sopii ulkomittojensa vuoksi hyvin mikroaalto käyttöön.
  • Tutka, etenkin merenkulkututka, hyödyntää rakosäteilijäantennia, joka on periaatteeltaan rakojen avulla vuotavaksi tehty aaltoputki. Silläkin on aika suuri antennivahvistus, mutta suurin hyöty on laivoihin ja veneisiin tarvittava pieni koko ja tuulipinta-ala.
• Torviantenni Sopii ulkomittojensa vuoksi hyvin mikroaalto käyttöön.
  • Nimensä mukaisesti torven muotoisesti laajeneva aaltoputki, joka sovittaa aaltoputken impedanssin ilmakehän impedanssiin. Vahvistus on sitä suurempi, mitä pitempi ja loivempi torvi on. Usein parabeliantennin syöttötorvena, tai yksinkin, esim. poliisin nopeudenvalvontatutkassa.

Antennien asennuspaikat

Antennien asennuspaikat ovat korotettuja tai korkealla olevia alustoja maassa, ilmassa ja avaruudessa, jotka on tarkoitettu tietoliikennelaitteiden korottamiseen, sähköenergian antamiseen ja muuhun ylläpitoon langatonta viestintää varten. Etenkin korkeat radiotaajuudet tarvitsevat avoimen tilan lähetyspisteen ja vastaanottopisteen välillä.

Maassa olevia mikroaalto-tietoliikennelaitteita

Antennit satelliitteissa

Satelliitti voi olla 200–36 000 km:n korkeudella, mutta satelliitti voi olla toiminnassa niin kauan kuin aurinkokennot kestää eli 10-30 vuotta, ellei tarvita rakettipolttoainetta radan pitämiseen tiettynä.

Antennit luotausraketeissa

Luotausraketti voi nousta jopa 100 km korkeuteen, mutta pysyy ylhäällä vain hetken.

Antennit lentokoneissa

Ilma-alus voi olla korkeintaan 30 km korkeudella, käytännössä 10-20 km:n korkeudella. Tavallinen lentokone pysyy ylhäällä 5-30 tuntia, kun jotkut kokeelliset aurinkolentokoneet pysyvät akkujen tai polttokennojen lataus-purkaus-syklin avulla kuukausia. Tietoliikenteen alustoina toimivia lentokoneita ovat esimerkiksi:

• Pathfinder Plus
• Commando Solo

Antennit ilmalaivoissa

Ilmalaiva voi olla antennin asennuspaikka. Esimerkkinä tällaisesta on Blue devil.

Tietoliikenneaerostaatit

Kiintopallo eli aerostaatti on maahan kaapelilla / köydellä / narulla / langalla / siimalla kiinnitetty heliumpallo tai vetypallo. Tällaisia ovat esimerkiksi:

• Marine Airborne Re-Transmission System
• Lockheed_Martin_275K

Vuori antennin asennuspaikkana

Vuori on yleensä alle 5 km:n korkuinen. Jäätikkö ja sää voi mutkistaa esimerkiksi viestintälinkin asennusta.

Masto antennin asennuspaikkana

Maston korkeus on enintään 400 metriä ja se yltää harvoin pilvien yläpuolelle.

Tekniikkaa, geometriaa ja fysiikkaa

20-30 kilometrin korkeudesta radioaalto pääsee suoraa linjaa n. 500-618 kilometrin päässä maalla tai merellä olevaan vastaanottimeen ja päinvastoin. Toiseen yhtä korkealla olevaan ilma-alukseen viesti kulkee tuplasti pidemmän matkan.^lähde?

Maan säteeseen perustuvan geometrisen kaavan:

$d \approx \sqrt{12,74h} \approx 3,57\sqrt{h} \,,$

mukaan korkeudesta voi laskea esimerkiksi nämä horisontin etäisyydet:

(Ilmakehän aiheuttaman valon taittamisen huomioiva kaava on:

$d \approx 3,856\sqrt{h} \,,$

Sen antamat luvut suluissa.)

Kolmantena sen ympyrän pinta-ala, jolle siitä korkeudesta on suora linja, jos on riittävän tasaista.

• 100 metriä (kukkula): 36 km, (39 km) 4 004 km²
• 1 km: 113 km (122 km) 40 115 km² 5,6 km 78 km²
• 3 km: 195 km (kiintopallo) 119 459 km² 17 km 907 km²
• 10 km: 357 km (386 km) 400 393 km² 56 km 9 852 km²
• 15 km: 437 km (472 km) 599 947 km² 85 km 22 698 km²
• 20 km: 505 km (545 km) 801 185 km² 113 km 40 114 km²
• 25 km: 564 km (610 km) 999 328 km² 141 km 62 458 km²
• 30 km: 618 km (668 km) 1 199 850 km² 170 km 90 792 km²
• 35 km: 668 km (721 km) 1 401 854 km² 198 km 123 162 km²

Viimeiset luvut ovat maa-etäisyys ja sen kokoisen ympyrän pinta-ala silloin kun lähetin on maassa olevalle havaitsijalle vähintään n. 10 asteen korkeudella horisontista. Luvut sitä karkeampia mitä korkeammalle mennään, koska maan kaareutumista ei huomioitu.

Etäisyys ja siten tavoitettava pinta-ala riippuu myös lähettimen tehosta, vastaanottimen herkkyydestä, käytetyn aallonpituuden vaimentumisesta ilmassa ja vesipisaroiden /sumun vuoksi, taittumisesta ja diffraktiosta.

Valon taittumisen huomioivat luvut ovat olennaisia lähinnä silloin, jos on mahdollista käyttää vapaatilaoptista viestintää. Ehkä jotkut mikroaalto-aallonpituudet taittuvat samalla tavalla.

Mitä suurempi aallonpituus sitä enemmän diffraktiota ja sitä kauempaa toinen yhtä korkealla oleva ilma-alus voi vastaanottaa.

Katso myös

• adaptiiviset älyantennit

Kirjallisuutta

• Field antenna handbook (kenttäantennikäsikirja), MCRP 6-22D [1] PDF-tiedostomuoto