Антенна радиоприемника выполняет функцию. Назначение и принцип работы антенны радиоприемника: прием электромагнитных волн

Автоантенны: лови волну — КОЛЕСА.ру – автомобильный журнал

Насколько от антенны зависит качество приема?

Полностью. Технически приёмная антенна и выполняет эту функцию – преобразует энергию распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника. Поэтому без антенны как таковой воогбще невозможен прием какого либо радиосигнала.

И даже если, например, какой-нибудь старый радиоприемник с отломанными «усами» работает вполне нормально, как может показаться, вообще без всяких антенн, то это не так – эту функцию выполняет оставшаяся внутренняя часть антенны. Другое дело, что при сильном сигнале от передающей станции, этих «остатков» будет достаточно, но при ослаблении (например, при удалении от источника) уже не хватит, и прием резко ухудшится.

В целом качество приема определяется всей системой. Здесь важны и технические параметры самой антенна, ее расположение на кузове, качество антенного усилителя, ТV или FM/AM-тюнера, головного устройства. Значение имеет даже кабель, соединяющий антенну и тюнер, путь его прокладки по кузову. Именно правильный подбор всех компонентов и их инсталляция и позволяют добиться качественного приема.

При установке телевизора нужно ставить для него и специальную ТВ-антенну или же можно подключиться к имеющейся радиоантенне?

К радиоантенне подключиться нельзя, нужно ставить отдельную телевизионную. Все антенны рассчитаны но определенный диапазон принимаемых частот, а у ТВ и радио они различны. Как выход, чтоб не сверлить лишние отверстия в кузове, может быть замена существующей радио- на комбинированную FM/AM/TV-антенну, к которой можно одновременно подключить и телевизор и радиоприемник.

Верно ли, что во время движения смотреть телепрограммы с нормальным качеством изображения все равно не получиться, какие антенны и усилители ни ставь?

К сожалению, это верно. Даже если, стоя в пробке удалось поймать канал, который «хорошо показывает», то продвинувшись чуть вперед можно начать смотреть уже только «снег» или полоски. Связано это с особенностями телесигнала и его приема. Сигнал ТВ аналоговый, достаточно слабый, сильно подвержен воздействию помех, «глушению» в рельефе местности (особенно городской), принимается  часто вместе со своими «отражениями» от зданий и пр.

При этом помехи при приеме ТВ оказываются гораздо более неприятными чем при  приеме радио – если шумы и потрескивания при прослушивании новостей почти незаметны, то всяческий «снег», подергивания, полосы и пр. в буквальном смысле бросаются в глаза.

Сейчас понемногу у нас начинает внедряться ТВ передающее цифровой сигнал, что позволяет более-менее нормально смотреть теканалы при движении по городу. Но пока такое ТВ еще недостаточно развито, а оборудование для него и абонентское пользование достаточно дороги.

При установке цифрового тюнера нужно менять и антенну на «цифровую» или можно подключиться к имеющейся «аналоговой»?

Можно, если не изменяется диапазон принимаемых частот. Для антенн разделения на  «цифровые» и «аналоговые» не существует – эти понятия относятся к вопросом кодировки сигналов. Поэтому, если цифровой и аналоговый сигналы будут приниматься на тех же частотах, то менять антенну не надо.

Можно ли полностью заменить штатную антенну либо подключить к ней усилитель или дополнительную антенну?

Можно и то, и другое, и третье. И даже есть возможность при замене обойтись без сверления отверстий под новую внешнюю антенну – для массовых моделей авто многие производители выпускают антенны с посадочными площадками как у штатных.

Единственное, не стоит забывать, что если машина на гарантии, то сделать подобный апгрейд нужно только в дилерском сервисе.

Можно ли в эстетических и практических целях изогнуть или укоротить антенну?

В принципе, да. Только качество приема, особенно телевизионного сигнала, может заметно ухудшиться.

У меня и у моего знаомого одинаковые антенны и телевизоры, но у меня качество картинки несколько хуже — почему так происходит?

Как говорилось в самом начале, качество картинки ТВ зависит не только от антенны и телевизора – немаловажную роль тут играет тюнер, кабели, их прокладка, местоположение антенны на кузове. Возможно, причина где-то здесь.

Наконец, значение имеет и место, где стоит сам автомобиль. Телесигнал очень капризен: в стоящих неподалеку машинах абсолютно одинаковые системы ТВ могут показывать по-разному.

Установил дополнительный антенный усилитель, но прием телеканалов лучше не стал — в чем причина?

Опять-таки, тут нужно смотреть другие компоненты системы. Тут, возможно, неправильно работает АРУ (автоматическая регулировка усиления) в телеприемнике, либо что-то не в порядке с антенной.

Как определить, что в плохом приеме виновата именно антенна и ее нужно заменить, чтоб все наладилось?

Если нет видимых повреждений, то только опытным путем. Ну, еще можно проверить общую целостность, например, внутренней намотки антенны тестером или лампочкой с батарейкой. А для дальнейшего требуется уже специальное радиотехническое оборудование, которое можно найти разве что в институте им. Попова.

Можно ли воспользоваться автомобильной антенной для «усиления» сотового телефона или GPS-приемника?

Напрямую обычной телерадиоантенной воспользоваться нельзя. Но сейчас в продаже есть множество GSM  и GPS антенн, как одночастотных, так и комбинированных с AM/FM/TV-приемом, которые прекрасно подходят для «усиления» мобильника или навигатора.

С чего лучше начать «борьбу за улучшения приема»: ставить усилитель или дополнительную антенну?

В принципе, все равно с чего. Что проще и понятнее сделать – с того и начинать.

Верно ли, что чем больше антенн и чем больше их размеры – тем лучше?

Совершенно верно, особенно что касается ТВ. Большая антенна (при прочих равных условиях) принимает лучше чем меньшая, и стоящие рядом антенны друг другу никак не мешают. Более того – все современные ТВ-тюнеры уже изначально имеют 4 антенных входа. Единственным ограничителем для автомобиля тут выступает разве что практичность и эстетика.

Что надо иметь в виду, выбирая автомобильную антенну?

Прежде всего, ее частотные характеристики – т.е. для радио, ТВ, GSM или GPS приема она нужна. Тут, кстати, даже если, например, выбираем радиоантенну, есть смысл сразу взять комбинированную с возможностью приема ТВ – вдруг когда-нибудь получиться «созреть» до установки телевизора.

Все автомобильные антенны можно разделить на те, что устанавливаются внутри салона, и те, что крепятся снаружи к кузову. Среди первых множество моделей, которые легко поставить самому, у внешних установка сложнее – тут может понадобиться сверление отверстий в кузове и специальная прокладка кабеля. Поэтому, кстати, при установке внешних антенн не стоит экспериментировать со всякой дешевой продукцией. Со внутренними это не так проблематично, но их главный недостаток —  худший прием, особенно за городом. Заметно ухудшает прием антенны, наклеиваемой изнутри на стекло, тонировка с металлизированным «зеркальным» напылением. Для ТВ внутрисалонные антенны малопригодны  – более-менее устойчивый ТВ сигнал могут принять только внешние антенны.

Благодарим за помощь в подготовке материала специалистов студии автоэлектроники «Бладхаунд».

Теория радиоволн: антенны / Хабр

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Направленность — двулепестковая

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.

Собираем радиоприемник в домашних условиях

Сегодня слушать радио можно через сотовый телефон или другую электронную аппаратуру, но вдали от цивилизации люди по-прежнему предпочитают ловить радиовещание самостоятельно сконструированными простейшими радиоприемниками. Кто-то делает это из интереса к процессу, кто-то из-за возможности попробовать себя, а кто-то из необходимости создает детекторный приемник из того, что есть под рукой.

Стоит отметить, что  простейшие детекторные радиоприемники не способны ловить волны FM-диапазаона. А для создания самого устройства потребуется тщательный подбор деталей и комплектующих. Сам приемник довольно требователен к конструкции антенны, устройству заземления, все потому, что работают такие приемники без источников питания, исключительно на собственном электромагнитном поле.

Это можно считать одновременно и преимуществом подобных приемников, и их недостатком. Такой приемник способен работать вечно, по крайней мере, до тех пор, пока будет идти радиовещание. С другой стороны такие приемники отличаются низкой чувствительностью,  поэтому могут принимать только самые мощные сигналы.

Конструкция антенны

Антенна в детекторном радиоприемнике выполняет функцию источника питания. Поэтому к ее конструкции предъявляются повышенные требования. Логично, что и сам радиоприемник в таком случае может выступать в качестве источника питания, но стоит понимать, что напряжение на выходе будет довольно низкое. Поэтому антенну лучше не использоваться в качестве источника питания дополнительных устройств. Она прежде всего должна обеспечивать стабильную работу самого радиоприемника.

Существует несколько типов антенн, наиболее популярной считается антенна типа «длинный луч». Для создания подобной антенны на высоте от 3 метров подвешивается провод длинной не меньше 10 метров. Лучше, если это будет медный провод, покрытый изоляционной лаковой оболочкой, толщиной проволока должна быть от 1 мм.

Края проволоки должны быть качественно заизолированы, иначе вся энергия будет уходить в землю. Изолировать лучше всего с использование керамических элементов. От одного из краев антенны провод снижения припаивается к полотну на расстояние в 30-50 см от его конца.

Подробности

Заземление для детекторного приемника

Антенна представляет собой «плюсовой» провод питания, а заземление – «минусовой». Без заземления работать приемник просто не будет. Если нет возможности устроить качественное заземление, то можно конечно воспользоваться батареями или водопроводными трубами (если, конечно, они не из пластика), а так же нулевым выводом в розетках. Последний вариант крайне опасный, поэтому тщательно проверяйте, где находиться фаза, иначе рискуете получить поражение электрическим током. Зато заземление через «ноль» розетки дает возможность получить прибор с повышенной чувствительностью и избирательностью.

Если планируете заземляться через батареи или водопроводные трубы, то стоит предварительно стереть с них слой декоративного покрытия, который будет мешать эффективной работе.

В качестве заземления может выступать и простой отрезок трубы или арматуры до метра в длину, забитый в землю. Аналогичным эффектом будет обладать железная плита, закопанная в землю на глубину от полуметра, при этом, чем больше металлической поверхности, тем лучше. В целом, для заземления можно использовать любой металлический предмет, закопанный или надежно закрепленный в земле.

ВАЖНО: в жаркую погоду необходимо дополнительно смачивать водой место, где расположен штырь заземления, так контакт металла с землей будет более надежным.

Создание колебательного контура

После того, как вы соорудили антенну и организовали заземление для устройства можно переходить к созданию самого приемника. Первое, что необходимо создать – это колебательный контур. Он представляет собой катушку индуктивности и конденсатор, которые подключены параллельным соединением. Эти элементы помогают настроить приемник в резонанс с антенной. При этом важно, чтобы конденсатор был переменным. Для этого можно использовать воздушный или бумажный диэлектрики. На катушку наматывается тот же тип провода, который использовался при создании антенны. Намотать придется как минимум 100 витков при оправке с диаметров в 3-5 см. Для того, чтобы расширить диапазон принимаемых частот необходимо делать отводы после каждого 25 витка. Наматывать провод необходимо виток к витку, при этом следить за тем, чтобы напряжение провода было достаточным. Для надежной фиксации проволоки на катушке сверху ее можно покрыть эпоксидной смолой.

Сборка устройства

Детекторный приемник состоит из:

• катушки индуктивности,
• переменного и постоянного конденсатора (лучше использовать такие, которые изготавливаются из бумаги или фольги, чем керамические),
• полупроводникового диода типа Д9 (можно заметить на диод любого другого типа, главное, чтобы он был на основе кристалла кремния и высокочастотным),
• Высокоомных наушников,
• Средств коммутации – зажимы- крокодилы, гнезда, штекеры и т.д.

Собрать все эти элементы не сложно, можно обойтись даже без пайки. Достаточно воспользоваться самой простой схемой сборки детекторного приемника.

Сборка дополнительного усилителя для низких частот

Предыдущие шаги дали нам возможность собрать простейший усилитель, которые позволяет слушать радио только с использованием наушников. Для того, чтобы детекторный приемник начал вещать через громкоговоритель, необходимо его усовершенствовать. Можно установить дополнительный разъем 3.5 мм и подключить через штекер колонки. Но, если колонки отсутствуют, то можно соорудить небольшой усилитель, работающий на микросхеме. Можно выбрать усиленные сборки TDA2003, 2005, важно, чтобы у них было однополярное питание.

ВАЖНО: такие усилители очень сильно нагреваются, поэтому необходимо использовать дополнительные радиаторы охлаждения.

Дополнительно стоит установить и усилитель высокой частоты, он поможет увеличить амплитуду сигнала без потери его формы. Изготовить его можно так же как и усилитель низких частот на одном транзисторе. Стоит отдать предпочтение полевым транзисторам.

Установка блока питания

В качестве источника питания могут выступать батарейки, сеть, солнечная батарея, или готовый блок питания от любого бытового прибора, например DLS –модема или телевизионного усилителя антенны. От телефонных зарядок в качестве аккумулятора стоит отказаться, так как они работают импульсно.

Надеюсь, что эта статья поможет вам осуществить детскую или уже не детскую мечту, и собрать своими руками радиоприемник. Тем более, что это от вас не потребуется каких-то дефицитных деталей, организации рабочего места, да и сами детали конструкции в любой момент могут быть усовершенствованы и заменены на более подходящие.

90000 Control Engineering | Antenna basics, antenna types, antenna functions 90001 90002 By Daniel E. Capano August 2, 2014 90003 90002 90005 Before we get into the black magic that is wireless signal propagation, we need to understand a vital part of the industrial wireless system: antennas. Antennas are the means for coupling the transmitter to the medium, in this case, free space. An antenna is an electromagnetic radiator; it creates an electromagnetic field that proceeds out from the transmitting antenna to the receiver’s antenna, which then converts the electromagnetic wave into electrical signals that are applied to the receiver’s input stages.90003 90002 There are several different types of antennas in three broad categories: omni-directional, directional, and semi-directional. 90003 90002 — Omni-directional antennas propagate in all directions. 90003 90002 — Semi-directional antennas propagate in a constricted fashion, defined by a specific angle. 90003 90002 — Directional antennas have a narrow «beam» that allows highly directional propagation; familiar types are the parabolic and Yagi. Each has unique characteristics and applications.90003 90002 Propagation patterns are shown on a polar chart, the angle of propagation being limited to where the power level drops by 3 dB. Figure 1 shows a polar plot for different antennas; the half-power beamwidth for a Yagi antenna is shown. 90003 90002 90018 Passive gain amplifies the signal 90019 90003 90002 All antennas exhibit passive gain, which serves to amplify the signal. Passive gain is measured by the quantity dBi, which is the gain referenced to a theoretical isotropic antenna; an isotropic antenna transmits energy equally in all directions, and does not exist in nature.The gain of an ideal half-wave dipole antenna is 2.15 dBi. It should also be noted that as directionality increases, so does gain. 90003 90002 EIRP, or equivalent (or effective) isotropic radiated power, is the measure of the maximum power a theoretical isotropic antenna would emit in the direction of maximum antenna gain. EIRP accounts for losses from transmission lines and connectors, and includes actual antenna gain. EIRP allows calculation of real power output and field strength values, if actual antenna gain and transmitter output power are known.90003 90002 90018 90027 Dipole antennas, rubber ducky 90019 90003 90002 Dipole antennas are the most common type of antenna used and are omni-directional, propagating radio frequency (RF) energy 360 degrees in the horizontal plane. These devices are constructed to be resonant at a half or quarter wavelength of the frequency being applied. This antenna can be as simple as two pieces of wire cut to the proper length or can be encapsulated as shown in the illustration; this configuration is commonly referred to as a «rubber ducky» antenna.The dipole is used in many enterprise and small office and home office (SOHO) Wi-Fi deployments. 90003 90002 An antenna exhibits a typical impedance, allowing for matching of the antenna to the transmitter for maximum power transfer. If the antenna and transmitter are not matched, reflections will occur on the transmission line which will degrade the signal or even damage the transmitter. These reflections are described by the term standing wave ratio (SWR) and indicate the efficiency of the transmission line.SWR of 1: 1 would indicate that no power is reflected and lost; 5: 1 would indicate a reflection and loss of 44%. SWR is commonly used as a voltage ratio and referred to as VSWR. 90003 90002 90018 Directional antenna 90019 90003 90002 Directional and semi-directional antennas focus radiated power into narrow beams, adding a significant amount of gain in the process. Antenna properties are also reciprocal. The characteristics of a transmitting antenna, such as impedance and gain, are also applicable to a receiving antenna.This is why the same antenna can be used for both sending and receiving. The gain of a highly directional parabolic antenna serves to amplify a weak signal; this is one reason why this type of antenna is frequently used for long distance links. 90003 90002 90041 90003 90002 90018 Patch antenna, microstrip antenna 90019 90003 90002 A patch antenna is a semi-directional radiator using a flat metal strip mounted above a ground plane. Radiation from the back of the antenna is effectively cut off by the ground plane, enhancing forward directionality.This type of antenna is also known as a microstrip antenna. It is typically rectangular and enclosed in a plastic enclosure. This type of antenna lends itself to being manufactured by standard printed circuit board methods. Patch antennas are widely used semi-directionals; a patch antenna can have a beamwidth of between 30 to 180 degrees and a typical gain of 9 dB. 90003 90002 90018 Sector antenna 90019 90003 90002 Sector antennas are another type of semi-directional antenna. Sector antennas provide a pie-shaped (sector) radiation pattern and are usually installed in what is known as a sectorized array.Beamwidth for a sector antenna can be between 60 to 180 degrees, with 120 degrees being typical. In a sectorized array, antennas are mounted back-to-back to provide full 360-degree coverage. Sector antennas are used extensively for cellular communication. 90003 90002 90018 90057 90019 90003 90002 90018 Yagi antenna 90019 90003 90002 A commonly used directional antenna is the Yagi-Uda Array, usually just called a Yagi. It was invented by Shintaro Uda and his colleague, Hidetsugu Yagi, in 1 926.A Yagi antenna uses several elements to form a directional array. A single driven element, typically a dipole, propagates RF energy; elements placed immediately in front of and behind the driven element re-radiate RF energy in phase and out of phase, enhancing and retarding the signal, respectively. The elements are called parasitic elements; the element behind the driven element is called the reflector, while the elements in front of the driven element are called directors. Yagi antennas have beamwidths in the range of 30 to 80 degrees and can provide well in excess of 10 dBi passive gain.A multi-element high-gain Yagi is shown in Figure 4. 90003 90002 90018 90068 Parabolic or dish antenna 90019 90003 90002 Parabolic, or dish, antennas are the most familiar type of directional antenna. A parabola is a symmetric curve; a parabolic reflector is a surface that describes that curve throughout a 360-degree rotation-a dish or, to use the technical term, a paraboloid. A parabolic reflector has a high degree of directivity and has the ability to focus RF energy into a beam, much like a flashlight.Parabolic antennas have a very narrow beamwidth, usually not exceeding 25 degrees. Gain is dependent on diameter and frequency; at 2.4 GHz, a 1 meter dish will provide about 26 dBi gain, while a 10 meter antenna will provide 46 dBi gain at the same frequency. The antenna is «fed» by either a half wave dipole antenna or a feed horn. Parabolic antennas are used for long distance communication links between buildings or over large geographic areas. Very large parabolic antennas are used for radio astronomy and can provide gain of 10 million or about 70 dBi.90003 90002 90018 90075 Grid antenna 90019 90003 90002 A variation of the dish is the grid antenna. Given that a parabolic reflector will present a large solid surface to the wind, it follows that high or even moderate wind conditions will cause the dish to move out of alignment or deform. To prevent this from happening, the reflector is perforated into a grid. The spacing of the grid elements is frequency dependent; it is inversely proportional to the frequency. Gain and beamwidth are similar to the parabolic antenna.90003 90002 — Daniel E. Capano, owner and president, Diversified Technical Services Inc. of Stamford, Conn., is a certified wireless network administrator (CWNA). Edited by Mark T. Hoske, content manager, CFE Media, 90081 Control Engineering, 90082 [email protected]. 90003 90002 90018 Online extras 90019 90003 90002 See other wireless tutorials from Capano on the wireless revolution, radio frequency basics, and comparative modulation: Spread spectrum modulation terms and definitions for wireless networking 90003 90002 www.controleng.com/webcasts has wireless webcasts, some for PDH credit. 90003 90002 90081 Control Engineering 90082 has a wireless page. 90003 .90000 How do antennas and transmitters work? 90001 90002 Advertisement 90003 90002 90003 90006 90007 90008 90009 90010 90002 by Chris Woodford. Last updated: June 29, 2020. 90003 90013 Imagine holding out your hand and catching words, pictures, and information passing by. That’s more or less what an 90014 antenna 90015 (Sometimes called an aerial) does: it’s the metal rod or dish that catches radio waves and turns them into electrical signals feeding into something like a radio or television or a telephone system.Antennas like this are sometimes called receivers. A transmitter is a different kind of antenna that does the opposite job to a receiver: it turns electrical signals into radio waves so they can travel sometimes thousands of kilometers around the Earth or even into space and back. Antennas and transmitters are the key to virtually all forms of modern telecommunication. Let’s take a closer look at what they are and how they work! 90003 90002 Photo: The enormous 70m (230ft) Canberra deep dish satellite antenna in Australia.Photo by courtesy of NASA on the Commons. 90003 90019 How antennas work 90020 90002 Suppose you’re the boss of a radio station and you want to transmit your programs to the wider world. How do you go about it? You use microphones to capture the sounds of people’s voices and turn them into electrical energy. You take that electricity and, loosely speaking, make it flow along a tall metal antenna (boosting it in power many times so it will travel just as far as you need into the world).As the electrons (tiny particles inside atoms) in the electric current wiggle back and forth along the antenna, they create invisible electromagnetic radiation in the form of radio waves. These waves, partly electric and partly magnetic, travel out at the speed of light, taking your radio program with them. What happens when I turn on my radio in my home a few miles away? The radio waves you sent flow through the metal antenna and cause electrons to wiggle back and forth. That generates an electric current-a signal that the electronic components inside my radio turn back into sound I can hear.90003 90002 90003 90002 Artwork: How a transmitter sends radio waves to a receiver. 1) Electricity flowing into the transmitter antenna makes electrons vibrate up and down it, producing radio waves. 2) The radio waves travel through the air at the speed of light. 3) When the waves arrive at the receiver antenna, they make electrons vibrate inside it. This produces an electric current that recreates the original signal. 90003 90002 Transmitter and receiver antennas are often very similar in design.For example, if you’re using something like a satellite phone that can send and receive a video-telephone call to any other place on Earth using space satellites, the signals you transmit and receive all pass through a single satellite dish-a special kind of antenna shaped like a bowl (and technically known as a 90014 parabolic reflector 90015, because the dish curves in the shape of a graph called a parabola). Often, though, transmitters and receivers look very different. TV or radio broadcasting antennas are huge masts sometimes stretching hundreds of meters / feet into the air, because they have to send powerful signals over long distances.(One of the ones I tune into regularly, at Sutton Coldfield in England, has a mast 270.5 metres or 887ft high, which is something like 150 tall people standing on top of one another.) But you do not need anything that big on your TV or radio at home: a much smaller antenna will do the job fine. 90003 90002 Waves do not always zap through the air from transmitter to receiver. Depending on what kinds (frequencies) of waves we want to send, how far we want to send them, and when we want to do it, there are actually 90032 three 90033 different ways in which the waves can travel: 90003 90002 90003 90002 Artwork: How a wave travels from a transmitter to a receiver: 1) By line of sight; 2) By ground wave; 3) Via the ionosphere.90003 90039 90008 As we’ve already seen, they can shoot by what’s called «line of sight», in a straight line-just like a beam of light. In old-fashioned long-distance telephone networks, microwaves were used to carry calls this way between very high communications towers (Fiber-optic cables have largely made this obsolete). 90009 90008 They can speed round the Earth’s curvature in what’s known as a ground wave. AM (medium-wave) radio tends to travel this way for short-to-moderate distances.This explains why we can hear radio signals beyond the horizon (when the transmitter and receiver are not within sight of each other). 90009 90008 They can shoot up to the sky, bounce off the 90014 ionosphere 90015 (an electrically charged part of Earth’s upper atmosphere), and come back down to the ground again. This effect works best at night, which explains why distant (foreign) AM radio stations are much easier to pick up in the evenings. During the daytime, waves shooting off to the sky are absorbed by lower layers of the ionosphere.At night, that does not happen. Instead, higher layers of the ionosphere catch the radio waves and fling them back to Earth-giving us a very effective «sky mirror» that can help to carry radio waves over very long distances. 90009 90048 90019 How long does an antenna have to be? 90020 90002 90003 90002 Photo: Antennas that use line-of-sight communication need to be mounted on high towers, like this. You can see the thin dipoles of the antenna sticking out of the top, but most of what you see here is just the tower that holds the antenna high in the air.Photo by Pierre-Etienne Courtejoie courtesy of US Army. 90003 90002 The simplest antenna is a single piece of metal wire attached to a radio. The first radio I ever built, when I was 11 or 12, was a crystal set with a long loop of copper wire acting as the antenna. I ran the antenna right the way around my bedroom ceiling, so it must have been about 20-30 meters (60-100 ft) long in all! 90003 90002 Most modern transistor radios have at least two antennas. One of them is a long, shiny telescopic rod that pulls out from the case and swivels around for picking up FM (frequency modulation) signals.The other is an antenna inside the case, usually fixed to the main circuit board, and it picks up AM (amplitude modulation) signals. (If you’re not sure about the difference between FM and AM, refer to our radio article.) 90003 90002 Why do you need two antennas in a radio? The signals on these different wave bands are carried by radio waves of different frequency and wavelength. Typical AM radio signals have a frequency of 1000 kHz (kilohertz), while typical FM signals are about 100 MHz (Megahertz) -so they vibrate about a hundred times faster.Since all radio waves travel at the same speed (the speed of light, which is 300,000 km / s or 186,000 miles per second), AM signals have wavelengths about a hundred times bigger than FM signals. You need two antennas because a single antenna can not pick up such a hugely different range of wavelengths. It’s the wavelength (or frequency, if you prefer) of the radio waves you’re trying to detect that determines the size and type of the antenna you need to use. Broadly speaking, the length of a simple (rod-type) antenna has to be about half the wavelength of the radio waves you’re trying to receive (it’s also possible to make antennas that are a quarter of the wavelength, compact miniaturized antennas that are about a tenth the wavelength, and membrane antennas that are even smaller, though we will not go into that here).90003 90002 The length of the antenna is not the only thing that affects the wavelengths you’re going to pick up; if it were, a radio with a fixed length of antenna would only ever be able to receive one station. The antenna feeds signals into a tuning circuit inside a radio receiver, which is designed to «latch onto» one particular frequency and ignore the rest. The very simplest receiver circuit (like the one you’ll find in a crystal radio) is nothing more than a coil of wire, a diode, and a capacitor, and it feeds sounds into an earpiece.The circuit responds (technically, 90014 resonates 90015, which means electrically oscillates) at the frequency you’re tuned into and discards frequencies higher or lower than this. By adjusting the value of the capacitor, you change the resonant frequency-which tunes your radio to a different station. The antenna’s job is to pick up enough energy from passing radio waves to make the circuit resonate at just the right frequency. 90003 90019 AM and FM antennas: the long and short of it 90020 90002 90003 90002 Photo: The AM «loopstick» antenna inside a typical transistor radio is very compact and highly directional.The pink-colored wire that makes up the antenna is wrapped around a thick ferrite core (the black rod). Usually, as you can see here, there are two separate antennas on the same ferrite rod: one for AM (medium-wave) and one for LW (long-wave). 90003 90002 Let’s see how it works for FM. If I try to listen to a typical radio broadcast on an FM frequency of 100 MHz (100,000,000 Hz), the waves carrying my program are about 3m (10ft) long. So the ideal antenna is about 1.5m (4ft) or so long, which is roughly the length of a telescopic FM radio antenna when it’s fully extended.90003 90002 Now for AM, the wavelengths are about 100 times greater, so how come you do not need an antenna that’s 300m (0.2 miles) long to pick them up? Well you do need a powerful antenna, you just do not know it’s there! The AM antenna on the inside of a transistor radio works in a very different way to the FM antenna on the outside. Where an FM antenna picks up the 90032 electric 90033 part of a radio wave, an AM antenna couples with the 90032 magnetic part 90033 instead. It’s a length of very thin wire (typically several tens of meters) looped anything from a few dozen to a few hundred times around a ferrite (iron-based magnetic) core, which greatly concentrates the magnetic part of the radio signals and produces ( «induces») a bigger current in the wire wrapped around them.That means an antenna like this can be really tiny and still pack a punch. Without the ferrite rod, a loop antenna either needs many more turns of wire (So ​​thousands instead of hundreds or dozens) or the loops of wire need to be a lot bigger. That’s why external FM antennas for radio sets sometimes take the form of a big loop, maybe 10-20cm (4-8in) in diameter or so. 90003 90002 90003 90002 Artwork: Top: Electromagnetic radio waves consist of vibrating electric waves (blue) and magnetic waves (red) traveling together at the speed of light (black arrow).Bottom: Left: An FM antenna picks up the relatively short wavelength, high-frequency electric part of FM radio waves. Right: An AM ferrite loop antenna picks up and concentrates the magnetic parts of longer wavelength, lower frequency electromagnetic waves. 90003 90002 So far so good, but what about cellphones? How come they need only short and stubby antennas like the one in this photo? Cellphones use radio waves too, also traveling at the speed of light, and with a typical frequency of 800 MHz (roughly ten times greater than FM radio).That means their wavelength is about 10 times shorter than FM radio, so they need an antenna roughly one tenth the size. In smartphones, typically the antenna stretches around the inside of the case. Let’s see how that computes: if the frequency is 800MHz, the wavelength is 37.5cm (14.8in), and half the wavelength would be 18cm (7.0in). My current LG smartphone is about 14cm (5.5in) long, so you can see we’re in the right sort of ballpark. 90003 90002 90003 90002 Photo: 1) This telescopic FM radio antenna pulls out to a length of about 1-2m (3-6ft or so), which is roughly half the length of the radio waves it’s trying to capture.2) Cellphones have particularly compact antennas. Older ones (like the Motorola on the left) have stubby external antennas or ones that pull out telescopically. (The exposed part of the antenna is the bit my finger is pointing to and there’s another part we can not see running around the edge of the circuit board inside the case.) Newer cellphones (like the Nokia model on the right) have longer antennas built completely inside the case. 90003 90019 More types of antennas 90020 90002 The simplest radio antennas are just long straight rods.Many indoor TV antennas take the form of a 90014 dipole 90015: a metal rod split into two pieces and folded horizontally so it looks a bit like a person standing straight up with their arms stretched out horizontally. More sophisticated outdoor TV antennas have a number of these dipoles arranged along a central supporting rod. Other designs include circular loops of wire and, of course, parabolic satellite dishes. Why so many different designs? Obviously, the waves arriving at an antenna from a transmitter are exactly the same, no matter what shape and size the antenna happens to be.A different pattern of dipoles will help to concentrate the signal so it’s easier to detect. That effect can be increased even more by adding unconnected, «dummy» dipoles, known as directors and reflectors, which bounce more of the signal over to the actual, receiving dipoles. This is equivalent to boosting the signal-and being able to pick up a weaker signal than a simpler antenna. 90003 90002 90003 90002 Artwork: Four common types of antenna (red) and the places where they pick up best (orange): A basic dipole, a folded dipole, a dipole and reflector, and a Yagi.A basic or folded dipole antenna picks up equally well in front of or behind its poles, but poorly at each end. An antenna with a reflector picks up much better on one side than the other, because the reflecting element (the red, dipole-like bar on the left) bounces more signal over to the folded dipole on the right. The Yagi exaggerates this effect even more, picking up a very strong signal on one side and almost no signal anywhere else. It consists of multiple dipoles, reflectors, and directors.90003 90019 Important properties of antennas 90020 90002 Three features of antennas are particularly important, namely their directionality, gain, and bandwidth. 90003 90103 Directionality 90104 90002 Dipoles are very 90014 directional 90015: they pick up incoming radio waves traveling at right angles to them. That’s why a TV antenna has to be properly mounted on your home, and facing the correct way, if you’re going to get a clear picture. The telescopic antenna on an FM radio is less obviously directional, especially if the signal is strong: if you have it pointed straight upward, it will capture good signals from virtually any direction.The ferrite AM antenna inside a radio is much more directional. Listening to AM, you’ll find you need to swivel your radio around until it picks up a really strong signal. (Once you’ve found the best signal, try turning your radio through exactly 90 degrees and notice how the signal often falls off almost to nothing.) 90003 90002 Although highly directional antennas may seem like a pain, when they’re properly aligned, they help to reduce interference from unwanted stations or signals close to the one you’re trying to detect.But directionality is not always a good thing. Think about your cellphone. You want it to be able to receive calls wherever it is in relation to the nearest phone mast, or pick up messages whichever way it happens to be pointing when it’s lying in your bag, so a highly directional antenna is not much good. Similarly for a GPS receiver that tells you where you are using signals from multiple space satellites. Since the signals come from different satellites, in different places in the sky, it follows that they come from different directions, so, again, a highly directional antenna would not be that helpful.90003 90103 Gain 90104 90002 The 90014 gain 90015 of an antenna is a very technical measurement but, broadly speaking, boils down to the amount by which it boosts the signal. TVs will often pick up a poor, ghostly signal even without an antenna plugged in. That’s because the metal case and other components act as a basic antenna, not focused in any particular direction, and pick up some kind of signal by default. Add a proper directional antenna and you’ll 90032 gain 90033 a much better signal.Gain is measured in decibels (dB), and (as a broad rule of thumb) the bigger the gain the better your reception. In the case of TVs, you get much more gain from a complex outdoor antenna (one with, say, 10-12 dipoles in a parallel «array») than from a simple dipole. All outdoor antennas work better than indoor ones, and window and set-mounted antennas have higher gain and work better than built-in ones. 90003 90103 Bandwidth 90104 90002 An antenna’s 90014 bandwidth 90015 is the range of frequencies (or wavelengths, if you prefer) over which it works effectively.The broader the bandwidth, the greater the range of different radio waves you can pick up. That’s helpful for something like television, where you might need to pick up many different channels, but much less useful for telephone, cellphone, or satellite communications where all you’re interested in is a very specific radio wave transmission on a fairly narrow frequency band. 90003 90002 90003 90002 Photos: More antennas: 1) The antenna that powers an RFID tag stuck inside a library book. The circuit inside it has no power source: it gets all its energy from the incoming radio waves.2) The dipole antenna inside a PCMCIA wireless Internet Wi-Fi card. This one works with 2.4GHz radio waves of wavelength 12.5cm, which is why it only needs to be about 6cm long or so. 90003 90019 Who invented antennas? 90020 90002 90003 90002 Artwork: Oliver Lodge’s illustration of sending radio waves through space from a transmitter (red) to a receiver (blue) some distance away, taken from his тисяча вісімсот дев’яносто вісім patent US 609,154: Electric Telegraphy. Courtesy of US Patent and Trademark Office. 90003 90002 There’s no easy answer to that question because radio evolved into a useful technology through the second half of the 19th century thanks to the work of quite a few different people-both theoretical scientists and practical experimenters.90003 90002 Who were these pioneers? Scottish physicist 90014 James Clerk Maxwell 90015 figured out a theory of radio around 1864, не and 90014 Heinrich Hertz 90015 proved that radio waves really did exist about 20 years later (they were called Hertzian waves in his honor for some time afterward). Several years later, at a meeting in Oxford, England on August 14, 1894, English physicist, 90014 Oliver Lodge 90015, demonstrated how radio waves could be used for signalling from one room to another in what he later described (in his тисячі дев’ятсот тридцять дві autobiography) as «a very infantile kind of radio-telegraphy.» Lodge filed a US patent for «electric telegraphy» on February 1, 1898, describing apparatus for «an operator, by means of what is now known as ‘Hertzian-wave telegraphy’ to transmit messages across space to any one or more of a number of different individuals in various localities … «Unknown to Lodge at that stage, 90014 Guglielmo Marconi 90015 was carrying out his own experiments in Italy around the same time-and ultimately proved the better showman: many people think of him as the «inventor of radio» to this day whereas, in truth, he was only one of a group of forward-thinking people who helped turned the science of electromagnetic waves into a practical, world-changing technology.90003 90002 None of the original radio experiments used transmitters or receivers that we would instantly recognize today. Hertz and Lodge, for example, used a piece of equipment called a spark-gap oscillator: a couple of zinc balls attached to short lengths of copper wire with an air gap in between them. Lodge and Marconi both used Branly coherers (glass tubes packed with metal filings) for detecting the waves they’d transmitted and received, though Marconi found them «too erratic and unreliable» and eventually designed his own detector.Armed with this new equipment, he carried out systematic experiments into how the height of an antenna affected the distance over which he could transmit a signal. 90003 90002 And the rest, as they say, is history! 90003 90006 90007 90008 90009 90010 .90000 How does a CB radio antenna work? 90001 90002 A citizens band (CB) radio antenna is a device designed to do two things: It captures radio-frequency signals that are then converted to electrical signals by the receiver, and it takes electrical signals from the transmitter and converts them into radio-frequency signals. This second function is where tuning comes into play, because an antenna has to 90003 radiate 90004 radio-frequency signals, something that’s done best when the length of the antenna precisely matches the wavelength of the transmitted radio frequency.90005 90002 You can determine the proper length of an antenna by using a formula: 90005 90002 Wavelength (in feet) = 984 / frequency (in megahertz) 90005 90002 The CB portion of the spectrum begins at 25.01 megahertz, so a full wavelength antenna would be a bit more than 39.34 feet long. That’s obviously a little long to attach to your bumper, so people tend to use antennas that are a fraction of the wavelength: 1/2, 5/8, 1/4 and 1/8 are all common wavelengths for antennas.In the case of CB, the 1/4 antenna at just under 10 feet long is the common «whip» that you may see on cars and trucks. 90005 90002 The trouble is that there are 40 channels on modern CB transceivers, each corresponding to a different frequency. It’s not practical to have a separate antenna for each frequency, so antenna designers have to compromise, usually picking a frequency in the middle of the spread and choosing the antenna length to correspond. 90005 90002 When a compromise like this is made, you have to see whether it’s a good compromise.This is done by measuring the Standing Wave Ratio (SWR) of the antenna and cable between the antenna and tuning the antenna until the SWR is acceptable. 90005 90002 Every antenna and every antenna feed-line have a characteristic 90003 impedance 90004, or opposition to electrical current. In an ideal situation, the impedances of line and antenna match perfectly, and 100 percent of the electrical energy sent to the antenna is converted to radio energy and radiated into the atmosphere.In a less than ideal case, when the impedances are not perfectly matched, some of the electrical energy sent to the antenna will not be converted to radio energy, but will be reflected back down the feed-line. The energy reflecting back from the antenna causes 90003 standing waves 90004 of electrical energy in the feed-line. (An example of standing waves outside the electronics world is found in river rapids. When water passes around and between boulders it may form a wave that does not go up or down the river, it just stays in one place.That is a standing wave of water.) The ratio of highest voltage on the line to lowest is the standing wave ratio. In the perfectly matched system, the SWR is 1: 1. 90005 90002 To tune an antenna, use an SWR meter attached between the transmitter and antenna feed-line. Depending on the meter, you can either use a button on the meter to generate a signal on the various channels, or key the microphone on the CB transceiver to generate a signal while you look at the SWR reading. In general, if the SWR never goes above 1.5: 1, you’re in good shape. If the SWR does go above 1.5: 1, then watch the meter on different frequencies to see the trend develop: The SWR will be greater either on the higher channels or the lower. If the SWR is greater on the lower channels, then try gradually lengthening the antenna by moving it in the base. If the SWR is greater on the higher channels, try shortening the antenna. 90005 90002 Do be aware that the electrical ground of the antenna, the structure around the antenna and any other antennas near the CB antenna can all affect the antenna’s impedance and the SWR.There are enough variables that tuning an antenna blends art and science, but your equipment and radio contacts will all be grateful if you take the time to tune up. 90005 90002 Here are some interesting links: 90005 .90000 Receiving an AM Signal — How Radio Works 90001 90002 Here’s a real world example. When you tune your car’s AM radio to a station — for example, 680 on the AM dial — the transmitter’s sine wave is transmitting at 680,000 hertz (the sine wave repeats 680,000 times per second). The DJ’s voice is modulated onto that carrier wave by varying the amplitude of the transmitter’s sine wave. An amplifier amplifies the signal to something like 50,000 watts for a large AM station.Then the antenna sends the radio waves out into space. 90003 90002 So how does your car’s AM radio — a receiver — receive the 680,000-hertz signal that the transmitter sent and extract the information (the DJ’s voice) from it? Here are the steps: 90003 90006 90007 Unless you are sitting right beside the transmitter, your radio receiver needs an 90008 antenna 90009 to help it pick the transmitter’s radio waves out of the air. An AM antenna is simply a wire or a metal stick that increases the amount of metal the transmitter’s waves can interact with.90010 90007 Your radio receiver needs a 90008 tuner 90009. The antenna will receive thousands of sine waves. The job of a tuner is to separate one sine wave from the thousands of radio signals that the antenna receives. In this case, the tuner is tuned to receive the 680,000-hertz signal. Tuners work using a principle called 90008 resonance 90009. That is, tuners 90008 resonate 90009 at, and amplify, one particular frequency and ignore all the other frequencies in the air.It is easy to create a resonator with a capacitor and an inductor (check out How Oscillators Work to see how inductors and capacitors work together to create a tuner). 90010 90007 The tuner causes the radio to receive just one sine wave frequency (in this case, 680,000 hertz). Now the radio has to extract the DJ’s voice out of that sine wave. This is done with a part of the radio called a 90008 detector 90009 or 90008 demodulator 90009. In the case of an AM radio, the detector is made with an electronic component called a 90008 diode 90009.A diode allows current to flow through in one direction but not the other, so it clips off one side of the wave, like this: 90010 90027 90006 90007 The radio next 90008 amplifies 90009 the clipped signal and sends it to the speakers (or a headphone). The amplifier is made of one or more transistors (more transistors means more amplification and therefore more power to the speakers). 90010 90027 90002 What you hear coming out the speakers is the DJ’s voice! 90003 90002 In an FM radio, the detector is different, but everything else is the same.In FM, the detector turns the changes in frequency into sound, but the antenna, tuner and amplifier are largely the same. 90003 .