Ahhoz, hogy megértsük, mi a különbség a Tesla féle vezetéknélküli energiaátvitel és a rádiózás között, nézzük át először az antennák néhány alapfogalmát.

Minden egyes elektromos vezető tartalmaz szabad elektronokat, melyek már szobahőmérsékleten leszakadnak az atommagokról. A szabad elektronok azonban nem csak villamos töltéssel rendelkeznek, hanem a mozgásuk következtében mágneses erőteret is kialakítanak maguk körül.

Külső erő nélkül a szabad elektronok rendezetlen mozgást végeznek, egyik elektron előre, a másik hátra, a harmadik jobbra, a negyedek balra és így tovább. Ennek a rendezetlen mozgásnak az eredője zérus, azaz kifelé a villamos vezető körül se mágneses, se pedig elektromos mezőt nem érzékelhetünk.

Külső áramforrást alkalmazva azonban a szabad elektronok rendezett, egyirányú, a külső erőhatás irányának megfelelő mozgást végeznek, így a villamos és mágneses erőterük már nem oltják ki egymást, hanem összegződnek. Az így kialakult elektromágneses mező viszont már kölcsönhatásba lép a tér minden pontján jelenlévő elektromágneses mezővel, abban hullámokat kelt, melyek gömbszerűen, a tér minden irányába elkezdenek terjedni. Mivel a forrás energiája véges, s mivel a forrástól távolodva a terjedési gömb "felszíne" egyre nagyobb lesz, ezért a gömb felszínének egy adott pontja egyre kevesebb és kevesebb energiát tartalmaz.

Ha az elektromágneses hullám terjedésének útjába egy másik elektromos vezetőt helyezünk, akkor annak szabad elektronjaira erőhatást fog kifejteni a gerjesztett EM mező, azaz a vezető szabad elektronjait rendezett mozgásra készteti. Az elektronokat egy fogyasztón keresztülvezetve számunkra hasznos munkavégzésre késztethetjük.

Amennyiben az adóantennára kapcsolt áramforrásunkat megfelelő tartalommal látjuk el - azaz moduláljuk - akkor a vevőantennán érzékelt jelet visszaalakítva - demodulálva - információt közölhetünk vezeték nélkül.
Nagyon röviden ez a rádiózás alapja.

Mint látjuk, ez a rendszer nem alkalmas arra, hogy jelentős energiát továbbítsunk az EM mezőn keresztül, mivel a forrástól távolodva a tér adott pontján az energia drasztikusan csökken. Vagy mégis lehet energiát közölnünk az éteren keresztül? Erről lesz szó a következő oldalon. Előtte azonban ismerkedjünk meg pár alapfogalommal.

 

Virtuális foton

A kvantumfizika meghatározása szerint az EM mezőt gyakran tekintik virtuális fotonok felhőjének, mely virtuális fotonokat a töltött részecskék sugározzák ki magukból bizonyos távolságra, majd ezt követően a fotonok visszatérnek a forrásukhoz. Minden egyes virtuális foton egy nagyon kis mennyiségű energiával rendelkezik. Ha azt nem tudja - megfelelő fogyasztónak vagy elnyelőnek juttatva - valós energiává átalakítani, akkor a virtuális foton visszatér a forrásához és visszaadja a kölcsönvett energiát.

Ezek szerint egy reaktív régió alakul ki a töltés körül, mely többnyire "képzeletbeli", azaz kölcsönzött energiával rendelkezik. Ez magyarázza, hogy mivel a virtuális foton csak kölcsönzi az energiáját, ezért nem tud hosszabb ideig létezni a rezgési frekvencia egy ciklusnyi idejénél. Úgy is felfoghatjuk a virtuális fotonokat, mint amiknek az E és H mezeje nincs fázisban.

A következő oldalakon majd látni fogjuk, hogy a virtuális foton elmélete nem biztos, hogy helytálló.

 

Hullámhossz

Ahhoz, hogy a villamos vezetőben keltett elektromos áram állandóan hatással legyen az EM mezőre, az áramnak állandó változásban kell lennie. A legjobb jelalak erre a célra a szinusz hullám. Minden szinusz hullám adott frekvenciával is rendelkezik, s a közegtől függően az adott frekvencián a hullám egy periódusának a hossza is meghatározható.

1. ábra. A hullámhossz meghatározása

 

A hullámhossz (l) fordított arányban áll a frekvenciával, a közöttük lévő arányosságot pedig a fény vákuumban mért terjedési sebessége adja meg. Ezek szerint:

l = c / f

ahol:

• l - a hullámhossz (m)
• c - a fény sebessége (3*10⁸ m/s)
  
• f - a hullám frekvenciája (1/s = Hz)

Amennyiben nem vákuumban terjed az EM hullám, akkor valamelyest eltér a hullámhossza, de ez annyira kis eltérés, hogy nyugodtan figyelmen kívül hagyhatjuk.

 

Az antenna hossza

Az antenna hosszát több paraméter is befolyásolja, bár elsősorban a kisugározni vagy venni kívánt jel hullámhossza a meghatározó. Attól függően, hogy az antenna hossza milyen arányban van a venni kívánt jel hullámhosszával, beszélhetünk félhullámú, negyedhullámú stb. antennáról. Minél alacsonyabb a jel frekvenciája, annál hosszabbnak kel lennie az antennának. Ez az egyik oka, hogy a rádiózásban a technika fejlődésével egyre magasabb frekvenciákat használunk, bár van több más ok is, pl. az átvinni kívánt jel sávszélessége, a torzítások csökkentése stb.

 

Közeli és távoli zóna

Az antenna közvetlen közelében a vezeték jelenléte miatt a mágneses és elektromos hullámok nem 90 fokban térnek el egymástól, azaz a fázisviszony torzul. Amikor azonban "leszakadnak" a hullámok az antenna vonzáskörzetéből, akkor visszaáll a 90 fokos eltérés. Ez az antennától 3-6 hullámhossznyi távolságtól kezdődik. A torzult zónát közeli zónának, az antennától messzebb levő zónát pedig távoli zónának nevezzük. A két zóna matematikai leírása eltér egymástól, de mind a kettőt a Maxwel egyenletek segítségével jellemezhetjük.

 

Az antennák fajtái

Az antennákat több szempont szerint csoportosíthatjuk. Az első antennák a földre merőlegesen, függőlegesen készültek és a föld biztosította az antenna "tükörképét". Az antenna hossza a továbbítani vagy venni kívánt jel hullámhosszának egynegyede, ezért ezt az antennát negyedhullámú vertikális antennának, vagy más néven Marconi antennának hívják a feltalálója tiszteletére. Mikor ilyen antennát használunk, akkor nagyon fontos a jó vétel érdekében, hogy leföldeljük a rádiókészülékünket. Az AM (középhullámú) adótornyok magassága meg kell, hogy egyezzen az adni kívánt jel hullámhosszának negyedével, így pl. a 810 kHz-es adótorony magassága 88 m kell legyen.

Az antennák másik csoportját a dipólus antennák alkotják, azaz a jel mindkét pólusát az antenna egy-egy végére kapcsoljuk. A dipólus antennák két típusát különböztetjük meg aszerint, hogy az elektromágneses mező elektromos vagy mágneses mezejével lép-e kapcsolatba. Amikor a mágneses mezőt szeretnénk változtatni, akkor induktív antennát használunk, amikor pedig az elektromos mezőt, akkor kapacitív antennát. A következő ábrák ezt a két fajta antennát szemléltetik.

2. ábra. Félhullámú kapacitív dipólus antenna

 

A félhullámú kapacitív antenna csak egy szűk sávban veszi a jeleket, ezért dolgozták ki japán tudósok az 1930-as években az úgynevezett Yagi antennát, ahol több, különböző kapacitív elem van elhelyezve egy központi rúdra, így minden egyes elem adott sávszélességet ölel át, a teljes sávszélesség pedig jelentősen megnő.

3. ábra. Yagi antenna

 

4. ábra. Félhullámú induktív (hurok) dipólus antenna

A hurokantenna széles sávban veszi a jeleket, ezért láthatjuk gyakran a TV készülékek antennájaként. Ennek egy másik formája a tekercselt hurokantenna, amit a középhullámú rádióvevőkben láthatunk ferritmagra tekercselve.

A technika fejlődésével egyre magasabb frekvenciákon továbbíthatunk jeleket és egyre nagyobb teljesítményben, ezért az antennák mérete drasztikusan csökkent. A növekvő vivőhullám frekvencia azonban azt is maga után vonja, hogy a rádióhullámok már nem csak a föld felszínén terjednek, hanem a Földet körülvevő légkörben (ionoszféra, troposzféra) visszatükröződve jutnak el a vevőantennáig. Ezek az antennák már tányér alakúak, hogy egy közös pontba gyűjtve a nagyon gyenge jeleket azok felerősödve és ezáltal jóval kisebb zajjal jussanak a vevő bemenetére.

 

Terjedési közeg

Minden hullám - legyen az hang, fény vagy EM hullám - terjedéséhez egy közegre van szükség. Az EM hullámok terjedéséhez a mindenütt - még a vákuumban is - jelenlévő elektromágneses mező szolgál közegként.

5. ábra. Az elektromágneses hullám terjedése

 

Hullámterjedés

Három fő módja van a rádióhullámok terjedésének:

• A 0 és 3 MHz közötti rádióhullámok mintegy átölelik a Földet, így járják körbe azt.
• A második fajta terjedés a csúsztatás, mikor a rádióhullámok a föld felszíne és az ionoszféra között "pattognak" fel s alá. A 3 és 30 MHz közötti frekvenciákon általában így terjednek a rádióhullámok.
• A harmadik fajta hullámterjedés az egyenes vonal mentén történő terjedés. Ez a 30 MHz feletti frekvenciákon jellemző

Ezek a hullámterjedési módok természetesen folyamatosan változnak, nem éles átmenetként.

 

Az antennák sugárzási karakterisztikája

A sugárzási karakterisztika az adó vagy vevőantenna körül kialakult mező relatív erősségét mutatja. Ezt úgy határozhatjuk meg, hogy az antenna körül a tér különböző pontjainál megmérjük a térerősséget. Egy dipólus antennának a tipikus sugárzási karakterisztikáját mutatják a következő ábrák.

6. ábra. Dipólus antenna sugárzási karakterisztikája (térbeli nézet)

 

7. ábra. Dipólus antenna sugárzási karakterisztikája (lineáris nézet)

 

8. ábra. Dipólus antenna sugárzásának animációja

 

Polarizáció

Az antennák földhöz képesti viszonyát jellemezzük a polarizációval. Amikor az antenna a Földdel párhuzamos, akkor horizontális polarizációról, amikor pedig arra merőleges, vertikális polarizációról beszélünk. Ennek azért van jelentősége, mert ha az adó antenna pl. horizontálisan polarizált, akkor a vevő antennának is ugyanolyan polarizációjúnak kell lennie, ellenkező esetben jelentős veszteségekkel lehet csak a jeleket venni.

 

Az antennák tulajdonságait még tovább is sorolhatnánk, azonban a legfontosabb jellemzőiket már megismerhettük a fenti sorokból. A következő oldalon az energiaszívó antennákról olvashatsz.

 

Egyvezetékes energiatovábbítás MenüEnergiaszívó antennák

 

Utolsó frissítés dátuma: 2007. január 16.