Antennes werking en eigenschappen 1
Het is de bedoeling in een aantal "afleveringen" de werking en de eigenschappen van antennes zoals die o.a. voor het ontvangen van radio- en TV-signalen worden gebruikt, te behandelen. Uiteraard is het een technisch verhaal. Dat kan ook niet anders, want het gaat over technische zaken. Wel zal de auteur zich rich ten op een niveau dat voor enigszins technisch georienteerden begrijpelijk is.
De ontvangantenne wordt maar al te vaak - ook door technici - beschouwd en behandeld als een "ding", daarna begint in een kabelsysteem pas het "grote werk". Niets is minder waar! Natuurlijk, de mast, de kabel, de versterkers en filters zijn belangrijke zaken, maar de antenne is altijd het begin van de keten die, zo zegt het spreekwoord, "niet sterker is dan de zwakste schakel". Om een antenne te kunnen beoordelen moet men op zijn minst de principes kennen waarop de praktische uitvoering is gebaseerd. Om de juiste antenne voor een bepaalde situatie te kunnen kiezen is meer kennis en ervaring nodig, maar deze moet altijd steunen op de beginseltheorie. (red.)
De dipool
In dit artikel zullen wij ons in hoofdzaak bepalen tot de halve golflengte dipoolantenne. De kwart-golflengte antenne waarvan de eigenschappen analoog zijn aan die van de halve golflengte dipool komt ook ter sprake.
We gaan uit van een gesloten trillingskring (fig. 1a) en laten die evolueren tot een dipoolantenne en wel als een zendantenne, opgesteld in de vrije ruimte.
Elke tekening geeft een momentopname weer.
Een generator G met uitwendige weerstand Ri is zeer licht gekoppeld met de trillingskring. De generatorspanning heeft een frequentie die overeen komt met de eigen resonantiefrequentie van de trillingskring. De losse koppeling voorkomt dat de inwendige weerstand Ri van de generator de trillingskring teveel belast. De energie in de trillingskring slingert heen en weer in het rithme van de frequentie tussen de zelfinductie L en de condensator C. In fig. 1b is het vervangingsschema van fig. 1a weergegeven. Er is een wisselspanning ei in de kring geinduceerd, waardoor als het ware een generator G' in de kring werkzaam is, waarvan - als gevolg van de losse koppeling - de inwendige weerstand zeer laag is. Inwendige weerstand, zelfinductie en condensator samen, vormen nu een seriekring met de generator G'.
Door de condensatorplaten verder van elkaar te verwijderen verloopt het elektrische veld, aangegeven door elektrische krachtlijnen, in een grotere ruimte, fig. 1c. De kring is nu gedeeltelijk open. De zelfinductie L is vervangen door een Lange draad.
Door de condensatorplaten geheel van elkaar te plaatsen, zoals in fig. 1d is getekend, neemt het elektrische veld een veel groter deel van de ruimte in beslag. De trillingskring is nu geheel open en heeft de eigenschap om bij voldoende hoge frequentie energie uit te stralen. Zo ongeveer als rookwolkjes uit de schoorsteen van een locomotief.
Vervangt men de condensatorplaten door metalen bollen (fig. 1a), dan ontstaat de zendantenne waarmee Heinrich Rudolf Herz experimenteel het bestaan van de door Maxwell voorspelde elektromagnetische golven bevestigde. Hij werd hiermede de grondlegger van de draadloze overdracht van informatie. Als generator gebruikte hij een vonkenbrug. Het was eigenlijk meer een stoorbron die langer of korter kon worden ingeschakeld (morse-tekens). Hoewel zo'n dipool op elke gewenste frequentie aangesloten kan worden is het rendement het grootst bij zijn eigen resonantiefrequentie. In alle figuren is het magnetische veld bewust weggelaten om geen nodeloos ingewikkelde tekeningen te krijgen. De magnetische krachtlijnen die het magnetische veld moeten uitbeelden zijn concentrische cirkels in een vlak loodrecht op de verbinding midden tussen de twee bollen.
Uitgaande van de Hertz-antenne kan men de bollen vervangen door eivormige metalen lichamen (fig. 2a). De elektrische lcrachtlijnen staan steeds loodrecht op het metalen oppervlak. De eivormige lichamen kan men tenslotte vervangen door twee staven of draden (fig. 2b). Zoals later zal blijken is het beter deze staven of draden een lengte te geven van n maal een halve golflengte.
Dus: ½λ, λ, 1,5λ, 2λ, enz.
Wij beperken ons voorlopig tot de halve golflengte of ½λ dipoolantenne.
Hij is meestal een onderdeel van meer ingewikkelde samengestelde antennes.
Deze dipoolantenne is een verticaal opgestelde symmetrische antenne, maar kan ook in horizontale positie gebruikt worden. Een opstelling die voor TV en FM om diverse redenen de voorkeur verdient. In Frankrijk en Engeland wil men nog wel eens de verticale opstelling gebruiken.
De symmetrische dipoolantenne dient altijd hoog boven het aardoppervlak opgesteld te worden. Minimaal ca. 10 maal de golflengte.
Uitgangspunt voor fig. 3a is weer de Hertz-antenne. De onderste bol maken we veel groter dan de bovenste. Het elektrische veld krijgt een asymmetrisch karakter.
Maken we de onderste bol nu zo groot als de aardbol, dan kunnen we de aarde gebruiken als een van de polen. Fig. 3b.
Aangezien de aarde geen al te beste geleider is, brengen we een denkbeeldige grote bolle plaats aan op, of juist onder het aardoppervlak.
De bovenste bol vervangen we door een eivormig metalen lichaam.
Tenslotte is in fig. 3c het eivormige lichaam vervangen door een metalen staaf of draad. De hier getekende dipoolantenne is een asymmetrische elektrische antenne. Het is voordelig hem n maal een kwartgolflengte lang te maken. Dus ¼λ, ½λ, enz.
Wij beperken ons voorlopig tot de ¼λ dipool. Theoretisch is aan te tonen dat men mag veronderstellen dat onder de metalen plaat resp. het aardoppervlak, zich een spiegelbeeld bevindt van de dipool erboven. Men spreekt dan van spiegelbeeldsymmetrie. De ¼λ en de ½λ dipool zijn aan elkaar verwant. Hun eigenschappen zijn analoog.
Bij AM midden en lange golf zenders en voor de mobilofoonverbindingen wordt dit type dipoolantenne gebruikt. Bij de AM-zenders is een groot metalen netwerk onder het aardoppervlak aangebracht en bij de mobilofoon is de metalen carrosserie van de auto het "aardvlak" van de ¼λ-dipoolantenne (z.g. "tegencapaciteit").
Afspraken en begrippen
Deze algemene begrippen zijn geldig voor alle antennes en dus ook voor de besproken ½λ en ¼λ dipoolantenne.
1. De eigenschappen van een antenne die gebruikt wordt om signalen te ontvangen zijn in bijna elk opzicht gelijk aan de overeenkomstige eigenschappen van diezelfde antenne als deze als zendantenne wordt gebruikt. Of korter gezegd: om de eigenschappen van een antenne te bepalen, kan men hem als zend- of ontvangantenne meten. Hun eigenschappen zijn reciprook.
2. Men spreekt van een symmetrische antenne indien deze antenne uit twee delen bestaat die elkaars spiegelbeeld zijn.
3. Onder een asymmetrische antenne verstaat men een antenne die verticaal t.o.v. een groot in metalen vlak opgesteld is.
4. Een elektromagnetisch veld noemt men verticaal gepolariseerd indien de elektrische achtlijnen loodrecht op het aardoppervlak staan en horizontaal gepolariseerd indien zij enwijdig aan dit oppervlak verlopen. Een zender die een horizontaal gepolariseerd signaal uitzendt is in theorie alleen te ontvangen met een antenne voor dezelfde polarisatierichting. We spreken dan ook wel gemakshalve van een horizontaal of verticaal gepolariseerde antenne.
TV- en FM-omroep-zenders in Nederland stralen een horizontaal gepolariseerd elektromagnetisch veld uit. AM midden- en lange golf zendersignalen zijn verticaal gepolariseerd evenals de mobilofoonzenders. Dit om praktische redenen zoals logische constructie en opstelling van de antennes. Soms worden zoals in Frankrijk en Engeland voor twee verschillende TV-zenders, verschillende polarisatie richtingen gebruikt indien onderlinge storing kan optreden. Bij de gangbare TV-antennes correspondeert de stand van de antennestaven t.o.v. aarde met de polarisatierichting van het e.m. veld zijn de staven horizontaal geplaatst dan komt dat overeen met een horizontale polarisatie. Toch moet men met de bovenstaande uitspraak voorzichtig zijn, want het is niet altijd waar. Aan de z.g. vlinderantenne van de TV-zender Lopik kan men niet direkt zien hoe de polarisatierichting is. En een ferroceptor in een radioapparaat bevat een horizontaal opgestelde ferroxcube staaf, maar is alleen bestemd voor de ontvangst van verticaal gepolariseerde AM-signalen. Voor de FM golfgebieden is een ferrietantenne niet geschikt door de grote is verliezen in het ferroxcube bij de FM-frequenties. Overigens is een ferroceptor een magnetische dipool en een ½λ-dipool een elektrische.
De polarisatierichting van een e.m. veld kan door allerlei oorzaken, zoals b.v. obstakels, gewijzigd worden. Daarom kan men met een verticale autoradioantenne toch het horizontaal gepolariseerd signaal van een FM-omroep zender ontvangen.
5. Elke antenne heeft een stralingspatroon. Gewoonlijk volstaat men met de meting van het horizontale en het verticale richtingsdiagram. Figuur 4 toont het stralingspatroon van een ½λ-dipool.
Het horizontale stralingsdiagram heeft de vorm van een acht en het verticale is cirkelvormig. Deze dipool ontvangt uit de richting loodrecht op de staven het grootste signaal en in de lengterichting van de staven praktisch niets. Hij is in het ene vlak dus richtingsgevoelig, maar in het vlak loodrecht daarop niet. Men spreekt dan van een "rondstraler".
6. Het is te doen gebruikelijk de opbrengst of "gain" van een ½λ-dipool op 1 maal of 0 dB te stellen. De hogere gain van meer gecompliceerde antennes wordt vergeleken met die van een ½λ-dipool. Zo kan de fabrikant opgeven hoeveel maal of hoeveel dB het signaal van zijn antenne groter is dan die van de standaard ½λ-dipool. Men dient bij de beoordeling van een antenne goed na te gaan of de opgegeven gain volgens bovenstaande procedure is bepaald, waarbij de ½λ-dipool als standaard gebruikt wordt.
De vergelijking geschiedt vanzelfsprekend bij dezelfde frequentie.
7. Een zendantenne straalt energie uit in de ruimte. Het is alsof deze uitgestraalde energie verloren is gegaan in een denkbeeldige weerstand. Deze fictieve weerstand belast de zender. Men noemt hem de stralingsweerstand. Elke antenne heeft een stralingsweerstand die in de buurt van de resonantiefrequentie vrijwel constant is. De stralingsweerstand Rs van een symmetrische ½λ-dipool is ca. 70 ohm en die van een asymmetrische ¼λ-dipool de helft, dus ca. 35 ohm. Sommige typen antennes hebben een grotere stralingsweerstand, maar dat wil nog niet zeggen dat ze ook meer energie uitstralen. In dat geval is de stroom door deze grotere stralingsweerstand kleiner en dus het afgegeven vermogen niet groter. Immers W = J2Rs Watt. In het algemeen wordt de grootte van het uitgestraalde of ontvangen vermogen groter naarmate de antenne groter is, mits bovendien het ontwerp ervan correct is.
8. Het is een prettige omstandigheid dat men een model van een antenne waarvan de afstemfrequentie afwijkt van de gevraagde, eenvoudig in de frequentieverhouding kan omrekenen maar dat geldt dan ook voor alle afmetingen. Is de afwijking gering, dan kan de diameter van de staven dezelfde blijven. De opening bij de aansluitklemmen is niet erg kritisch. Die kan 1 a 2 cm zijn. Zo kan men b.v. vrij nauwkeurig de afmetingen van een UHF-antenne vertalen in die voor een VHF-antenne. Eigenlijk zou men ook nog rekening moeten houden met het verschil in geleidbaarheid van het staafmateriaal voor beide frequenties. De invloed hiervan kan men in de praktijk verwaarlozen.
Sommige fabrikanten meten hun antenne-ontwerpen bij zeer hoge frequenties, bijvoorbeeld 2000 MHz. Dan kunnen de antennes klein van afmeting zijn en kan men ze van koperdraad maken, zodat ze gemakkelijk te wijzigen zijn. Houdt men voor lagere frequenties een identieke constructie aan, dan benadert de naar de lagere frequentie vertaalde antenne de eigenschappen die het kleine model ook had.
Men moet er wel op bedacht zijn dat een antenne met een staafdiameter van 2 mm bij 2000 MHz, vertaald naar 50 MHz, een antenne oplevert met een staafdiameter van
.
Dat zijn kachelpijpen.
De UHF antennes hebben vergeleken met VHF-antennes elektrisch gezien dan ook relatief dikke staven. Dat komt omdat men in deze antennetechniek alle afmetingen moet bezien in hun verhouding tot de golflengte. Een staaf, met een diameter van 1 cm, is dik vergeleken met een golflengte van 60 cm (600 MHz), maar dun t.o.v. een golflengte van 6 m (50 MHz).
9. Bij velen heeft de gedachte post gevat dat een antenne uit staven met een goed geleidend oppervlak moet bestaan en dat het oppervlak niet gecorrodeerd mag zijn. Voor de frequenties van het midden en lange golf gebied mag dat wel waar zijn, maar voor frequenties boven de 40 MHz maakt het nets uit of de staven van ijzer, van aluminium of van koper zijn. De h. f. stromen vloeien in het ijzer vlak onder de roestlaag en de verliezen veroorzaakt door de slechtere geleidbaarheid van het ijzer zijn nauwelijks meetbaar. De toepassing van aluminium staven of buizen heeft alleen te maken met het gewicht.
10. De diameter van de antennestaven is belangrijk voor de bandbreedte van de antenne. Hoe dikker de staven t.o.v. de golflengte, des te groter, in het algemeen gesproken, de bandbreedte van de antenne.
De ½λ-dipool als seriekring
Voor een klein frequentiegebied onder en boven de resonantiefrequentie gedraagt de %λdipool zich bij benadering als een seriekring.
Fig. 5a stelt het vervangingsschema van een ½λ-dipool ontvangantenne voor.
Hiervan is de impedantie:
waarin:
Rs = stralingsweerstand
Ld = zelfinductie van de staven
Cd = capaciteit van de staven onderling
ωo= de resonantie frequentie
ei = de gernduceerde spanning
Indien de dipool is afgestemd, d.w.z. in resonantie is voor de frequentie van de gewenste zender, dan is
en dan is Z = Rs.
De dipool gedraagt zich dan als een generator met een inwendige weerstand Rs (fig. 5b).
Belasten we nu de dipool aan de klemmen met een uitwendige weerstand Ru = Rs dan krijgen we de maximaal leverbare energie tot onze beschikking. We zeggen dan dat de generator aangepast is aan de verbruiker, d.w.z. de ontvanger.
Als b.v. 1 mW energie door de dipool wordt ontvangen, dan zal hiervan 1/4 mW in Rs verloren gaan door wederuitstraling, de andere V2 mW komt ter beschikking van de verbruiker c.q. ontvanger.
Voor een frequentie lager dan de resonantiefrequentie is de dipoolimpedantie groter dan Rs en heeft een capacitief karakter. Het zal duidelijk zijn dat de uitwendig beschikbare spanning Vu kleiner zal zijn dan die bij resonantie. Fig. 5c. Indien de frequentie van het signaal hoger is dan de resonantiefrequentie, dan is de dipool-impedantie eveneens groter dan Rs, maar nu vertoont hij een inductief karakter.
Fig. 5d en fig. 6.
De bandbreedte
Evenals een seriekring heeft een ½λ-dipool een kringkwaliteit. Ziet men de dipool als seriekring, dan is de kringkwaliteit:
Voor dunne dipoolstaven is Ld groot en Cd klein, waardoor de Q van de dipool groot is. De bandbreedte is dan klein. Grote bandbreedte vereist dikke staven. Zie fig. 8.
Een ½λ-dipool, gemaakt van koperdraad met een diameter van 0,3 mm en afgestemd op 50 MHz, heeft zo'n kleine bandbreedte dat het hiermede ontvangen signaal een beeld op een ontvanger produceert met een zeer povere definitie. Of wel een "vaag" beeld.
De slankheidsfactor
Het begrip dik of dun voor de diameter van antennestaven is maar zeer betrekkelijk. De verlangde elektrische eigenschappen gaan niet samen met de mechanische sterkte. Daarom heeft men het begrip "slankheidsfactor" 
ingevoerd (fig. 9).
Deze factor is afhankelijk van de golflengte (A) waarop de dipool is afgestemd, dus ook van de frequentie.
Dik en dun is gerelateerd aan A en daarmee aan de frequentie. Wat mechanisch voldoende dik en dus sterk is, behoeft elektrisch nog niet te voldoen.
Een grote slankheidsfactor betekent een, elektrisch gezien, dunne staaf. De minimum slankheidsfactor voor TV-antennes is ca. 600.
De verkortingsfactor
De werkelijke lengte voor een dipool bij resonantie is iets kleiner dan zou volgen uit de berekende frequentie fig. 9. Het is eigenlijk niet bekend waarom dit zo is. De meest aannemelijke verklaring is dat de dipool door zijn afmetingen een deel van de ruimte in beslag neemt en daardoor zichzelf eigenlijk in de weg zit.
Fig. 10 laat de afhankelijkheid zien van de verkortingsfactor t.o.v. de slankheidsfactor.
Hoe dikker de staven, elektrisch gezien, des te kleiner de slankheidsfactor en des te groter de verkortingsfactor. Zo bekeken zou een oneindig dunne ½λ dipool precies een halve golflengte lang zijn.
De impedantie
De impedantie bij resonantie aan de klemmen van een ½λ-dipool is gelijk aan de stralingsweerstand. Deze stralingsweerstand is - hoewel niet aanzienlijk - toch afhankelijk van de elektrische dikte van de staven. Hij varieert van 60 ohm voor dikke cylindrische pijpen tot 73 ohm voor extreem dunne draden.
Deze eigenschap is alleen van belang voor hele golflengte dipolen in meer gecompliceerde antennes.
De impedantie langs de dipool symmetrisch t.o.v. het midden d.w.z. tussen twee symmetrisch gelegen willekeurige punten van de staven is bij resonantie groter tot veel groter dan de stralingsweerstand en deze is ook ohm's. Aan de einden is hij maximaal. Dit is goed te merken aan het sterk verminderende signaal als men de einden van de antennestaven aanraakt.
In fig. 11 is de stroom- en spanningsverdeling langs een ½λ dipool getekend, t.o.v. het symmetrievlak.
Het is een momentopname, aangezien telkens in het rithme van de frequentie elke staaf wordt "volgeduwd" met elektrische lading is het wel duidelijk dat de ladingstroom J in het midden maximaal is en aan het eind van de staaf nul. Ook zal op een zeker moment de staaf aan het eind de grootste spanning to zien geven door de ladingsopeenhoping.
In een willekeurig punt A van de staaf is de impedantie 
. Aan het eind is hij 
en dus theoretisch oneindig groot.
Deel 1 - Deel 2
G. Weehuizen.