Dit hoofdstuk behandelt de route van zendereindtrap naar ontvangstantenne: hoe antennes werken, hoe signalen worden getransporteerd via transmissielijnen, en hoe radiogolven zich door de atmosfeer voortplanten. Eigenlijk is dit het sluitstuk van de radiotechniek: we bekijken de volledige reis van het signaal vanaf de zender tot aan de ontvanger.
Een radiosignaal plant zich voort via een elektromagnetisch (EM) veld. Dit bestaat uit twee componenten die loodrecht op elkaar staan:
Bij een wisselspanning wisselen beide velden voortdurend energie uit. Zo ontstaat een EM-golf die zich met de lichtsnelheid voortplant. Bij een lage frequentie als 50 Hz is de inductiespanning over een geleider heel laag, maar die neemt toe met toenemende frequentie omdat XL = 2πfL en elke draad een zekere zelfinductie heeft.
De golflengte is de afstand die een EM-golf aflegt in de tijd van één periode. Het verband tussen golflengte en frequentie is fundamenteel in de radiotechniek en wordt bepaald door de lichtsnelheid.
Waarbij:
Je kunt dezelfde "deeldriehoek" gebruiken als bij de wet van Ohm: dek af wat je zoekt en lees af wat je moet doen met de overige twee grootheden.
Radiogolven worden ingedeeld in frequentiegebieden, elk met hun eigen voortplantingseigenschappen. De namen zijn internationaal vastgelegd en worden vaak afgekort met Engelse termen.
| Afkorting | Naam | Frequentie | Golflengte |
|---|---|---|---|
| MF | Medium Frequency | 300 kHz - 3 MHz | 1000 - 100 m |
| HF | High Frequency | 3 - 30 MHz | 100 - 10 m |
| VHF | Very High Frequency | 30 - 300 MHz | 10 - 1 m |
| UHF | Ultra High Frequency | 300 MHz - 3 GHz | 1 m - 10 cm |
De basisvorm van een antenne is de halve golf dipoolantenne: een rechte geleider van ½λ lang. Stel je een oneindig lange rechte draad voor waardoorheen wisselstroom loopt. We "knippen" hier een halve golflengte uit. In dit stuk draad ontstaat een staande golf waarbij:
De stroom "botst" tegen de uiteinden van de draad en kan niet verder. Op die uiteinden hoopt de energie zich op in de vorm van lading, vergelijkbaar met de elektroden van een condensator. Er ontstaat een voortdurende energie-uitwisseling tussen magnetisch en elektrisch veld, en een deel van die energie wordt uitgestraald als EM-golf.
Een hoogte van minimaal een kwart golflengte boven de grond is nodig om de invloed van het aardoppervlak verwaarloosbaar te maken.
De polarisatierichting van een EM-golf is de richting van het elektrische veld. Bij een dipool loopt het elektrische deel door de antenne-uiteinden, dus de stand van de antenne bepaalt de polarisatie:
Een transmissielijn (of voedingslijn) transporteert het signaal van zender naar antenne. Een goede transmissielijn straalt zelf niet en heeft weinig verlies. De twee geleiders van een transmissielijn hebben elk stromen en spanningen die in tegenfase zijn, waardoor hun EM-velden elkaar opheffen en er geen energie verloren gaat door straling.
| Type | Kenmerken | Impedantie |
|---|---|---|
| Symmetrische (open) lijn | Twee parallelle geleiders, "zweeft" (geen aarde), ook wel "kippenladder" of lintlijn genoemd | 100 - 600 Ω |
| Coaxiale kabel (coax) | Binnengeleider + mantel, asymmetrisch, mantel is tegelijk tweede geleider en aarde/massa | 50 - 100 Ω |
De karakteristieke impedantie is de impedantie die een generator "ziet" als hij op een (oneindig lange) transmissielijn is aangesloten. De twee geleiders van een transmissielijn hebben elk een zelfinductie en tussen de geleiders is er capaciteit. Bij een oneindig lange lijn resulteert dit in een specifieke impedantie die alleen afhangt van de constructie van de lijn, niet van de lengte.
Als een stuk transmissielijn wordt afgesloten met een weerstand gelijk aan de karakteristieke impedantie, gedraagt de lijn zich alsof hij oneindig lang is - alle energie gaat naar de belasting en er komt niets terug.
Bij hogere frequenties concentreert de stroom zich steeds meer aan het oppervlak van een geleider. Dit heet het huideffect (skin effect). Bij coax loopt de stroom in de mantel daarom alleen aan de binnenkant. Dit verklaart ook waarom de buitenkant van de coaxmantel niet straalt: daar loopt simpelweg geen stroom. Verliezen door weerstand nemen toe bij hogere frequenties, mede door dit huideffect.
De voortplantingssnelheid van een EM-golf in een geleider is iets lager dan de lichtsnelheid in lucht. De verhouding tussen beide snelheden noemen we de verkortingsfactor. Hoe hoger de diëlektrische constante van het isolatiemateriaal, des te lager de verkortingsfactor.
Een balun ("balanced to unbalanced") koppelt een symmetrische antenne aan een asymmetrische transmissielijn (coax). Een dipool is symmetrisch: beide helften doen hetzelfde maar tegengesteld. Coax is asymmetrisch: de binnenader en de mantel zijn constructief ongelijk. Zonder balun kan er stroom aan de buitenkant van de coaxmantel gaan lopen, waardoor de kabel gaat stralen en de antenne "scheef" werkt. Een balun voorkomt dit probleem.
Voor maximale vermogensoverdracht moeten de impedanties van zender, transmissielijn en antenne op elkaar zijn aangepast. Bij perfecte aanpassing gedraagt de lijn zich als oneindig lang: alle energie gaat naar de antenne en er komt niets terug. Als de impedanties niet overeenkomen, wordt een deel van de energie teruggekaatst naar de zender.
Als er vermogen wordt teruggekaatst, ontstaan er staande golven op de transmissielijn. De SWR (Standing Wave Ratio) is een maat voor de kwaliteit van de aanpassing en kan worden gezien als de verhouding tussen de hoogste en de laagste impedantie op de lijn.
Aanpassingsnetwerken in zenders hebben vaak de vorm van een pi-filter of T-filter. De namen verwijzen naar de vorm van het schema: het pi-filter lijkt op de Griekse letter π, het T-filter op de letter T.
EM-golven kunnen op verschillende manieren van zender naar ontvanger reizen, afhankelijk van de frequentie. De atmosfeer helpt soms een handje mee, soms tegen, en soms heeft ze geen effect. De eigenschappen van de aarde en haar atmosfeer, die een direct of indirect gevolg zijn van zoninstraling, bepalen voor een groot deel welke verbindingen mogelijk zijn.
| Golfsoort | Beschrijving | Frequenties |
|---|---|---|
| Directe golf | Rechte lijn (zichtverbinding), ook troposferische golf als hij in de troposfeer wordt teruggebogen | VHF, UHF |
| Grondgolf (bodemgolf) | Volgt het aardoppervlak, wekt stromen in de aarde op die tot vermogensverlies leiden. Verticale polarisatie geeft minder verlies dan horizontale. | LF, MF |
| Ruimtegolf | Wordt door ionosfeer teruggekaatst naar aarde, maakt verbindingen over duizenden kilometers mogelijk | HF |
Bij VHF en UHF is het bereik beperkt tot de zichtafstand. Dit is de afstand die een EM-golf in rechte lijn aflegt voordat hij door de aardkromming wordt belemmerd. Hoe hoger de antennes, des te groter het bereik. Twee antennes op 10 meter hoogte kunnen elkaar "zien" over ongeveer 25 km.
De atmosfeer is opgebouwd uit verschillende lagen, elk met eigen eigenschappen voor radiopropagatie.
Tussen deze lagen liggen de stratosfeer (~40 km dik) en de mesosfeer (~30 km dik).
De ionosfeer bevat geïoniseerde lagen die radiogolven kunnen reflecteren of absorberen. De hoge-energie zonnestraling splitst elektronen af van atomen en moleculen, waardoor er vrije elektronen en positief geladen ionen ontstaan. Deze geïoniseerde lucht beïnvloedt EM-straling. Ionen worden weer gewone gasdeeltjes als ze een elektron oppikken - dit heet recombinatie.
| Laag | Hoogte | Eigenschap |
|---|---|---|
| D-laag | 70-80 km | Absorbeert MF/lage HF overdag volledig (grens met mesosfeer), verdwijnt 's nachts door recombinatie |
| E-laag | ~110 km | Reflecteert HF, sterker in de zomer. "Sporadische E" kan VHF-verbindingen over duizenden km mogelijk maken. |
| F-laag | 250-280 km | Belangrijkste reflector voor HF, splitst overdag in F1 en F2. Door de ijle lucht is recombinatie traag, waardoor ionisatie ook 's nachts deels behouden blijft. |
Normaal wordt de atmosfeer naar boven toe kouder (gemiddeld 0,6 graden per 100 meter). Bij een temperatuurinversie ligt een warmere laag boven een koudere - het temperatuurverloop is "omgekeerd" (inversie = omkering). Langs deze grenslaag worden VHF/UHF-golven teruggebogen naar aarde, waardoor het bereik plotseling van tientallen naar vele honderden kilometers kan toenemen.
Inversies komen het meest voor bij hoge luchtdruk. In de winter kunnen ze ook ontstaan als warme oceaanlucht over een koude, met sneeuw bedekte laag stroomt. Nachtelijke afkoeling kan ook grondinversies veroorzaken, waardoor VHF/UHF 's nachts vaak iets beter werkt dan overdag.
Fading is het wisselen van signaalsterkte. Oorzaken:
Fading is het grootst als beide golven ongeveer even sterk zijn. Bij een reflectiehoogte van 300 km en een golflengte van 20 meter hoeft de reflectiehoogte maar heel weinig te veranderen voor 180° faseverschuiving.
De ionisatiegraad hangt samen met zonneactiviteit, die een cyclus van ~11 jaar volgt (zonnevlekkencyclus). Veel zonnevlekken betekent hoge activiteit en veel mogelijkheden op HF; weinig vlekken betekent lage activiteit en minder mogelijkheden. De zonneactiviteit beïnvloedt de concentratie aan geladen deeltjes ("zonnewind") en de hoeveelheid ioniserende straling.
Een groundplane is een verticale ¼λ antenne met horizontale of schuin naar beneden gerichte radialen die de aarde "nabootsen". Een verticale dipool naast een metalen mast zou verstemmen; de groundplane lost dit op door slechts een kwart golf lang te zijn, waarbij de radialen het andere kwart "spiegelen".
Een Yagi-antenne bestaat uit een straler met parasitaire elementen: geleiders evenwijdig aan de straler die een deel van de energie opnemen en opnieuw uitstralen. Hierdoor wordt het stralingspatroon beïnvloed en het vermogen gebundeld in een bepaalde richting. Een langere geleider gedraagt zich inductief (vertraagt het signaal), een kortere gedraagt zich capacitief (versnelt het signaal).
| Element | Lengte | Positie | Functie |
|---|---|---|---|
| Reflector | iets > ½λ | achter straler | Verzwakt signaal naar achteren (inductief, vertraagt signaal) |
| Straler | ½λ | midden (gevoed) | Zendt/ontvangt het signaal |
| Director(s) | iets < ½λ | voor straler | Bundelt signaal naar voren (capacitief, versnelt signaal) |