Częstotliwość fali radiowej

Częstotliwość

Częstotliwość jest wielkością charakteryzującą fale radiowe. Fizycznie jest to liczba pełnych zmian pola elektrycznego lub magnetycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach [Hz].

Częstotliwość dotyczy fali nośnej – to podstawowy parametr, z jakim spotka się użytkownik, gdy przeszukuje stacje na skali odbiorników radiowych analogowych lub w czasie strojenia kanałów telewizora.

Długość fali radiowej

Długość fali

Z tym terminem spotkamy się najczęściej w odniesieniu do odbiorników radiowych, gdy zmieniamy zakresy fal. Często się mówi, że odbiornik odbiera fale długie, średnie, krótkie lub ultrakrótkie. W technice fala jest przedstawiana jako sinusoida.

Dla fali sinusoidalnej długość fali to nic innego jak odległość między powtarzającymi się jej fragmentami, np. między dwoma wierzchołkami. Między długością fali a jej częstotliwością zachodzi zależność:
λ[m] = 300000/f [kHz], gdzie 300000 km/s to prędkość rozchodzenia się światła w próżni.

W powietrzu, w którym rozchodzą się fale radiowe prędkość ta jest nieznacznie mniejsza. W praktyce oznacza to, że odbiór sygnału radiowego z nadajnika odbywa się natychmiast. Z tej zależności można w prosty sposób policzyć częstosliwość nadawania stacji radiowej lub telewizyjnej:
f [kHz] = 300000/λ[m]

Zakres częstotliwości pasm radiowych

Zakres częstotliwości pasm radiowych

Pasmo radiowe lub telewizyjne jest to zakres częstotliwości określony przez Urząd Komunikacji Elektronicznej przyznany radiofoniom i telewizjom do nadawania programów. W technice pasmo telewizyjne opisywane jest głównie przez trzy terminy: zakres, częstotliwość, numer kanału.

Pasmo telewizyjne jest podzielone na podzakresy, wykorzystywane przez telewizję analogową PAL, kablową, naziemną cyfrową DVB-T i satelitarną DVB-S.

Sygnał radiowy z nadajników naziemnych rozchodzi się dookólnie wokół nadajnika i ma określony zasięg – od kilku do klikudziesięciu kilometrów w zależności od mocy nadajnika.

Dysponując odbiornikiem radiowym lub telewizyjnym z anteną, w dowolnym miejscu w zasięgu fal nadajnika można odbierać programy radiowe i TV naziemne na nieograniczonej liczbie odbiorników.

Anteny radiowe

Pierwszymi antenami w historii były anteny służące do odbioru fal radiowych. Rodzaj anteny radiowej zależy od zakresu odbieranych fal.

Anteny na pasmo fal długich i średnich mają postać niewielkiej anteny ferrytowej wbudowanej w tuner radiowy. W tunerach stacjonarnych i amplitunerach stosuje sie anteny zewnętrzne do odbioru fal z modulacją amplitudową AM (długie, średnie, krótkie) i częstotliwością FM (UKF). Stacje radiowe w paśmie AM są odbierane za pomocą zewnętrznej anteny ramowej. Najlepszą jakośc dźwięku mają stacje UKF (FM). W radioodbiornikach przenośnych do ich odbioru używa się anteny prętowej teleskopowej, a w tunerach radiowych zestawów audio fabrycznie jest dodawany przewód, który trzeba uformować w kształcie litery T, tzn. nadać mu kształt dipola.

W starszych amplitunerach należy zwrócić uwagę na impedancję anteny, która ma wartość 300 Ω, a w nowych 75 Ω. Jeżeli antena ma 75 Ω, a amplituner 300 Ω, konieczne będzie zastosowanie symetryzatora, aby uniknąć strat sygnału spowodowanych niedopasowaniem impedancyjnym.

Anteny pokojowe na pasmo UKF wyglądają podobnie jak telewizyjne. Jednak ze względu na warunki propagacji fal najlepszy odbiór otrzyma się stosując antenę zewnętrzną na pasmo UKF.

Anteny naziemne telewizyjne (DVB-T)

Konstrukcja prostej anteny DVB-T

Prosta antena ma kształt dipola, który jest podstawowym elementem budowy anten prętowych i może być elementem prostym lub pętlowym. Dipol (greckie słowo) oznacza układ dwubiegunowy. Antena dipolowa składa się z dwóch symetrycznych ramion. Jest elementem czynnym, do którego doprowadza się kabel antenowy (linia zasilająca, fider). To w tym elemencie powstają prądy i napięcie wysokiej częstotliwości, które są dostarczane kablem koncentrycznym do odbiornika.

Długość dipola jest obliczana ze wzorów dla danej częstotliwości fali nośnej stacji radiowej lub telewizyjnej. Ze względu na odbierane pasmo i długość fali, antena może mieć dipol nazywany całofalowym (odpowiadający pęlnej długości fali) lub skrócony o połowę – nazywany półfalowym.

Do odbioru fal w paśmie VHF jest stosowany w technice odbiorczej dipol półfalowy prosty. Jest on zbudowany z pręta metalowego o długości wynoszącej połowę długości fali stacji, którą za pomocą tej anteny zamierzamy odbierać. W środku dipol jest przecięty, aby doprowadzić zasilanie. Natomiast do odbioru fal w paśmie UHF są stosowane dipole o długości równej długości fali (całofalowe), ze względu na krótsze długości fal.

Anteny prętowe

W praktyce proste anteny mają kształt pręta lub litery V (teleskopowa).

Antena prętowa zazwyczaj odbiera pasmo VHF oraz UHF i ma charakterystyczną dookólną. Takie anteny najczęściej są antenami pokojowymi lub używanymi w urządzeniach przenośnych, odbiornikach radiowych, telewizorach i odbiornikach DVB-T USB do laptopów.

Prosta antena ma ściśle określoną długość związaną z odbieranym zakresem częstotliwości. Antena typu V ma dwa ramiona teleskopowe, które można skracać lub wydłużać, ustawiać pod różnymi kątami. W ten sposób dopasowuje się ją do częstosliwości danej stacji i zwiększa kierunkowość. Anteny te są skuteczne jedynie blisko nadajnika.

Anteny wieloelementowe na pasmo UHF

Przy odległości powyżej 30 km powinno stosować się anteny wieloelementowe kierunkowe. Odbiór programów TV w IV i V paśmie (UHF 21-69) wymaga od anten znacznie większej liczby elementów niż na zakres VHF. W tym paśmie nadają wszystkie programy telewizyjne DVB-T. Fale są znacznie krótsze – decymetrowe, bardziej podatne na zakłócenia powodowane przeszkodami na ich drodze. Zwiększając liczbę elementów anteny, zapewnia się większy zysk i kierunkowość, co umożliwia odbiór w bardzo trudnych warunkach propagacji fal.

Najlepsze parametry mają anteny kierunkowe z reflektorami i direktorami prostymi typu Yagi-Uda lub z direktorami w kształcie litery X.

Anteny typu Yagi-Uda z direktorami prostymi na pasmo UHF zawierają zazwyczaj od 11 do 19 elementów i mają zysk 8-13 dB, promieniowanie przód/tył 19-26 dB, a szerokość wiązki 22-35°.

Anteny w wersjach profesjonalnych charakteryzują się wzmocnioną konstrukcją mechaniczną, mocowanie minimalizuje wpływ masztu na odbiór wybranej stacji i są przeznaczone do odbioru jednego lub kilku kanałów. Anteny wieloelementowe typu ATX mają największy zysk, dochodzący do 18-19 dB i wąską charakterystykę kierunkową, umożliwiającą w dużym stopniu wyeliminowanie odbić pochodzących od przeszkód terenowych w bliskości miejsca odbioru. Antena zazwyczaj składa się z reflektora kątowego, całofalowego dipola oraz 4 rzędów po 5, 10, 22 (w zależności od wersji) direktorów pasmowych w kształcie położonej litery X lub położonej cyfry 8. Przykładowo antena ATX-91 ma 91 elementów i długość 2,3 m.

Większość nowoczesnych anten szerokopasmowych ma duży reflektor kątowy, zwiększający szerokośc pasma, stosunek promieniowania głównego do wstecznego i kierunkowość anteny oraz zysk w porównaniu z typowymi antenami Yagi-Uda. Najpopularniejszy jest reflektor dwuścienny o kącie rozwarcia 60-90°, który może przyjmować różne kształty. Prosty reflektor składa się z kilkunastu prętów ustawionych poziomo, bardziej złożone mają sztywne kratownice, przyjmujące kształt paraboliczny. Długości poszczególnych elementów anteny wylicza się ze wzorów. Od ich liczby, wymiarów, odległości między nimi zależy odbierane pasmo, a więc to, jakie kanały telewizyjne będą odbierane, jak duży sygnał otrzyma się z anteny (zysk), jaki będzie stosunek promieniowania wstecznego do kierunkowego oraz jaką charakterystykę kierunkową będzie miała antena.

Nowością są anteny kierunkowe z trzema rzędami direktorów ustawionych pod różnymi kątami, dzięki czemu np. antena 44-elementowa ma zaledwie ok. 1 metra długości przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów (zysk 12-17 dB bez wzmacniacza). Taki układ elementów ułatwia ustawienie anteny.

Nadajniki CDMA są wykorzystywane do przesyłania danych takich, jak VoIP i bezprzewodowego internetu. Jeżeli w pobliżu jest nadajnik CDMA pracujący na częstotliwości 450 MHz, należy zdemontować wzmacniacz (pudełko na antenie) i zastąpić go symetryzatorem. Jeżeli to nie pomoże, trzeba zastosować antenę kierunkową Yagi-Uda bez wzmacniacza, a w szczególnych sytuacjach filtr pasmowy i wzmacniacz. Nowe anteny siatkowe mają wzmacniacze z pasmem ograniczonym do UHF.