náhled|Anténní stožár s trojicí antén. Zcela nahoře skládaný dipól stočený do kruhu pro příjem rozhlasu v pásmu VHF (VKV), vpravo směrová anténa typu Yagi pro skupinu televizních kanálů v pásmu UHF, vlevo dole širokopásmová plochá příčná anténní soustava se čtveřicí celovlnných dipólů pro celé pásmo televizních kanálů v pásmu UHF. Anténa je elektrotechnické zařízení používané v radiofrekvenční technice k přeměně střídavých elektrických proudů na rádiové vlny při vysílání a k přeměně rádiových vln zpět na elektrické proudy při příjmu. Představuje rozhraní mezi elektromagnetickými vlnami šířícími se volným prostorem a elektrickými proudy vedenými kovovými vodiči a je nedílnou součástí rádiových vysílačů i přijímačů. Při vysílání dodává vysílač do svorek antény střídavý elektrický proud, jehož energie je anténou vyzařována ve formě elektromagnetických vln. Při příjmu anténa zachycuje část energie dopadající elektromagnetické vlny a převádí ji na elektrický proud, který je dále zpracován přijímačem. Antény jsou základní součástí všech zařízení využívajících rádiovou komunikaci.
Anténa je tvořena jedním nebo více elektricky vodivými prvky propojenými s vysílačem nebo přijímačem. Může být navržena tak, aby vyzařovala nebo přijímala rádiové vlny rovnoměrně do všech vodorovných směrů (všesměrová anténa), nebo naopak přednostně v určitém směru (směrová anténa). Součástí antény mohou být také prvky, které nejsou elektricky spojeny s vysílačem ani přijímačem, například reflektory, vlnovody nebo pasivní prvky, jejichž úkolem je formovat vyzařovací diagram a soustředit elektromagnetickou energii do požadovaného směru.
Historie První antény sestrojil v roce 1886 německý fyzik Heinrich Hertz při svých průkopnických pokusech, kterými experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln předpovězených elektromagnetickou teorií Jamese Clerka Maxwella. Od roku 1895 začal Guglielmo Marconi vyvíjet antény určené pro praktické dálkové bezdrátové telegrafní spojení a v roce 1898 otevřel v anglickém Chelmsfordu továrnu na výrobu zařízení využívajících jeho vynález.
Princip činnosti náhled|Elektrické (modře) a magnetické (červeně) pole v okolí dipólové antényAnténa představuje rozhraní mezi elektrickým obvodem a volným prostorem. Jejím úkolem je převádět elektrickou energii vedenou po vodičích na elektromagnetické vlnění při vysílání nebo naopak převádět energii dopadající elektromagnetické vlny na elektrický signál při příjmu.
Elektromagnetické vlnění vzniká při časových změnách elektrického proudu a elektrického pole. Protéká-li vodičem stejnosměrný proud, vytváří kolem sebe stacionární magnetické pole, které se po ustálení nemění, a proto nevyzařuje elektromagnetické vlnění. Naproti tomu střídavý proud mění svou velikost i směr, čímž vzniká proměnné magnetické pole. Podle Maxwellových rovnic kdykoli se mění magnetické pole, vzniká elektrické pole a naopak, kdykoli se mění elektrické pole, tvoří se magnetické pole, přičemž indukční čáry magnetického pole jsou vždy kolmé k siločárám elektrického pole. Tímto vzájemným působením vzniká elektromagnetická vlna, která se oddělí od vodiče a šíří se prostorem přibližně rychlostí světla:
Přestože elektromagnetické záření vyzařuje každý vodič protékaný časově proměnným proudem, účinnost tohoto procesu výrazně závisí na poměru mezi jeho délkou délkou a vlnovou délkou, která je nepřímo úměrná pracovní frekvenci. Běžné kovové antény jsou konstruovány pro funkci v pásmu rádiových vln (3 Hz až 300 MHz) a mikrovln (300 MHz až 300 GHz), jejichž vlnová délka je srovnatelná s rozměry antény.
Každý vodič protékaný vysokofrekvenčním střídavým proudem sice do určité míry vyzařuje elektromagnetickou energii, avšak většina této energie zůstává v jeho bezprostředním okolí ve formě blízkého pole. Anténa je navržena tak, aby co největší část dodané energie převedla do vzdáleného elektromagnetického pole. U přijímací antény probíhá stejný děj opačným směrem – dopadající elektromagnetická vlna indukuje v anténě elektrické napětí a proud, které jsou dále zpracovány přijímačem. Platí zde princip reciprocity, podle něhož má anténa při vysílání i příjmu shodné elektromagnetické vlastnosti. Každá vysílací anténa proto může sloužit také jako anténa přijímací a naopak, pokud je určena pro stejné frekvenční pásmo a odpovídající výkonové zatížení.
Anténa nejúčinněji pracuje v okolí své rezonanční frekvence, zatímco při výrazně nižších nebo vyšších frekvencích její vyzařovací účinnost klesá. Při rezonanci se na vodiči vytváří stojaté vlnění proudu a napětí, což umožňuje účinný přenos energie mezi vysílačem a volným prostorem. K rezonanci dochází, pokud je délka antény rovna vlnové délce signálu nebo určitému jejímu zlomku, např. ½, ⅓, ¼ nebo ¾. Nejčastěji se používají antény o délce čtvrtiny nebo poloviny vlnové délky.
Základní parametry náhled|132x132bod|Schematická značka antényElektromagnetické vlastnosti antén popisuje řada parametrů. Na mezinárodní úrovni jsou definovány normami a standardy, zejména IEEE Std 145-1993 Standard Definitions of Terms for Antennas.
Výkonová hustota a intenzita vyzařování Výkon pole vyzařovaného anténou se rozptyluje do okolního prostoru. To popisují veličiny hustota vyzářeného výkonu S [W/m2] a intenzita vyzařování U [W]. Hustota vyzářeného výkonu je definována jako výkon, který projde jednotkou plochy v určitém bodě prostoru, a je rovna střední hodnotě Poyntingova vektoru v daném bodě. Naproti tomu intenzita vyzařování udává výkon, který vychází ze zářiče elementárním kuželem v určitém směru. Zatímco intenzita je pro daný směr konstantní, hustota vyzářeného výkonu klesá s druhou mocninou vzdálenosti od antény (tzv. zákon převrácených čtverců):
Výkonová hustota Siso ideálního izotropního zářiče, tedy hypotetické antény, která vysílá do všech směrů se stejnou intenzitou Uiso, je dána jako vyzářený výkon vztažený ke kulové ploše; potom platí:
Tato anténa není fyzikálně realizovatelná, používá se však jako reference k popisu vlastností reálných antén.
Směrová charakteristika Obecná anténa se vyznačuje tím, že velikost vyslané či přijímané elektromagnetické energie je různá v různých směrech. To popisuje směrová charakteristika antény, která je definována jako grafická reprezentace směrových vlastností antény na prostorových souřadnicích, obvykle sférických. Pojem směrová charakteristika se používá obecně pro přijímací antény, zatímco u vysílacích antén je používán pojem vyzařovací charakteristika. Směrovou charakteristikou izotropního zářiče je kulová plocha. Podle zobrazované veličiny se rozlišují dva typy charakteristiky:
výkonová () se značí F(φ, θ)2 a zobrazuje výkonovou hustotu S; napěťová () se značí F(φ, θ) a zobrazuje intenzitu pole U.
Zisk a směrovost náhled|323x323pixelů|Znázornění definice zisku vzhledem k izotropnímu zářiči. Osy představují hustotu vyzařovaného výkonu ve wattech na metr čtvereční (W/m²). Křivka R znázorňuje vyzařovací diagram směrové antény, která v hlavním směru vyzařuje při dané vzdálenosti od antény maximální hustotu výkonu S. Zelená koule Riso představuje vyzařovací diagram ideálního izotropního zářiče, který vyzařuje stejný celkový výkon rovnoměrně do všech směrů; Siso označuje jím vytvářenou hustotu výkonu. Zisk směrové antény je definován jako poměr S/Siso. Protože směrová anténa soustřeďuje stejný celkový vyzařovaný výkon do menšího prostorového úhlu kolem osy z, dosahuje v tomto směru vyšší hustoty výkonu než izotropní zářič, a její zisk je proto větší než jedna.Oproti izotropnímu zářiči jsou reálné antény obvykle soustředěné do jednoho směru. To vedle směrové charakteristiky popisují veličiny směrovost a zisk. Směrovost popisuje výhradně schopnost antény soustředit vyzařovanou energii do určitého směru, zatímco zisk zohledňuje také účinnost antény. Platí proto, že zisk antény je vždy menší nebo roven její směrovosti. Směrovost ani zisk neznamenají, že anténa energii zesiluje. Anténa žádnou energii nevytváří ani nezesiluje, pouze soustřeďuje dostupný vyzařovaný výkon do menšího prostorového úhlu.
Směrovost antény D [-] je definována jako poměr hustoty výkonu vyzářeného skutečnou anténou v hlavním směru vyzařování Smax k hustotě výkonu ekvivalentní izotropní antény (o stejném výkonu); ekvivalentně lze také vyjádřit jako poměr intenzity vyzařování:
,
Skutečné antény však nejsou bezeztrátové. Část výkonu dodaného na svorky antény se přemění na teplo vlivem ohmických ztrát vodičů, dielektrických ztrát nebo ztrát v okolních materiálech. Zisk antény G [-] proto vyjadřuje nejen směrové soustředění vyzařované energie, ale také účinnost její přeměny na elektromagnetické záření. Je dán součinem směrovosti a účinnosti antény:
,
Směrovost a zisk se nejčastěji udávají v decibelech, potom platí:
,
přičemž jednotkou je dBi, kde i značí že referenční anténa je izotropní zářič.
Vstupní impedance Vstupní impedance antény je komplexní elektrická impedance měřená na jejích napájecích svorkách. Je definována jako poměr efektivního napětí a proudu na vstupu antény:
Imaginární složka odpovídá indukční nebo kapacitní reaktanci antény. Reálná složka zahrnuje především vyzařovací odpor Rvyz, který představuje výkon vyzářený do prostoru, a ztrátový odpor způsobený ohmickými a dielektrickými ztrátami:
Vstupní impedance antény je závislá na pracovní frekvenci, geometrickém uspořádání antény i vlastnostech okolního prostředí (vzdálenost od země, přítomnost vodivých předmětů nebo dielektrických materiálů v bezprostředním okolí). Anténa se z elektrického hlediska chová jako rezonanční obvod s rozloženými parametry, a proto se její impedance s frekvencí mění. V okolí rezonanční frekvence je reaktivní složka impedance minimální a anténa dosahuje nejúčinnějšího přenosu energie mezi napájecím vedením a elektromagnetickou vlnou.
Pro účinný přenos výkonu musí být vstupní impedance antény přizpůsobena charakteristické impedanci napájecího vedení i výstupní impedanci vysílače nebo vstupní impedanci přijímače. Při impedančním přizpůsobení je výkon přenášen s minimálními odrazy na rozhraní jednotlivých částí přenosové soustavy. Naopak při nepřizpůsobení vznikají odražené vlny, které vedou ke vzniku stojatého vlnění na napájecím vedení, snižují přenášený výkon a mohou způsobit zvýšené namáhání výstupních obvodů vysílače. V praxi se nejčastěji používají napájecí vedení s charakteristickou impedancí 50 Ω, 75 Ω, 150 Ω nebo 300 Ω.
Vyzařovací odpor Vyzařovací odpor popisuje množství výkonu vyzářeného anténou ve formě elektromagnetických vln. Jedná se o hodnotu ekvivalentního odporu, který by při průtoku stejného proudu vytvořil takový tepelný výkon, jaký je vyzářený výkon antény:
Podíl vyzařovacího odporu na celkové hodnotě reálné složky vstupní impedance odpovídá účinnosti antény:
.
Při uvažování rezonance (XA = 0) a zanedbání ztrát (ΔR = 0) je vstupní impedance přibližně rovna vyzařovacímu odporu:
Šířka pásma Šířka pásma je rozsah frekvencí, ve kterém si anténa zachovává požadované elektrické a vyzařovací vlastnosti:
Protože většina parametrů antény závisí na frekvenci, neexistuje obecně platná definice šířky pásma. Obvykle se určuje přijatelnou změnou dané veličiny v závislosti na frekvenci vzhledem ke své jmenovité hodnotě ve středu pásma, pro které byla navržena:
Většina typů antén má díky svým rezonančním vlastnostem poměrně úzkou šířku pásma, která činí přibližně 5 až 10% jejich středové frekvence (tj. např. B = 100 až 200 MHz při fn = 2 GHz).
Efektivní plocha antény Efektivní plocha antény Ae, také zvaná apertura, je parametr závisející na rozložení záření v geometrické ploše antény, přičemž nemusí být shodná s geometrickou velikost antény. Je definována jako:
,