Så fungerar en antenn

Utan antenn ingen radio. Antennen är den del av radioutrustningen som gör om elektrisk ström till radiovågor som kan färdas genom luften, och som på mottagarsidan fångar upp vågorna och gör om dem till ström igen. Den här artikeln förklarar hur det går till, varför antennens storlek beror på frekvensen och varför en antenn som sänder bra också tar emot bra.

Från ström till radiovåg#

En radiosändare skapar en växelström, alltså en ström som byter riktning många gånger per sekund. På 2 m-bandet för radioamatörer byter strömmen riktning ungefär 290 miljoner gånger per sekund (frekvensen är 145 MHz, och varje period har två riktningsbyten). Strömmen leds från sändaren genom en matarledning, oftast en koaxialkabel, upp till antennen.

När elektronerna i antennens metall rusar fram och tillbaka bildas ett elektriskt fält mellan antennens ändar och ett magnetiskt fält runt tråden. Eftersom strömmen hela tiden ändrar riktning, ändras också fälten. Ett föränderligt elektriskt fält skapar ett magnetiskt fält och tvärtom, och de två kan därför ”bära varandra” ut i rymden. Det är detta som är en elektromagnetisk våg. Den rör sig med ljusets hastighet, ungefär 300 000 km per sekund.

Den grundläggande fysiken är att laddningar som accelererar strålar. En likström i en tråd strålar inte alls, eftersom elektronerna rör sig med jämn fart. Det är förändringen som ger vågor, ungefär som när du rör handen fram och tillbaka i vattnet och skapar krusningar som sprider sig.

På mottagarsidan sker samma sak baklänges. Den elektromagnetiska vågen sveper förbi mottagarantennen, och det elektriska fältet får elektronerna i metallen att röra sig. Det ger en mycket svag växelström som leds ned till mottagaren. Signalen kan vara på bara någon miljarddels watt eller ännu mindre, och det räcker för att mottagaren ska kunna förstärka och avkoda den.

Från ledning till antenn#

Ett bra sätt att förstå en antenn är att börja med två parallella trådar, en så kallad tvåtrådsledning. Strömmen går åt ena hållet i den ena tråden och åt andra hållet i den andra. Fälten från de två trådarna är lika starka men motriktade, och eftersom trådarna ligger tätt tar de nästan ut varandra. En ledning strålar därför nästan inte alls; den transporterar bara energin.

Om du böjer isär de sista bitarna av trådarna, så att de pekar åt varsitt håll, flyter strömmen plötsligt i samma riktning i båda delarna. Då förstärker fälten varandra i stället för att ta ut varandra, och energin kan lämna ledningen och stråla ut. Har de utvikta delarna en sammanlagd längd på ungefär en halv våglängd har du byggt den vanligaste antennen av alla: halvvågsdipolen (figur 2). Den beskrivs närmare i Dipol och monopol.

Resonans: därför spelar storleken roll#

En gunga är lätt att få fart på om du knuffar i precis rätt takt. Knuffar du i fel takt händer nästan ingenting. En antenn fungerar på liknande sätt. Strömmen som går ut mot antennens ände studsar tillbaka, ungefär som en våg i ett rep som är fastknutet i ena änden. Om den tillbakastudsande strömmen kommer tillbaka till matningspunkten i takt med nästa ”knuff” från sändaren förstärks svängningen. Det kallas resonans.

För en dipol inträffar resonansen när hela antennen är ungefär en halv våglängd lång. Våglängden får du ur frekvensen med den viktiga formeln

där $c$ är ljusets hastighet (300 000 000 m/s) och $f$ är frekvensen. Läs mer i Frekvens, våglängd och periodtid.

Sambandet betyder att antenner för låga frekvenser blir stora och antenner för höga frekvenser blir små (figur 3). En halvvågsdipol för 80 m-bandet på kortvåg är cirka 40 meter lång, medan antennen för Wi-Fi på 2,4 GHz får plats på några centimeter. Det är därför mobiltelefoner kan ha inbyggda antenner, medan rundradiostationer på långvåg behöver höga master.

En antenn som är mycket kortare än en halv våglängd kan också fungera, men den behöver hjälp av spolar eller anpassningsnät för att komma i resonans, och den blir ofta mindre effektiv. Den svenska långvågsstationen Grimeton sänder på 17,2 kHz, där våglängden är drygt 17 km. Trots sina sex 127 meter höga torn är antennen bara en liten bråkdel av våglängden.

Vart tar effekten vägen?#

Den effekt som en antenn strålar ut beter sig för sändaren som om den förbrukades i ett motstånd. Det tänkta motståndet kallas strålningsresistans. För en halvvågsdipol är den ungefär 73 ohm, vilket passar bra till vanliga 50- eller 75-ohmskablar. Läs mer om impedans i Spänning, ström, effekt och impedans.

En del av effekten blir i stället värme i trådar, spolar och isolatorer. Hur stor andel som verkligen strålar ut kallas verkningsgrad. En stor dipol i fri luft kan ha nästan 100 % verkningsgrad. En mycket kort antenn med förlängningsspole kan ha betydligt lägre verkningsgrad, eftersom strålningsresistansen blir liten jämfört med förlusterna.

Ingen antenn strålar lika mycket åt alla håll. En dipol strålar mest vinkelrätt mot tråden och inget alls längs tråden. Hur strålningen fördelas runt antennen beskrivs med ett strålningsdiagram, och hur mycket antennen koncentrerar effekten i den bästa riktningen kallas förstärkning eller antennvinst. Det förklaras i Antennparametrar.

Samma antenn för sändning och mottagning#

En viktig regel i antennteorin är reciprocitet: en antenn har samma strålningsdiagram, samma förstärkning och samma impedans när den sänder som när den tar emot. Om en antenn strålar starkt åt norr är den också extra känslig för signaler som kommer norrifrån. Därför räcker det att beskriva en antenns egenskaper en gång.

Reciprociteten gäller själva antennen. I praktiken kan en mottagarantenn ändå göras enklare än en sändarantenn, eftersom den inte behöver tåla hög effekt och eftersom bruset från omgivningen ofta är det som begränsar mottagningen på låga frekvenser, inte antennens verkningsgrad.

Närfält och fjärrfält#

Alldeles intill antennen är fälten komplicerade. Där finns energi som pendlar fram och tillbaka mellan antennen och den närmaste omgivningen utan att lämna den. Det området kallas reaktivt närfält och sträcker sig för en liten antenn ungefär en sjättedels våglängd ut (exakt $\lambda /2\pi$). Längre ut kommer ett övergångsområde, och på flera våglängders avstånd har fälten ordnat sig till en ren våg som rör sig bort från antennen. Det är fjärrfältet, och det är där strålningsdiagram och räckviddsberäkningar gäller (figur 4).

Närfältet har praktisk betydelse. NFC i betalkort och mobiler arbetar på 13,56 MHz, där våglängden är drygt 22 m. Korten fungerar bara på några centimeters avstånd, alltså djupt inne i det reaktiva närfältet, och kopplingen liknar mer en transformator än en radiolänk. Läs mer i Bluetooth, Zigbee, NFC, RFID och UWB. Närfältet är också anledningen till att metallföremål och människor nära en antenn påverkar den: de ”stör” fälten innan vågen har hunnit bildas.

Antenner i vardagen#

Antenner finns överallt, ofta osynliga:

• Mobiltelefonen har flera inbyggda antenner för olika mobilband, Wi-Fi, Bluetooth, GPS och NFC. Ramen av metall används ofta som en del av antennen.
• Bilen har antenner för FM och DAB+, GPS, mobilnät och nyckellöst lås, ofta samlade i en ”hajfena” på taket.
• Routern hemma har antenner för 2,4, 5 och ibland 6 GHz.
• Tv-antennen på taket är en riktantenn som pekar mot närmaste tv-sändare.
• Radioamatörens trådantenner kan vara tiotals meter långa och hänga mellan träd.

Hur du väljer och placerar antenner hemma beskrivs i Antenner för amatörradio, radio och TV hemma. Historien om de första antennerna, från Hertz försök till Marconis drakar och master, finns i Från Maxwell till Marconi.

Kontrollfrågor#