Meine Antwort hier bezieht sich mehr auf die eigentliche Technik, damit eine Antenne über ein breites Frequenzband effizient funktioniert. Ich bin Funkamateur und konstruiere und verwende seit fast 60 Jahren Antennen verschiedenster Art. Hier geht es also um meine Antennen und wie sie so konstruiert sind, dass sie sowohl beim Empfangen als auch beim Senden effizient funktionieren.

Beispielsweise ist eine meiner aktuellen Antennen (ich habe derzeit vier Antennen in Gebrauch) ein 80-Meter-Dipol, der etwa 136 Fuß lang ist und sich durchschnittlich 55 Fuß in der Luft über dem Boden befindet. Es ist mit einer "Leiterleitung"-Übertragungsleitung mittengespeist, um einen geringen Verlust zu erreichen. Es ist Kupferdraht (eigentlich gewöhnlicher Hausdraht Nr. 12).

Es wird 80-Meter für das hauptsächlich verwendete Frequenzband genannt. Dieses 80-Meter-Band (manchmal wird das obere Ende als 75-Meter-Band bezeichnet) ist für den Betrieb von 3,5 MHz bis 4,0 MHz ausgelegt. Ich verwende jedoch genau diese Antenne mit dem 40-Meter-Band (7,0 bis 7,3 MHz) und dem 30-Meter-Band (10,1 bis 10,15 MHz). Technisch gesehen kann es nicht nur Tausende, sondern ein Kontinuum von Frequenzen verarbeiten. [Anmerkung: Die Gesamtzahl der "Frequenzen", die gleichzeitig von einem bestimmten Band (z. B. 80-Meter-Band) verwendet werden, hängt von der Bandbreite des Signals gegenüber der Bandbreite der Antenne ab. Ich betreibe hauptsächlich CW (Morsecode) und die Bandbreite liegt unter 250 Hz. Ein SSB-Signal ist jedoch ungefähr 3,0 KHz.]

Antennen können als resonante Antennen betrieben und auch für nicht-resonanten Betrieb verwendet werden. Alle AM- und FM- oder sogar SW-Empfangsantennen sind nicht resonant. Resonanz ist etwas, das bei bestimmten Frequenzen auftritt. Zum Beispiel wurde meine 80-Meter-Dipolantenne so konstruiert, dass sie bei 3,505 MHz resonant ist. Der Resonanzpunkt einer Antenne wird jedoch von vielen verschiedenen Dingen beeinflusst, wie z. B. Höhe über Grund, Leitfähigkeit des Bodens, nahe gelegene leitfähige Strukturen (Metall, Bäume usw.). Wenn Sie also eine Antenne wie einen 80-Meter-Dipol bauen, machen Sie sie oft absichtlich länger als nötig und messen dann die Impedanz bei der gewünschten Frequenz und schneiden oder trimmen dann die Antenne und messen erneut, bis Sie nahe genug sind. Sie messen die Impedanz am Antennenspeisepunkt, weil Sie den Blindanteil ($X$) der komplexen Impedanz von$R+j X$idealerweise null sein.

Die physikalische Messung der Impedanz des Antennenspeisepunktes ist meistens nicht einfach. In meinem Fall ist es 55 Fuß hoch in der Luft. Also messe ich die Impedanz am anderen Ende der Übertragungsleitung, die physisch zugänglich ist, und berücksichtige den Impedanztransformationseffekt der Übertragungsleitung selbst. Dies ist eine einfache Berechnung (oder Sie können wie die alten Hasen sein und ein Smith-Diagramm verwenden).

Die Antenne hat also eine Resonanzfrequenz, aber ich verwende sie für einen breiten Frequenzbereich. Das Ergebnis des Betriebs abseits der Antennenresonanzfrequenz (unter oder über) bedeutet, dass die Impedanz unterschiedlich ist und oft eine sehr schlechte Fehlanpassung zum Rest der Ausrüstung darstellt. Diese Impedanzfehlanpassung bedeutet, dass die Verluste im System (meistens in der Übertragungsleitung) erhöht werden und normalerweise so hoch sind, dass es als Antenne wertlos ist.

Um dieses Problem zu beheben, wird die Antenne über einen abstimmbaren LC-Kreis gekoppelt. Diese abstimmbare Schaltung wird oft als "Antennentuner" bezeichnet, hat aber eine Vielzahl von Namen. Zum Beispiel enthielten viele der alten SWL-Empfänger einen variablen Kondensator (manchmal Induktor) namens "Antenna Trimmer". Durch Drehen dieses Induktorknopfes konnten Sie Signale verstärken, indem Sie eine engere Anpassung der Impedanz an den Antennenkreis erreichten. Mein Antennentuner ist ausgefeilter und automatischer (ich muss keine Knöpfe drehen) mit eingebauten Prozessoren (Elecraft KAT500). Meiner ist jedoch so ausgelegt, dass er sowohl ein gesendetes Signal als auch ein empfangenes Signal handhaben kann.

Beim Empfang können Antennen falsch angepasst werden und das einzige schlechte Ergebnis ist ein schlechteres Signal oder das Signal liegt dadurch nicht einmal über dem Rauschpegel. Beim Senden führt jedoch eine Fehlanpassung der Impedanz zu stehenden Wellen auf der Übertragungsleitung, die zu großen Verlusten, aber auch zu hohen Spannungen führen können, wenn die Übertragungsleitung mit dem Transceiver verbunden ist. Bei elektronischen Geräten können diese Hochspannungen die Geräte beschädigen, daher sind sie zu vermeiden. Tatsächlich hat der moderne Solid-State-Transceiver eine eingebaute Schaltung, um die übertragene Leistung kontinuierlich zu messen und automatisch zurückzunehmen (sogar bis zu dem Punkt, an dem die Übertragung abgeschaltet wird), bis die Gefahr gelindert ist.

Das Schlüsselmaß wird als Stehwellenverhältnis bezeichnet, und idealerweise möchten Sie, dass dieses Verhältnis möglichst nahe kommt$1:1$wie möglich. Bei meiner 80-Meter-Antenne hat der Resonanzpunkt auf der Antenne immer noch ein hohes SWR, weil der Resonanzwiderstand nahe 70 Ohm liegt, aber ich füttere diese Antenne mit einer 450-Ohm-Übertragungsleitung (Leiterleitung) und dies transformiert die Impedanz I Am Transceiver ist etwas ganz anderes als am Speisepunkt der Resonanzantenne zu sehen, was zu einer Fehlanpassung des SWR von etwa führt$5.6:1$und dies sollte weniger als sein$2:1$wie oben$2:1$der Sender schaltet die Leistung immer mehr zurück, bis bei$3:1$die Sendefunktion ist ausgeschaltet.

Antennen für den Empfang und das Senden auf mehreren Frequenzen und sogar mehreren Frequenzbändern effizient arbeiten zu lassen, ist ein großer Teil des Hobbys des Amateurfunks. Es gibt wahrscheinlich mehr Überlieferungen und schriftliches Material, sowohl richtig als auch falsch, über Amateurfunkantennen als über jeden anderen Teil des Hobbys. HF-Funkantennen sind kein Plug-and-Play, viel Konstruktionsdesign und andere Technologien spielen eine Rolle, damit es funktioniert.

Die freien Elektronen in einer Antenne unterliegen erzwungenen Schwingungen, wobei der Antrieb durch die elektromagnetischen Wellen erfolgt.
Bei vielen einfallenden Frequenzen ist die Bewegung eines einzelnen freien Elektrons sehr komplex.

Schließen Sie ein Kabel an den Eingang eines Oszilloskops an, drehen Sie die Verstärkung hoch und sehen Sie sich den "Müll" an, den das Kabel aufnimmt, der wahrscheinlich enthalten sein wird$50\,\rm Hz$oder$50\,\rm Hz$aus dem Stromnetz, Signale von schlecht entstörten elektrischen Geräten, Radio- und Fernsehsendern usw.

Die Reaktion der Elektronen auf die ankommenden elektromagnetischen Wellen hängt von vielen Faktoren ab, wobei die physikalischen Abmessungen der Antenne einer davon sind.
Ein einfacher Dipol reagiert stark auf elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge ungefähr zweimal die Gesamtlänge des Dipols beträgt, da das System dann nahe an der Resonanz ist und die Reaktion (Bewegung) der Elektronen in der Antenne vergleichsweise groß ist.
In der Antenne wird eine stehende Welle aufgebaut.

Eine Dipolantenne erzeugt über einen Frequenzbereich, der um die optimale Frequenz zentriert ist, eine ziemlich große Ausgangsleistung.
Dieser Frequenzbereich wird als Bandbreite bezeichnet und kann durch Erhöhen des Durchmessers des Stabs, aus dem der Dipol besteht, vergrößert werden.

Um eine Reihe von Frequenzen aufzunehmen, wenn die Signale schwach sind, kann man eine Reihe von Antennen haben oder eine spezielle Antenne wie die logarithmische Periodik verwenden, die Sie sehen werden, ist nur eine Menge unterschiedlich langer Metallstäbe, um eine Reihe von Frequenzen aufzunehmen.

Ein Mobiltelefon hat eine Reihe verschiedener Antennen, um die verschiedenen Frequenzsignale aufzunehmen, die die Daten tragen.
Diese Antennen werden benötigt, weil die eingehenden Signale relativ schwach sind und sie vielleicht wie ein Stück Draht aussehen, aber ihr Design hat viel mehr zu bieten

.

Wenn das eingehende Signal relativ stark ist, ist die Notwendigkeit einer guten Antenne geringer und eine "Länge des Kabels" reicht aus.

Das Signal (Wechselstrom) wird dann an das vordere Ende des Empfängers gesendet, wo sich ein Resonanzkreis (LCR) befindet, der so eingestellt ist, dass er die größte Ausgabe aus einem genau definierten Bereich eingehender Frequenzen erzeugt.
Wenn Sie Ihr Radio einstellen, ändern Sie die Resonanzfrequenz dieser Schaltung.
Sie haben also die Frequenz Ihres speziellen Radiosenders ausgewählt und hoffentlich alle anderen Signale auf Frequenzen aufgegeben, die Sie nicht möchten.

Überlagerung von Wellen

Das Problem überlagerter Wellen oder Schwingungen ist ein in der Physik sehr häufiges. Glücklicherweise gibt es einen etablierten Weg, damit umzugehen.

Wenn eine einzelne Frequenz gesendet wird, sieht die Welle so aus:

Wenn wir mehrere Frequenzen kombinieren, sieht es etwas verzerrter aus:

Ohne zu fragen, welche Signale gesendet wurden, ist es möglich, anhand des obigen Diagramms genau zu erkennen, welche Frequenzen über eine mathematische Transformation namens Fourier-Transformation gesendet wurden . Naja, wenn ich die Skala für "Distanz" trotzdem gegeben hätte. Ich habe es der Einfachheit halber weggelassen.

Bewegung von Elektronen in einer Dipolantenne

Die Bewegung von Elektronen in einem Leiter unter dem Einfluss eines Feldes ist nicht so einfach wie ein Hin- und Herbewegen. Zum einen sind die Elektronen in einem Metall delokalisiert und haben nicht einmal genau definierte Positionen (Queue- Quantenmechanik ). Zur Veranschaulichung modelliere ich jedoch den Strom, der durch eine Dipolantenne unter einer Radiosendung fließt, und gehe davon aus, dass sich jedes Elektron mit der Nettostromrate hin und her bewegt. In Wirklichkeit fließen Elektronen in einem Metall überall hin, fast wie in einer Flüssigkeit .

So sieht der Strom (mit dem „Spielzeugmodell“ der Elektronenbewegung) für das erste Signal aus, das ich Ihnen am Anfang gezeigt habe:

An den Rändern der Antenne fließt kein Strom, während zur Mitte hin der Stromfluss zunimmt. In diesem Diagramm fließt ein Nettostrom aus (und in) die Mitte der Antenne. Hier würden Sie einen Verstärker anschließen, um das „Ziehen“ und „Schieben“ von Elektronen in und aus ihm zu erfassen und es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dazu später mehr .

Hier ist das gleiche Spielzeugmodell für das zweite Signal, das ich Ihnen gezeigt habe, bestehend aus zwei Funkfrequenzen gleichzeitig (etwas beschleunigt):

Beobachte die Elektronen genau. Sie können sehen, dass sie nicht einfach hin und her radeln. Ihre Bewegung ist etwas komplizierter – die Amplitude ihrer Schwingung ändert sich mit der Zeit. Dies spiegelt das zweite Signal wider, das ich zuvor gezeigt habe.

Verstärkung des Signals

Ich bin mir nicht sicher, wie dies genau erreicht wird, aber ich werde mein Bestes geben. Wie Sie den aktuellen Diagrammen oben entnehmen können, gibt es eine Diskontinuität. Dort sammelt sich Ladung (Elektronen). Wenn wir dort einen Kondensator anbringen, wird dieser bei Bedarf Strom aufnehmen und entladen. Ein Bein zu jeder Seite der Antenne. Über den Beinen dieses Kondensators gibt es eine Spannungsdifferenz. Es ist ein Routineverfahren, dann einen Operationsverstärker anzuschließen , um diese Spannungsdifferenz auf Werte zu verstärken (oder zu dämpfen), mit denen Computer, Mikrochips usw. fertig werden; dh etwa 5V.

So sehen die Kondensatorspannungen für das erste bzw. zweite Signal aus:

Auch hier kann man aus diesen Spannungskurven die vorhandenen Frequenzen bestimmen. Im ersten Diagramm ist es eine einfache Sinuswelle, weil es nur eine Frequenz gab. Um die Kondensatorspannung in die gesendeten Frequenzen zu decodieren, müssen wir etwas Komplexeres als eine Fourier-Transformation durchführen, denke ich, obwohl ich nicht sicher bin, was das ist. Aber man sieht hoffentlich, dass die Information im Prinzip dazu da ist, zwischen mehreren Frequenzen zu unterscheiden.