Kuva 1. Pitkittäinen- ja poikittainen aaltoliike

Kuva 2. Sähkömagneettinen aalto etenee poikittaisella aaltoliikkellä

Sähkömagneettinen säteily

Aaltoliike yleensä voi olla pitkittäistä- ja/tai poikittaista aaltoliikettä. Sähkömagneettinen säteily on poikittaista. Kuvassa 1. ylempi katkoviiva kuvastaa pitkittäistä aallon etenemistä ja alempi poikittaista.

Sähkömagneettisen säteilyn sähkökenttä ja magneettikenttä sykkivät toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan. Kuva 2. Edetäkseen aalto siis tarvitsee molemmat kentät. Etenevän aallon nopeus on lähes 300 000 km/s. 

Kuvasta 3. nähdään että sähkömagneettiseen spektriin sisältyy paljon eri säteilyjä. Näkyvä valo sijoittuu ultravioletti- ja infrapunasäteilyn väliin. Pidennettäessä aallon pituutta (taajuuden laskiessa) päästään mikroaaltojen kautta radiosovelluksissakin käytettyihin aallonpituuksiin jotka kiinnostaa sähköpajalla enemmän. 

Tiedonsiirto

Lähetettäessä tietoa (esimerkiksi musiikkia tai muuta dataa) radioteitse, tarvitaan kantoaalto ja lähetettävä tieto. 

Nämä yhdistetaan eli moduloidaan yhdeksi aalloksi joka lähetetään antennin välityksellä sähkömagneettisena säteilynä vastaanottimeen. 

Modulaatioina voidaan käyttää seuraavia:

1. Amplitudimodulaatio
Amplitudimodulaatiossa kantoaallon voimakkuus eli amplitudi vaihtelee siirrettävän tiedon mukaan. 

2. Taajuusmodulaatio

Taajuutta vaihtelemalla voidaan kantoaaltoon moduloida siirrettävä tieto. Tätä taajuusvaihteluväliä kutsutaa devitaatioksi. Radiokanavissa käytetään taajuusmodulaatiota eli FM (frequency modulation). 

3. Vaihemodulaatio 

Vaihemodulilaatiossa tiedonsiirto hoidetaan  vaihesiirron avulla. 

Resonaatio suhteessa allonpituuteen

Dipoliantennin sähkökentän suunta lähetyksessä.

Antennin säteilyn mittaus kuparilanka spiraalilla

Antennin säteily alkupäästä loppupäähän

Antenni

Antenneilla lähetetään ja vastaanotetaan suurtaajuisia sähkömagneettisia aaltoja eli radioaaltoja. Antennin ominaisuudet ovat samat lähetyksessä ja vastaanottimessa, siis vastaanotinantennin keila on saman muotoinen kuin lähetysantennin keila.

Dipoli on antennin perusmalli ja yleisin muoto on puolenaallon mittainen johdin suhteessa käytettävään taajuuteen. Tällöin antenni saadaan toimimaan resonanssissa ja sähkömagneettisen säteilyn lähetys-/vastaanotto ominaisuudet ovat parhaat. 

Resonanssi on taajuus jolloin antenni on vireessä. Silloin antennin impedanssi on kokonaan resistiivistä ja antenni toimii parhaalla mahdollisella tavalla.  Kasvattaessa taajuutta kasvaa induktiivinen reaktanssi ja taajuuden laskiessa kasvaa kapasitiivinen reaktanssi. Hyötysuhde näin ollen antennissa laskee jos antennin impedanssissa on reaktanssia mukana. Mutkat sitten suoriksi ja lasketaankin esimerkiksi 100MHz radiolähetykselle sopiva antennin mitta.

300 000km/s /  100MHz = 3metriä. 

Saadaan aallon pituudeksi 3 metriä. Puolikkaan aallon mittainen antenni (1,5m) olisi hyvä mutta 1/4 aallon mitta myös käy. Jaetaa siis 1,5metriä vielä puoliksi. 75cm antennilangan pätkä on käytännöllisempi ja mahtuu helposti sähköpajan hyväksyttäviin antennin käyttömukavuus toleransseihin.   

Antennin säteilyn mittauksessa käytin kuparijohtimesta pyöritettyä spiraalia joka on kytketty oskilloskooppiin. Muodolla ei varmastikkaan niin väliä mutta tässä se toimi ihan hyvin. Kuvassa pieni radiolähetin ja punainen hauenleukajohdin toimii antennina joka on puolen aallon mittainen. Spiraalia kuljetin antennin alkupäästä loppupäähän samalla kun oskilloskooppi piirtää spiraaliin tarttuvan säteilyn.

Viimeisestä kuvasta ja videosta nähdään puolenaallon säteilyvoimakkuus oskilloskoopilta. Eli antennin alkupäässä ja loppupäässä tehovaihtelu on suurinta. Vastaanotinnantennin jännitteenvaihtelu nähdään tästä videosta. Vastaanottavaa antennia ei ole kytketty mihinkään vaan se leijuu ilmassa. 

Kuva 1. Sovitus on onnistunut

Kuva 2. Liian suuri impedanssi sovituksessa.

Kuva 3. Liian pieni sovitus impedanssi

Impedanssin sovitus

Vielä antennin sovituksesta. Antenni näkyy lähettävälle piirille kuormana eli impedanssina. Paras antennisovitus js näin ollen myös paras hyötysuhde lähetykselle/vastaanotolle saadaan kun antennin ja lähettimen/vastaanottimen impedanssit ovat samat. Tyypillisesti antennien impendanssit ovat 50 ohmia. Jos antenni ei ole tasapainossa lähettimen/vastaanottimen kanssa tapahtuu signaalin heijastumista takaisin signaalin lähtöpäähän tai signaalin kadottamista ja näin menetetään osa tehoista tai siirrettavästä tiedosta.

Kuvassa 1. on sovitettu 50 ohmin syöttöimpedanssi 50 ohmin sovitusvastuksella. Signaali on samanlainen kuin syötössä.

Kuva 2. Liian suuri impedanssi aiheuttaa signaalin kerrostumista aaltoilevana paluu virtana joka nopeasti tasoittuu pois.

Kuva 3. Liian pieneksi mitoitettu impedanssi hukkaa signaalista osan ja se nähdääjn kuvasta 3.

Kuva 1. Syöttösignaali

Kuva 2. sovitettu syöttökaapeli

Kuva 3. Ilman kaapelin sovitusta voi syntyä seisova aalto 

Kuva 4 Sopiva kaapelin pituus aiheuttaa ilman päätevastusta seisovan aallon.

Seisova aalto

Seisova aalto syntyy helposti siirtojohtoon korkeilla taajuuksilla. Aallon pituuden suhde kaapelin pituuteen vaikuttaa seisovan aallon syntyyn. 

Kuvassa 1 on 50 ohmin impedanssilla 11. 300 Mhz syöttösignaali jota ei vielä ole kytketty siirtojohtoon.

Kuvassa 2 on 24 metrin 75 ohmin koaksiaali-kaapeliin syötetty kuvan 1 signaali. Valkea käyrä on edelleen kaapelin syöttöpäästä. Siirtokaapelin loppupää on sovitettu noin 50 ohmin vastuksella. Signaali pysyy hyvänä.. 

Kuvassa 3 ei kaapelissa ole enään päätevastusta. Signaali heijastuu sellaisenaan takaisin lähtöpäähän josta syntyy seisovan aallon "lähes" nollakohta kaapelin alkupäähän.

Kuvassa 4. on sinisellä avoimesta koaksiaali kaapelin loppupäästä mitattu jännite. Valkea käyrä edelleen kaapelin syöttöpäässä. Kuvasta nähdään että syöttösignaali summautuu kaksinkertaiseksi seisovaksiaalloksi. 

Kuva 1. Led-lamppu seisovan aallon nollakohdassa

Kuva 2. Led-lamppu seisovan aallon huippukohdassa.

Seisovan aallon tehonsiirto

Seisova aalto on huono siirtämään tehoa. Edelliseen kytkentään on lisätty led-lamppu syötettävän koaksiaali-kaapelin alkupäähän. Kuvasta 1. Nähdään että lamppu on sijoittunut seisovan aallon nollakohtaan ja lamppu ei juurikaan syty.

Kuvassa 2. led-lamppu on sijoitettu koaksiaali-kaapelin loppupäähän jossa onkin seisonvan aallon huippukohta. Led palaa kirkkaasti.

 Videolla nähdään koaksiaali-kaapelin seisovan aallon tarkastelua eri kohdissa kaapelia.