Radio stojące na parapecie odbiera stację wyraźnie, ale po obróceniu go o dziewięćdziesiąt stopni głos nagle cichnie pod warstwą szumu. Nie zmieniła się częstotliwość, nadajnik ani odległość. Zmieniło się tylko ustawienie odbiornika. W przypadku fal średnich i długich taki drobiazg może zdecydować, czy program będzie słyszalny.
Odpowiada za to antena ferrytowa ukryta wewnątrz obudowy. Nie przypomina wysuwanego pręta znanego z odbiorników FM. Jest to niewielki ciemny rdzeń z nawiniętą cewką, zwykle zamocowany równolegle do jednego z boków radia. Dzięki niemu urządzenie może odbierać fale o długości liczonej w setkach metrów, chociaż samo mieści się w dłoni.
Dlaczego zwykły kawałek drutu byłby za duży?
Wymiary klasycznej anteny są związane z długością odbieranej fali. Dla stacji nadającej w okolicy 1 MHz długość fali wynosi około 300 metrów. Nawet ćwierć fali to mniej więcej 75 metrów, więc antena o takich wymiarach nie ma szans zmieścić się w przenośnym odbiorniku. Dawne radia detektorowe korzystały z długich przewodów rozwieszanych na zewnątrz, ale codzienny odbiornik potrzebował rozwiązania znacznie wygodniejszego.
Antena ferrytowa jest odmianą małej anteny pętlowej. Zamiast próbować naśladować pełnowymiarowy dipol, odbiera magnetyczną składową fali radiowej. Podręcznik ITU dotyczący propagacji fali przyziemnej rozróżnia anteny prętowe i przewodowe, reagujące na pole elektryczne, od pętli oraz anten ferrytowych reagujących na pole magnetyczne. Właśnie takie anteny magnetyczne są typowe dla domowych odbiorników radiofonicznych.
Cewka, w której fala wytwarza napięcie
Podstawę działania opisuje prawo indukcji Faradaya. Zmienne pole magnetyczne przechodzące przez zwoje przewodnika wywołuje w nich napięcie. Im więcej odpowiednio ułożonych zwojów i im większy strumień magnetyczny, tym większy sygnał można przekazać do wejścia odbiornika. Dla dalekiej stacji nadal są to bardzo małe wartości, dlatego każdy szczegół konstrukcji ma znaczenie.
Rdzeń nie jest stałym magnesem. Ferryt to materiał o dużej przenikalności magnetycznej, który pod wpływem pola skupia jego linie wewnątrz cewki. Oficjalna nota projektowa Skyworks AN383 wyjaśnia, że ferryt wzmacnia działające pole zgodnie ze swoją efektywną przenikalnością. Napięcie indukowane w cewce z rdzeniem może być znacznie większe niż w pętli powietrznej tych samych rozmiarów.
Podobnie opisują to materiały szkoleniowe Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego o radionamierzaniu. Rdzeń ferrytowy przekierowuje pobliskie linie pola do wnętrza uzwojenia, dzięki czemu większy strumień przechodzi przez cewkę bez powiększania jej przekroju. To pozwala zamknąć użyteczną antenę AM w niewielkiej obudowie.
Antena jest jednocześnie częścią obwodu strojonego
Cewka na pręcie nie tylko zbiera energię fali. Jej indukcyjność współpracuje z kondensatorem, tworząc obwód rezonansowy LC. Odbiornik zmienia pojemność kondensatora tak, aby częstotliwość rezonansu odpowiadała wybranej stacji. W starszych radiach robiła to mechaniczna sekcja kondensatora połączona linką z gałką strojenia. W nowszych urządzeniach pojemność może być regulowana elektronicznie.
Nota Skyworks opisuje wejście odbiornika AM właśnie jako strojony obwód LC. Indukcyjność pochodzi głównie z anteny ferrytowej, a zmienna pojemność ustala częstotliwość rezonansową. W okolicy rezonansu sygnał wybranej stacji zostaje wyróżniony, podczas gdy transmisje znajdujące się dalej na skali są osłabiane. Antena i filtr wejściowy nie są więc dwiema zupełnie oddzielnymi częściami. Ten sam element uczestniczy w odbiorze i selekcji częstotliwości.
Dlaczego obrót radia zmienia odbiór?
Napięcie w cewce zależy od kierunku, w którym pole magnetyczne przecina jej zwoje. Antena ferrytowa ma przez to wyraźną charakterystykę kierunkową. Gdy pręt jest ustawiony odpowiednio względem kierunku nadejścia fali, przez cewkę przechodzi duży strumień i odbiór jest silny. Po obróceniu radia do położenia niekorzystnego sygnał może gwałtownie osłabnąć.
Najłatwiej zapamiętać praktyczną zasadę: dla typowej fali przyziemnej najlepszy odbiór stacji AM zwykle uzyskuje się, gdy pręt ferrytowy jest ustawiony poprzecznie do kierunku nadajnika. Głębokie minimum pojawia się natomiast wtedy, gdy oś pręta wskazuje w stronę nadajnika lub dokładnie przeciwną. Materiały ITU o radionamierzaniu podkreślają, że pętle i anteny ferrytowe stroi się na wyraźne minimum, ponieważ jest ono ostrzejsze niż szerokie maksimum.
Właśnie dlatego w radiu z wbudowaną anteną nie obracamy samego pręta, lecz całe urządzenie. Jeżeli odbiornik stoi płasko, jego orientacja może być niewidoczna dla użytkownika, ale dla cewki jest bardzo konkretna. Czasem wystarczy kilkanaście stopni, aby poprawić stosunek użytecznego sygnału do zakłóceń.
Kierunkowość pomaga nie tylko wzmacniać stację
Obracanie odbiornika służy również do tłumienia tego, czego nie chcemy słuchać. Jeśli zakłócenie pochodzi z jednego wyraźnego kierunku, można ustawić minimum anteny właśnie na jego źródło, zachowując przy tym dostateczny sygnał stacji. To przydatne przy odbiorze nocnym, gdy na tej samej lub sąsiedniej częstotliwości dociera kilka rozgłośni.
Ta cecha umożliwia proste radionamierzanie. Obracając pętlę, szuka się dwóch przeciwległych położeń, w których sygnał znika lub osiąga minimum. Pozostaje jednak niejednoznaczność 180 stopni: sama antena nie potrafi rozstrzygnąć, z którego końca wyznaczonej osi nadchodzi fala. Profesjonalne systemy dodają drugi element, tak zwaną antenę pomocniczą, i porównują fazę sygnałów, aby wskazać właściwą stronę.
Dlaczego antena ferrytowa łatwo zbiera zakłócenia z elektroniki?
Pręt pracuje w paśmie, w którym zakłócenia mogą wytwarzać zasilacze impulsowe, wyświetlacze, procesory i przewody z szybko zmieniającym się prądem. Wewnątrz nowoczesnego urządzenia antena znajduje się więc bardzo blisko potencjalnych źródeł szumu. Nieprzemyślane ułożenie ścieżek może sprawić, że odbiornik lepiej usłyszy własną elektronikę niż odległą stację.
W zaleceniach projektowych Skyworks antenę AM należy umieszczać możliwie daleko od sygnałów cyfrowych i ścieżek przełączających z częstotliwościami wpadającymi w zakres 520–1720 kHz. Producent odradza prowadzenie przewodów oraz pola masy bezpośrednio pod prętem i zaleca krótkie połączenie z wejściem odbiornika. To pokazuje, że widoczne w środku radia położenie anteny nie jest przypadkowym wykorzystaniem wolnego miejsca.
Dlaczego FM korzysta z innej anteny?
Radio FM pracuje w znacznie wyższym zakresie częstotliwości, a długość fali w okolicy 100 MHz wynosi około trzech metrów. Ćwierć fali ma około 75 centymetrów, dlatego teleskop o rozmiarze pasującym do przenośnego radia jest rozsądnym rozwiązaniem. Dla fal średnich taki sam teleskop byłby skrajnie krótki w stosunku do długości fali i mało skuteczny bez specjalnego układu dopasowania.
W jednym odbiorniku mogą więc działać dwie różne anteny. Wysuwany pręt lub przewód słucha FM, a schowana wewnątrz cewka na ferrycie obsługuje AM. Użytkownik, który wysuwa teleskop podczas słuchania fal średnich, często nie zmienia niemal nic. Znacznie skuteczniejsze okazuje się przesunięcie radia dalej od ładowarki, obrócenie obudowy albo ustawienie jej przy oknie.
Jak poprawić odbiór bez rozbierania radia?
Najpierw warto obracać odbiornik powoli, obserwując nie tylko głośność, lecz także ilość szumu i zniekształceń. Następnie można odsunąć urządzenie od komputera, zasilacza LED, ładowarki telefonu i telewizora. Inne położenie na półce również ma znaczenie, ponieważ metalowe elementy budynku oraz instalacje elektryczne zmieniają lokalne pole.
Nie należy bez potrzeby przesuwać cewki po rdzeniu ani próbować „poprawiać” jej liczby zwojów. Położenie uzwojenia i jego indukcyjność są dobrane do obwodu strojonego. Sam ferryt jest kruchy, więc uderzenie lub mocne wygięcie może go złamać. Pęknięty rdzeń czasem nadal działa, ale parametry anteny mogą się zmienić i pogorszyć zestrojenie całego zakresu.
Ukryty element, który nadaje radiu kierunek
Antena ferrytowa rozwiązała problem trudny do zauważenia z zewnątrz: pozwoliła małemu odbiornikowi słuchać bardzo długich fal bez rozwieszania dziesiątek metrów przewodu. Skupia magnetyczną część pola, wytwarza niewielkie napięcie w cewce i razem z kondensatorem wybiera żądaną częstotliwość.
Jej kierunkowość jest jednocześnie wadą i zaletą. Radio może zamilknąć po przypadkowym obróceniu, ale ten sam ruch pozwala poprawić odbiór, osłabić zakłócenie, a nawet wyznaczyć linię prowadzącą do nadajnika. Gdy więc stacja AM zaczyna szumieć, pierwszym narzędziem nie musi być śrubokręt ani nowa antena. Czasem wystarczy obrócić całe radio.