Na obudowie przenośnego radia zwykle widać jedną antenę: wysuwany metalowy pręt. Łatwo więc założyć, że odpowiada on za każdy zakres odbiornika. Tymczasem po przełączeniu z FM na fale średnie teleskop może zostać złożony, a stacje nadal będą słyszalne. Radio korzysta wtedy z drugiej anteny, ukrytej wewnątrz obudowy.
To nie oszczędność ani konstrukcyjna osobliwość. Fale FM i AM mają tak różne częstotliwości oraz długości, że jedna niewielka antena nie byłaby dla obu zakresów równie praktyczna. Dlatego typowy odbiornik przenośny łączy metalowy teleskop dla UKF FM z ferrytowym prętem i nawiniętą na nim cewką dla fal długich lub średnich.
Częstotliwość mówi antenie, jak duża powinna być
Fala radiowa ma częstotliwość i odpowiadającą jej długość. Im wyższa częstotliwość, tym krótsza fala. Jak wyjaśnia Federal Communications Commission, długość fali jest odległością pokonywaną podczas jednego pełnego cyklu pola elektromagnetycznego. W przybliżeniu można ją obliczyć, dzieląc prędkość światła przez częstotliwość.
Dla stacji FM nadającej w pobliżu 100 MHz długość fali wynosi około 3 metrów. Ćwierć takiej długości to mniej więcej 75 centymetrów. To rozmiar bardzo wygodny dla wysuwanej anteny w radiu kuchennym lub turystycznym. Nie musi ona mieć idealnie obliczonej długości dla każdej częstotliwości, aby odbiornik działał, ale rozmiar zbliżony do ćwierci fali zapewnia rozsądny kompromis między skutecznością a poręcznością. Podstawową zależność między częstotliwością a wymiarami anten opisuje również ARRL w materiale o antenach półfalowych.
Na falach średnich sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Przy częstotliwości 1 MHz fala ma około 300 metrów, a jej ćwierć aż 75 metrów. Nawet po skróceniu i elektrycznym dopasowaniu zwykły pręt odpowiedni dla tak niskiej częstotliwości byłby absurdalnie duży jak na radio stojące na szafce. Konstruktorzy potrzebowali więc anteny, która wykorzysta inny sposób odbierania sygnału i zmieści się w kilkunastocentymetrowej obudowie.
Co kryje się w środku radia AM?
Ukryta antena wygląda niepozornie: jest to ciemny pręt z materiału ferrytowego, na którym nawinięto wiele zwojów cienkiego przewodu. Całość bywa nazywana anteną ferrytową, prętową albo pętlową. Podobne rozwiązanie stosuje się także w radiowych zegarach. NIST opisuje ferrytową antenę pętlową jako pręt owinięty cewką cienkiego drutu, podobny do elementu znajdującego się wewnątrz odbiornika AM.
Ferryt nie jest tutaj magnesem trwałym. To tak zwany miękki materiał magnetyczny, który łatwo reaguje na zmienne pole i pomaga prowadzić strumień magnetyczny przez cewkę. Dzięki dużej przenikalności magnetycznej zwiększa jej indukcyjność i pozwala uzyskać użyteczną antenę bez rozwieszania dziesiątek metrów przewodu. TDK, producent elementów ferrytowych, wyjaśnia, że ferryt jest magnetyczną ceramiką o dużym oporze elektrycznym, cenioną między innymi w rdzeniach cewek i transformatorów.
Sama cewka nie wybiera jeszcze konkretnej stacji. W tradycyjnym radioodbiorniku współpracuje z kondensatorem strojeniowym, a w nowszym urządzeniu jego rolę może przejąć układ elektroniczny. Indukcyjność cewki i pojemność kondensatora tworzą obwód rezonansowy. Zmiana pojemności przesuwa częstotliwość, na którą obwód reaguje najsilniej. Właśnie dlatego obracanie gałki strojenia w starym radiu poruszało jednocześnie sekcjami kondensatora połączonymi z anteną i dalszymi stopniami odbiornika.
Dlaczego radio AM trzeba obracać?
Antena ferrytowa ma wyraźną kierunkowość. Najsilniej odbiera sygnał docierający z boku pręta, a znacznie słabiej ten nadchodzący wzdłuż jego osi. W praktyce oznacza to, że na falach średnich warto obracać całe radio, nie sam teleskop. Gdy jeden z końców ferrytu zostanie skierowany w stronę nadajnika, może pojawić się głębokie minimum odbioru. NIST zwraca uwagę na tę zależność w dokumentacji odbiorników sygnałów czasu: pręt powinien być ustawiony bokiem względem kierunku, z którego nadchodzi fala.
Ta wada bywa jednocześnie zaletą. Obracając odbiornik, można osłabić zakłócenie dochodzące z jednego kierunku albo rozdzielić dwie stacje pracujące na zbliżonych częstotliwościach. Dawni słuchacze wykorzystywali ten efekt świadomie. W czasach, gdy fale średnie były podstawowym zakresem domowego radia, ustawienie odbiornika na półce miało znaczenie nie tylko estetyczne.
Jak pracuje teleskop na FM?
Metalowy teleskop odbiera przede wszystkim składową elektryczną fali. W uproszczeniu jest anteną prętową, często zbliżoną do ćwierćfalowego monopola, którego drugą część stanowi masa i metalowe elementy urządzenia. Dla pasma UKF jego fizyczny rozmiar może być zbliżony do wymiaru wynikającego z długości fali, dlatego rozwiązanie jest skuteczne i tanie.
W Polsce emisje FM są zwykle spolaryzowane tak, aby dobrze współpracowały z pionowymi antenami odbiorników samochodowych i przenośnych. Dlatego punktem wyjścia jest pełne wysunięcie teleskopu i ustawienie go pionowo. W mieszkaniu sygnał dociera jednak nie tylko bezpośrednio, lecz także po odbiciach od budynków, ścian i metalowych przedmiotów. Przechylenie anteny albo przesunięcie radia o kilkadziesiąt centymetrów może czasem poprawić odbiór bardziej niż samo jej wydłużenie.
Małe urządzenia bez teleskopu potrafią wykorzystać przewód słuchawek jako antenę FM. Długi przewodnik jest wtedy elementem odbierającym fale, a nie tylko połączeniem między radiem i słuchawkami. Z tego powodu niektóre telefony i kieszonkowe odbiorniki wymagają podłączenia zestawu słuchawkowego przed uruchomieniem tunera.
Dlaczego nie wystarczy jedna antena?
Teoretycznie odbiornik wielozakresowy można zaprojektować na wiele sposobów. Istnieją anteny aktywne, przestrajane, pętle zewnętrzne i rozbudowane układy dopasowujące. W prostym radiu liczą się jednak koszt, pobór energii, odporność na uszkodzenia i łatwość obsługi. Ferrytowa cewka doskonale pasuje do niskich częstotliwości AM, a teleskop do zakresu VHF używanego przez FM. Dwie wyspecjalizowane anteny są prostsze i skuteczniejsze niż jeden element zmuszony do pracy w zakresie częstotliwości różniących się mniej więcej stukrotnie.
Na wyższych częstotliwościach ferryt przestaje być tak korzystny, ponieważ rosną straty materiału, a niewielka antena magnetyczna nie musi dorównywać sprawnością prostemu metalowemu prętowi. Z kolei teleskop o długości kilkudziesięciu centymetrów jest dla fal średnich elektrycznie skrajnie krótki. Może coś odebrać, zwłaszcza przy silnym sygnale, ale nie daje tak dobrego rozwiązania jak dostrojona cewka na ferrytowym rdzeniu.
Jak poprawić odbiór bez dodatkowego sprzętu?
Dla FM najlepiej całkowicie wysunąć teleskop, zacząć od ustawienia pionowego i odsunąć radio od zasilaczy impulsowych, monitorów oraz przewodów USB. W trudnych warunkach warto zmieniać zarówno kąt anteny, jak i położenie całego odbiornika, szczególnie w pobliżu okna.
Na AM teleskop zwykle nie pomoże. Trzeba obrócić całe radio i znaleźć pozycję, w której sygnał jest najmocniejszy albo zakłócenie najsłabsze. Warto także sprawdzić odbiór na bateriach. Tanie ładowarki, lampy LED, komputery i zasilacze potrafią wytwarzać zakłócenia obejmujące dużą część fal długich i średnich.
Gdy więc po przełączeniu zakresu FM na AM złożenie anteny teleskopowej nie zmienia prawie niczego, odbiornik nie ignoruje praw fizyki. Po prostu przekazuje pracę drugiej antenie, której nie widać. Jedna łapie krótkie fale metrowe metalowym prętem, druga wykorzystuje pole magnetyczne, cewkę i ferryt, aby zmieścić setki metrów długości fali w niewielkiej obudowie.