48Представляем приборы

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Эфирные антенны для телеприема


И. Шаренков Теле-Спутник - 8(10) Август 1996 г.


Эфир - гипотетическое всепроникающее вещество, являющееся носителем электрических и магнитных сил.Настольная иллюстрированная энциклопедия под редакцией В.В. Битнера. СПб, 1907 г.





Что это мы все о спутниковых да о спутниковых антеннах? Ведь существуют еще, не сгинули никуда старые добрые, с детства всем знакомые эфирные антенны, и все так же старательно они ловят для нас и первый канал, и пятый петербургский, и еще множество иных разных каналов - хотя и не такое великое, как антенны спутниковые, но все же, все же...

Да и по какому там NBC или даже Rendez Vous сможем мы посмотреть "Берегись автомобиля" или "Свой среди чужих - чужой среди своих", финал Кубка России по футболу (или он теперь Магна Кубок называется?), какой такой Canal Plus или Arte покажут нам "Что? Где? Когда?". Да и что ни говори, а Ежик в тумане и Винни-Пух гораздо милее вольтронов, трансформеров и зигзаг-макряков.

Короче говоря, на эфирном телеприеме отнюдь никто не собирается ставить крест несмотря на стремительное распространение спутникового, и спутниковое телевидение ни в коем случае не заменит нам эфирного, а лишь - в большей или меньшей степени - дополнит.



Фото С. Логопериодическая антенна.

Не подумайте, уважаемые читатели, что прием и передача эфирных телесигналов - а регулярное телевещание в СССР началось в 1939 году - дело такое уж простое в силу своей давности и привычности. Вопросы проектирования, изготовления и использования антенн для диапазона УКВ - именно к этому диапазону относятся телевещательные эфирные сигналы - содержат гораздо больше проблем, чем антенн для диапазонов длинных, средних и коротких волн. Дело в том, что, во-первых, передатчики диапазонов ДВ, СВ, и КВ обладают, как правило, большей мощностью. Во-вторых, распространение волн этих диапазонов связано с большими значениями дифракции и рефракции, т.е. огибания сигналами препятствий (по размерам сравнимых или больших длины волны) и искривления направления следования сигнала в зависимости от плотности среды. В-третьих, приемные устройства диапазонов длинных, средних и коротких волн обладают высокой чувствительностью.

Когда же мы посмотрим на антенны телевизионные, мы увидим, что каждый из перечисленных факторов заключает в себе значительные трудности. А именно: достижение таких эффективных мощностей телевизионных передатчиков, как радиовещательных, оказалось пока невозможным. Явления дифракции и рефракции в диапазоне УКВ весьма незначительны, а затухание сигнала в атмосфере с уменьшением длины волны увеличивается - за счет поглощения энергии молекулами воздуха, дождем, снегом, туманом и частицами пыли. Чувствительность телевизионных приемников ограничена уровнем его собственных шумов, который из-за широкой полосы пропускания равен примерно 5 мкВ. Поэтому - ибо для получения на экране телевизора изображения высокого качества уровень входного сигнала должен быть хотя бы в 20 раз больше уровня собственных шумов - входной сигнал должен быть не менее 100 мкВ. Однако из-за небольшой мощности передатчика и худших условий распространения радиоволн напряженность электромагнитного поля в точке приема оказывается невысокой.



Рис. 2. Кольцевая зигзагообразная антенна.

Отсюда возникает одно из главных требований, предъявляемых к телевизионной эфирной антенне - при данной напряженности поля в точке приема антенна должна обеспечить необходимое напряжение входного сигнала для нормальной работы телевизионного приемника.

Известно и довольно-таки очевидно, что напряжение сигнала на выходе антенны пропорционально напряженности поля в точке приема, коэффициенту усиления антенны и длине волны сигнала. Коэффициент усиления - что было справедливо, если вы помните, и для спутниковых антенн - характеризует направленные свойства антенны: чем больше коэффициент усиления, тем уже диаграмма направленности антенны. Количественно коэффициент усиления показывает, во сколько раз мощность сигнала, принятого данной антенной, больше мощности сигнала, принятого антенной простейшей - полуволновым вибратором, помещенным в ту же точку пространства.

Вполне естественно желание иметь антенну с большим усилением, но необходимо иметь в виду, что увеличение заменить на содержание усиления антенны даром не дается и требует усложнения ее конструкции и увеличения габаритов. Всякие попытки разыскать или придумать такую конструкцию, которая одновременно была бы компактной и обладала большим коэффициентом усиления, попросту говоря, бесполезны.



Рис. 3. Рамочная антенна.

Большой коэффициент усиления, как уже говорилось выше, соответствует узкой диаграмме направленности, которая в свою очередь показывает, как антенна принимает сигналы с разных направлений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Так, антенна в виде вертикального стержня имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности в виде круга, в центре которого находится сама антенна. Такая диаграмма направленности является ненаправленной - или, точнее сказать, неизбирательной, так как принимает сигналы со всех сторон одинаково.

Направленная антенна характеризуется наличием одного или нескольких лепестков диаграммы направленности, наибольший из которых называется главным. Помимо главного лепестка диграмма направленности имеет еще задний и боковые лепестки, уровень которых значительно меньше главного. Но несмотря на их относительную малость, и задний и боковые лепестки ухудшают работу антенны, поэтому часто к телевизионной антенне предъявляются требования не принимать сигнал с заднего, противоположного основному, направления. Такие свойства антенны отражает коэффициент защитного действия КЗД, который определяется отношением мощности сигнала, принятого антенной с главного направления, к мощности сигнала, принятого с заднего направления,- при одинаковой напряженности поля обоих сигналов. Чем больше этот коэффициент, тем антенна считается лучше. Кроме уровня заднего лепестка и уровня и положения максимумов боковых лепестков диаграммы направленности на характеристики антенны могут также влиять текие параметры, как положение нулей диаграммы и полоса пропускания антенны.

Идеальной могла бы считаться антенна, вообще не имеющая боковых лепестков диаграммы направленности, но такими бывают лишь простейшие антенны. Что касается полосы пропускания, то бывают антенны узкополосные, рассчитанные не прием по одному каналу, и широкополосные - для приема сигнала по нескольким частотным каналам.



Фото В. Антенна Уда-Яги типа "волновой канал".

Следующее важное требование к телевизионной эфирной антенне - антенна должна быть согласована с фидером, т.е. с устройством, передающим принятый антенной сигнал на телеприемник, или, попросту говоря, с телевизионным кабелем.

Только при этом условии вся мощность принятого сигнала без потерь поступит на вход телевизионного приемника. Для такого согласования необходимо, чтобы входное сопротивление антенны было равно волновому спротивлению кабеля (фидера), а волновое сопротивление кабеля в свою очередь должно равняться входному сопротивлению антенного входа телевизора. При рассогласовании антенны и фидера часть энергии принятого антенной сигнала не поступит в фидер, а отразится от него и будет излучена антенной обратно в пространство. А это, по сути дела, равносильно уменьшению коэффициента усиления антенны. Положение, однако, значительно усугубляется, если фидер, кроме того, оказывается рассогласован с телевизором. В этом случае часть сигнала отразится от антенного входа телевизора и направится в виде обратной волны к антенне, где в свою очередь - из-за рассогласования фидера и антенны - вновь произойдет отражение, и часть сигнала поступит к антенному входу телевизора с задержкой относительно первоначального. Такая задержка создает на экране телевизора повторное изображение, сдвинутое вправо относительно основного. Из-за многократных отражений повторы также оказываются многократными.

Повторы изображения на экране возникают также еще и по той причине, что антенна помимо основного сигнала принимает сигнал, излученный тем же передатчиком, но принятый антенной после переотражения каким-нибудь местным предметом: соседним зданием, башенным краном и т.д. В городах таких предметов, создающих паразитные переотражения сигнала, масса. Для борьбы с подобным неприятным явлением используют антенны с узкой диаграммой направленности, но иногда и этого оказывается недостаточно и не получается ослабить до нужной степени переотраженный сигнал. В таких случаях приходится переходить от коллективных антенн к крупным системам коллективного приема телевидения - КСКПТ - и на целый микрорайон устанавливается одна приемная антенна, причем место ее установки выбирается так, чтобы уровень переотраженного сигнала был минимальным. Далее следует усилительная подстанция и кабельная сеть, разводящая сигнал по зданиям и квартирам этого микрорайона.

Остановимся немного на комнатной антенне. Заранее, конечно, понятно - и все из своего опыта, видимо, имели возможность убедиться - что на комнатную антенну качественного изображения не получить, если только прием передач не производится вблизи передатчика, где уровень сигнала довольно-таки велик. Но даже если так, комнатная антенна не способна ослабить переотраженные сигналы, а внутри зданий уровень таких сигналов особенно велик. Металлические трубы водопровода, газа и отопления, электрическая, телефонная и радиопроводка, предметы домашней обстановки - все это создает дополнительные переотражения сигнала, и даже передвижение людей по комнате влияет на телевизионное изображение. Поэтому высокое качество изображения комнатная антенна позволяет получить крайне редко, и только наружная антенна способна обеспечить хороший прием телепередач.

Следует, видимо, напомнить, что сейчас на территории бывшего Советского Союза телевизионное вещание ведется в пяти частотных диапазонах (см. табл.).





Как уже отмечалось выше, напряжение сигнала на выходе антенны пропорционально напряженности поля в точке ее установки, длине волны сигнала и коэффициенту усиления антенны. Значит, чем меньше длина волны (т.е. больше частота и, соответственно, номер принимаемого канала), тем меньше напряжение сигнала на выходе антенны при прочих равных условиях. Таким образом, получается, что если для первого канала обеспечивается нормальный прием антенной конкретной конструкции на данном расстоянии, то для уверенного приема телевизионных передач по двенадцатому каналу от того же передатчика такой же мощности понадобится антенна более сложной конструкции, имеющая больший коэффициент усиления.

Еще больший коэффициент усиления потребуется для уверенного приема телепередач в тех же условиях в дециметровом диапазоне волн. Таким образом, возникает еще одно требование к эфирной антенне - коэффициент усиления антенны должен увязываться не только с удаленностью от передатчика, но и с длиной волны, то есть с номером канала телевещания.

В зависимости от числа принимаемых каналов антенны условно подразделяются на семь типов. К типу 1 относятся одноканальные антенны метрового диапазона. К типу 2 - многоканальные антенны, работающие в пределах одного диапазона. К типу 3 - широкополосные антенны, работающие в первом и втором диапазонах. К типу 4 - широкополосные антенны третьего диапазона. Антенны типа 5 рассчитаны на работу в дециметровом диапазоне, а типа 6 - на работу по всем двенадцати каналам метрового диапазона волн. Наконец, к типу 7 относятся широкополосные антенны, способные принимать сигнал любого канала в метровом и дециметровом диапазонах. Существуют, конечно, и комбинированные антенны, как бы совмещающие в себе сразу несколько вышеперечисленных типов - чтобы было, как это теперь любят говорить, все в одном флаконе.

Рассмотрим теперь некоторые наиболее распространенные и эффективные конструкции эфирных антенн и принципы их действия.

Антенны типа "волновой канал" (или антенны Уда - Яги, по именам впервые описавших ее японских изобретателей) получили широкое распространение в различных профессиональных устройствах радиосвязи и радиолокации. Большинство телевизионных коллективных и индивидуальных антенн промышленного изготовления также являются антеннами типа "волновой канал" - такие антенны достаточно компактны и обеспечивают довольно большой коэффициент усиления при сравнительно небольших габаритах. Состоит антенна "волновой канал" из активного элемента - вибратора - и пассивных элементов - рефлектора и нескольких директоров, установленных на одной общей стреле (рис. 1).



Фото А.

Вибратор определенной длины, находящийся в электромагнитном поле телевизионного сигнала, резонирует на частоте сигнала, и в нем наводится ЭДС (электродвижущая сила). В каждом из пассивных элементов тоже наводятся ЭДС, и они переизлучают вторичные электромагнитные поля, которые, в свою очередь, наводят дополнительные ЭДС в вибраторе. Размеры пассивных элементов и расстояния от них до вибратора должны быть такими, чтобы дополнительные ЭДС, наведенные в вибраторе вторичными полями, были в фазе с основной ЭДС, наведенной в нем первичным полем. Тогда все ЭДС будут складываться арифметически, обеспечивая тем самым большую эффективность антенны по сравнению с одиночным вибратором. Для синфазности вторичных ЭДС с первичной рефлектор делается немного длиннее вибратора, а директоры - короче.

Симметричное расположение элементов антенны относительно направления на передатчик создает условия для сложения ЭДС только для сигнала, приходящего с главного направления (взгляните на фото В - рефлекторы выполнены в виде решеточки и увеличивают направленные свойства антенны). Те же сигналы, которые приходят под углом к главному направлению, создают в вибраторе ЭДС, сдвинутые по фазе относительно основного, и поэтому складываются алгебраически так, как складываются векторы. Сигнал же, приходящий с заднего направления, и вовсе создает в вибраторе ЭДС, противофазные основной, и они вычитаются. Таким образом, обеспечиваются направленные свойства антенны, формируется узкая диаграмма ее направленности, что соответствует увеличению коэффициента усиления.

Широкополосные или многоканальные антенны предназначены для приема нескольких телевизионных сигналов разных частотных диапазонов. Для любительского телеприема такие антенны, безусловно, играют особую роль - количество каналов уже доволно-таки велико и будет продолжать увеличиваться. На сей момент в Петербурге возможен прием одиннадцати телевизионных каналов, передающихся с трех вещательных точек, в Москве - тоже одиннадцати, все из Останкино.

Самой распространенной и популярной разновидностью широкополосных антенн можно считать так называемую логопериодическую антенну, то есть антенну с логарифмической периодичностью параметров. В приведенной выше классификации антенн по типам логопериодической антенне будет соответствовать тип 3-4-5. Конструкция логопериодической антенны крайне проста и, видимо, даже не требует дополнительных пояснений. Характерная конфигурация такой антенны - на фото С.

Также удачной разновидностью многоканальных антенн является кольцевая зигзагообразная антенна, называемая еще "паутинка" за ее внешнее сходство с орудием охоты паука (рис. 2).





Такая антенна способна работать во всем диапазоне метровых волн, отведенном для телевидения, и принимать передачи на любом из двенадцати частотных каналов. Она представляет собой металлический обруч, в центре которого укреплены на пластине из диэлектрика два металлических полукруга. Каждый полукруг соединен с обручем - под равными углами - пятью металлическими лучами, которые в свою очередь соединены пятью перемычками на равных расстояниях.

Усилением широкополосные антенны обладают небольшим, и основное их достоинство состоит именно в широкой полосе пропускания, позволяющей с помощью одной антенны принимать несколько телевизионных программ по разным частотным каналам. Чем шире полоса пропускания, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны, и для получения большого значения этого коэффициента следует выбирать узкополосные антенны, рассчитанные на прием одного, от силы двух-трех соседних по частоте каналов. При этом нужно учитывать, что между вторым и третьим, а также между пятым и шестым каналами имеются большие частотные промежутки, и хоть они и соседние по номерам, но не соседние по частоте.

Еще один тип узкополосных антенн, сочетающий в себе повышенный коэффициент усиления, простоту конструкции и настройки, называется антенной "двойной квадрат" (рис. 3).

Узкополосные антенны по сравнению с широкополосными, как мы уже выяснили, обладают дополнительными преимуществами, главным из которых является частотная избирательность. Благодаря этой особенности на вход телевизионного приемника не могут проникнуть помехи от других телепередатчиков, работающих на соседних по частоте каналах.

Наибольшее распространение получили двухэлементные рамочные антенны (см. фото А), хотя иногда используются и трехэлементные, требующие уже более тщательной настройки, без которой параметры антенны от увеличения количества элементов не улучшаются.

Двухэлементная рамочная антенна (рис. 3) состоит из двух квадратных рамок - вибратора и рефлектора, сделанных из металлической трубки диаметром 10-20 мм для 1 - 5-го каналов или 8-15 мм для 6 - 12-го каналов. Рамки антенны располагаются друг относительно друга так, чтобы их центры (точки пересечения диагоналей) находились на горизонтальной прямой, направленной на передатчик.

По коэффициенту усиления такая антенна эквивалентна пятиэлементной антенне типа "волновой канал" или даже немного эффективнее нее, плюс к тому имеет меньшие габариты и проще в настройке. Это объясняется тем, что активной приемной частью каждой рамки являются ее верхняя и нижняя горизонтальные части, а значит, двухэлементная рамочная антенна содержит четыре элемента и эквивалентна двухэтажной синфазной решетке, собранной из двухэлементных антенн "волновой канал".

Для приема сигналов дециметрового диапазона целесообразнее использовать трехэлементную рамочную систему из еще более тонкой трубки или прутка диаметром 3-5 мм.

Эфирные антенны - в отличие от спутниковых, которые лишь несколько последних лет стали "вырастать" на фасадах и крышах наших домов,- очень и очень давно стали неотъемлемой частью как городского, так и сельского пейзажа. Они продолжают совершенствоваться, стремясь поспевать за растущими требованиями к качеству приема телепередач и за умножающимся количеством каналов эфирного телевещания. Присмотритесь, проходя по улице, к новым антеннам на крышах (эфирные антенны ставят в основном на крыши, а не на стены, как спутниковые - за редким и редким исключением) - как они изменились внешне, конструктивно. Можно даже сказать, что они стали гораздо эстетичней и изящнее. Что ж, научно-технический прогресс и цивилизация берут свое, причем в данном случае цивилизация доносит до нас некоторым образом и культуру...

В статье использована книга В. А. Никитина "Как добиться хорошей работы телевизора". -М., Патриот, 1993.

 

Частотные диапазоны, распространенные на территории бывшего Советского Союза
148.5 - 66 МГц1-2 каналыдиапазон МВ
276 - 100 МГц3-5 каналыдиапазон МВ
3174 - 230 МГц6-12 каналыдиапазон МВ
4470 - 582 МГц21-34 каналыдиапазон ДМВ
5582 - 790 МГц35-60 каналыдиапазон ДМВ

 



 
Теле-Спутник Август 1996
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт