2.4. Рекомендации по выбору антенн

При выборе телевизионной антенны всегда возникают трудности, и не только у радиолюбителей, но и у специалистов. Антенну, которая способна принять все передаваемые программы с достаточным качеством, подобрать очень сложно. Здесь без предварительной оценки условий приема однозначный ответ дать невозможно.

Для этого прежде всего небходимо знать номера телевизионных каналов (либо канал), которые необходимо принять в данной местности, а также диапазоны телевизионного вещания, в которых эти каналы находятся, и их частоты (табл. 1.2). После чего можно определить коэффициент перекрытия по частоте (Kf) принимаемых каналов:

К1 = fmax/fmin (2.13)

где frnax - верхняя частота высшего (номера) канала;

fmin - нижняя частота низшего (номера) канала.

Если результаты вычислений находятся в пределах:

1,01... 1,16, то для приема используется канальная антенна;

1, 16... 1,3 - многоканальная антенна;

1,3... 19,0 - диапазонная антенна,

Теперь, зная рабочий диапазон частот и коэффициент перекрытия, можно произвести предварительный выбор антенны.

ПРИМЕР 1: Прием ведется на телевизионных каналах 4, 6, 8, 10, 12, 22, 28, 30, 33 (перекрываются II, III и IV диапазоны). Определяем общий коэффициент перекрытия с 4 по 33 канал.

К1= 574/84= 6,8.

Коэффициент перекрытия по каждому диапазону составил:

К2=92/84=1,09.

К3=230/174=1,32.

K4= 574/478=1,2.

Исходя из полученного результата для приема всех каналов необходимо было бы использовать широкодиапазонную антенну. Однако подобные антенны не обладают необходимыми параметрами для удовлетворительного приема, либо сложны по конструктивному исполнению (совмещенные антенны). Поэтому, в данном случае, целесообразно использовать три антенны:

- для приема во II диапазоне (4 телевизионный канал) - канальную антенну;

- в III диапазоне (6... 12 канал) -диапазонную;

- в IV диапазоне (22... 33 канал) - многоканальную или диапазонную. Для выбора конкретного типа антенны воспользуемся табл. 2. 4, где Gср — коэффициент усиления относительно изотропной антенны, О — ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Таблица 2. 4. Типовые параметры антенн.

Продолжение табл. 2.4

* - полоса пропускания данных антенн может отличаться от приведенных в таблице.

В нашем случае подойдут:

- для приема 4 канала 4- или 5-элементная антенна «волновой канал»;

- для приема 6-12 каналов 7-элементная антенна «волновой канал», или зигзагообразная, или рамочная;

- для приема 22 - 33 канала 10 - 21-элементная антенна «волновой

канал», или рамочная, или логопериодическая.

Для того чтобы оценить усилительные свойства предварительно выбранных антенн, необходимо знать напряженность поля в месте установки приемной антенны. Точные результаты можно получить, применив специальную измерительную аппаратуру, однако для подавляющего большинства радиолюбителей и специалистов это недоступно.

Ориентировочно оценить напряженность поля можно, рассчитав ее значение по формуле 2. 10 для наиболее слабо принимающего канала в каждом диапазоне. В нашем случае это 4 канал II диапазона (Lср = 3,41м), 10 канал III диапазона (Lcp = 1,43м) и 30 канал IV диапазона (Lcp = 0,549м). Для упрощения расчетов принимаем эффективную излучаемую мощность станции Рc=1 кВт, высоту передающей антенны Н=150 м, приемной h=10м, расстояние между антеннами R=30 км.

Вначале, подставляя исходные данные в формулу 2.1, находим расстояние радиовидимости:

г = 4.12(150^0.5 + 10^0.5) = 63,5 км

Рассчитав отношения

R/r = 30/63,5= 0,47 и (h/H)^0.5 = (10/150)^0.5 = 0,3,

из графика (рис. 2.3, )находим поправочный коэффициент m=0,63. Определяем справедливость неравенств 2.7 и 2.8, для выбранных нами соответственно 4,10 и 30 каналов:

R = 30 км < 0,8 r = 0,8 *63,5 = 50,8 км 150 *10 *0,63/30000 *3,41 = 0,009, т.е. меньше 0,1. 150 *10 *0,63/30000 * 1,43 = 0,022, т.е. меньше 0,1. 150 *10 *0,63/30000 *0,54 = 0,058, т.е. меньше 0,1.

Так как неравенства 2.7 и 2.8 выполняются, то подставив значения в формулу 2.10, рассчитаем напряженность поля в точке приема:

Е4 = (2,18 • 0,63 • 150 • 10 • 1^0.5)/ 3,41 • 900 = 0,671 мВ/м Е10 = (2,18 • 0,63 • 150 • 10 • 1^0.5)/ 1,43 • 900 = 1,600 мВ/м

Езо = (2,18 • 0,63 • 150 • 10 • 1^0.5)/ 0,54 • 900= 4,238 мВ/м

Сравниваем полученные показания с табл. 1.3, замечаем, что расчетные значения напряженности поля для расстояния R=30км превышают минимально допустимые табличные значения, необходимые для удовлетворительного приема. Поэтому, сравнивая коэффициенты усиления предварительно выбранных антенн (табл.2.4) и рекомендованные значения коэффициентов усиления антенн, приведенные в табл. 1.3 (стр. 10), можно сделать вывод:

- для приема сигналов на 4 телевизионном канале достаточно применить 4-х элементную антенну «волновой канал»;.

- для приема сигналов на 6-12 каналах возможно использовать любую из диапазонных антенн, предназначенных для приема в III диапазоне;

- для приема сигналов на 22-33 каналах подойдет 10-элементная антенна «волновой канал».

Уточнить коэффициент усиления можно, воспользовавшись формулой 3.11 табл. 3.5. Для этого без учета потерь в фидере в данную формулу необходимо подставить значения напряженности поля и допустимые напряжения сигнала на входе телевизионного приемника.

Таблица 2.5. Необходимые напряженности сигнала на входе телевизионного приемника.

Определяем действующую длину антенн рассчитываемых каналов, находящихся на расстоянии от передающей антенны R=ЗОкм, для приема передач цветным телевизионным приемником:

l4=377/671 =0,561 м l10 =325/1600= 0,203м l30 = 403/4238 = 0,095 м.

Расчитываем КПД фидера снижения. В данном случае используем коаксиальный кабель РК-75-4-13 c минимально необходимой длиной l=15м. Из табл. 6.3 определяем коэффициент затухания в=0.13 дБ/м для частоты f=1ООМГц. Воспользовавшись формулой 6.27, рассчитываем затухание фидера снижения для данных каналов приема, в нашем случае для частот fcp4 = 88МГц, fcp10 = 210МГц, fсрзо = 548МГц:

в4 = в' • (f4/f')^0.5= 0,12 в10 = в' • (f10/f')^0.5 = 0,19 в30 = в' (f30/f')^0.5 = 0,3.

Используя рассчитанные значения в4, в10, в30, определяем КПД фидера снижения по формуле 6.21

n =10^(вl/10) n4 = 0,66; n10 = 0,52; n30 = 0,35.

Воспользовавшись формулами 3.12 и 3.14, определяем коэффициент усиления приемной антенны с учетом КПД фидера снижения ln

Gn= (ln/0,16L)^2/n (2.14)

где ln - действующая длина для рассчитываемого канала;

L - длина волны рассчитываемого канала;

n - КПД фидера снижения.

G4 = (0,561/0,16 • 3,41)^2 /0,66 = 1,6 G10 = (0,203/0,16 • 1,43)^2 /0,52 = 1,5 G30 = (0,95/0,16 • 0,54)^2 /0,35 = 3,45.

Полученные значения в разах переведем в децибелы (приложение 3, либо по формуле 3.4) и получим следующие значения:

G4 = 4,08 дБ G10 = 3,52 дБ G30 = 10,75 дБ

Полученные входе расчетов данные позволяют выбрать конкретный тип антенны из таблицы 2.4 или приложения 5.

ПРИМЕР 2: В случае, если телевизионный приемник будет находиться на расстоянии Р=35км, то для определения значения напряженностей поля, действующих длин и коэффициентов усиления приемных антенн произведем аналогичный расчет.

Пусть расстояние радиовидимости будет r=63,5 км, тогда R/r = 35/63,5 = 0,55; (h/H)^0.5 = (10/150)^0.5 < 0,3.

Из графика (рис.2.3, ) m = 0,54.

С увеличением расстояния на 5 км уменьшились напряженности полей, но во 11-111 диапазонах они еще соответствуют рекомендациям табл. 1.3, а в IV диапазоне уровень напряженности поля меньше необходимого. Произведя расчеты для R=35 км, найдем значения коэффициентов усиления антенн в точке приема:

Е4=(2,18* 0,54 *150* 10*1^0.5)/3,41 • 1225= 0,422 мВ;

Е10 =(2,18 *0,54 * 150 * 10 • 1^0.5) / 1,43 • 1225 = 1,008 мВ;

Е30 = (2,18* 0,54* 150 * 10 * 1^0.5) / 0,54 • 1225 = 2,669 мВ.

Отсюда действующая длина антенн соответственно будет равна:

l4= 377/671 = 0,561;

l10=325/1600=0,203;

l30 = 403/4238 = 0,095.

Определим коэффициенты усиления приемных антенн при полученных ранее коэффициентах затухания и КПД фидера:

G4 = (0,687/0,16* 3,4.1 )^2 /0,66 = 2,4;

G10 = (0,248/0,16 • 1.43)^2 /0,52 = 2,26;

С30 = (0,116/0,16 . 0.54)^2 /0,35 = 5,15.

Полученные значения в разах переведем в децибелы (см. приложение 3) и получим следующие значения:

G4 = 7,6 дБ; G10 = 7,08 дБ; С30 = 14,23 дБ.

Полученные в ходе расчетов данные позволяют выбрать конкретный тип антенны (при расстоянии от передающего центра 35 км) из табл. 2.4 или приложения 5.

Расчет напряженности поля по формулам — процесс трудоемкий, а в ряде случаев вообще невозможен. Поэтому на практике для определения напряженности поля широко используют графики и таблицы, построенные с учетом результатов многочисленных измерений, выполненных в реальных условиях. Вычисления удобно вести в децибелах относительно опорного уровня, за который обычно принимают 1мкВ/м. Ввиду непостоянства поля во времени, особенно на больших расстояниях, для его характеристики используется средний уровень, называемый медианным значением уровня принимаемого сигнала Емед. Этот уровень можно ориентировочно оценить по зависимостям медианного значения (кривым распространения МККР) напряженности поля от расстояния:

- на расстояниях менее 10 км — по рис. 2.8;

- на расстояниях свыше 10 км, — по рис. 2.9 для I-III диапазона и по рис. 2.10 для IV-V диапазонов [2.6].

Рис.2.8. Кривые распространения ОВЧ и УВЧ

В настоящее время имеется множество телевизионных станций, передающих по несколько программ на различных частотных каналах. Для их приема можно использовать широкополосные антенны (логопериодические и др.), обеспечивающие прием в нескольких диапазонах. Однако применять эти антенны можно лишь при достаточной величине принимаемого сигнала. Если величина сигнала в месте приема невелика, то при использовании таких антенн требуется установка антенного усилителя для увеличения соотношения сигнал/шум на входе телевизионного приемника.

Применять антенный усилитель желательно и в тех случаях, когда телевизионный приемник не обладает достаточным запасом коэффициента усиления. В этом случае удается получить заметное улучшение качества приема, в первую очередь на телевизионных приемниках низких классов.

Устанавливать антенный усилитель наиболее целесообразно в непосредственной близости от антенны (либо непосредственно на ней),

Рис. 2. 9. Кривые распространения ОВЧ (I -III диапазон)

Рис. 2. 10. Кривые распространения УВЧ (IV - V диапазон)

что позволит уменьшить потери в фидере, а при достаточном сигнале -подключить к одной антенне несколько телевизоров.

Кроме типовых антенн для приема многоканального телевидения нашли применение активные и комбинированные (совмещенные) антенны, описанные в разд. 3. По конструктивному исполнению в комбинированных антеннах совмещают одинаковые, либо разные виды антенн, находящиеся в одной или в нескольких плоскостях (для приема волн различных поляризаций).

На небольших расстояниях от телецентра (до 10 км) используют, как правило, простые антенны. С увеличением расстояния (10... 30 км) можно применять антенны с коэффициентом усиления, рекомендованным в табл. 1. 3. При значительном удалении необходимо применять высокоэффективные (с узкой диаграммой направленности) с большим коэффициентом усиления антенны (многоэлементные).

Специалистам и радиолюбителям известно, что для приема сигналов в удаленных от телецентра местностях наиболее эффективны многоэтажные антенны с большим коэффициентом усиления. Однако для установки такой системы антенн требуется опыт и квалификация. Практическая реализация дальнего приема может быть осуществлена многоэлементной антенной соответствующего диапазона, либо канальной (см. табл. 2. 4 или приложение 5} с применением дополнительного усилителя.

Если передающие центры расположены в разных направлениях (на значительных удалениях), при переходе с приема одной программы на другую антенну приходится переориентировать, что создает значительные неудобства. В таких случаях хорошие результаты получаются при использовании нескольких узкополосных высокоэффективных антенн, направленных на разные передающие центры и согласованных с помощью специальных согласующих устройств.

Необходимо помнить, что антенна должна быть установлена так, чтобы она обеспечивала максимальный прием полезного сигнала от телевизионного центра и максимально ослабляла действие помех.

Описанию промышленных антенн посвящен разд. 3, а антенным усилителям — разд. 4 и 5.