3.1. Параметры ТВ антенн

Антенна — устройство, которое излучает подведенную к нему высокочастотную энергию в виде электромагнитных волн в окружающее пространство (передающая антенна) или принимает высокочастотную энергию свободных колебаний (приемная антенна) и превращает ее в энергию электромагнитных колебаний, поступающую по фидеру на вход приемного устройства.

Передающая и приемная антенны обладают свойством взаимности, т. е. одна и та же антенна может излучать или принимать электромагнитные волны, причем в обоих режимах она имеет одинаковые свойства (параметры).

К передающим антеннам предъявляют дополнительные требования, связанные с большими подводимыми мощностями ВЧ энергии, поэтому конструктивно приемные антенны проще передающих.

Свойства взаимности широко используются для определения характеристик антенн, т. к. некоторые параметры проще определять в режиме передачи, чем в режиме приема. Каждая антенна имеет целый ряд определенных характеристик, необходимых для оценки ее качества.

К основным параметрам приемных телевизионных антенн относятся следующие:

РАБОЧИЙ ДИАПАЗОН ЧАСТОТ (полоса пропускания) - это интервал частот, в котором выдержаны все основные параметры приемной телевизионной антенны: согласование, коэффициент усиления, коэффициент защитного действия и др. За полосу пропускания принимается спектр частот (определяется принимаемыми телевизионными каналами), на границах которого мощность принятого сигнала уменьшается не более чем в два раза.

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ приемной антенны характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве. Строится она в полярной (сферической) — рис. 3. 1 или в прямоугольной системах (рис. 3. 2) координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной).

При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме откладываются величины, соответствующие отношению Е/Е max. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС, соответствующие различным направлениям прихода сигнала, то можно построить диаграмму направленности по мощности.

Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные — боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку).

Рис. 3. 1. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

Рис. 3. 2. Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат

Для удобства сравнения диаграмм направленности разных антенн их обычно нормируют, для чего максимальную величину ЭДС принимают за единицу.

Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого ЭДС, наведенная в антенне электромагнитным полем, спадает до уровня 0, 707, или мощность, спадающая до уровня 0, 5 от максимальной. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.

Форма диаграммы направленности зависит от типа и конструкции антенны. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости, напоминает восьмерку, а в вертикальной — круг. Антенна «волновой канал» в своей диаграмме направленности имеет ярко выраженный главный лепесток, а с увеличением числа директоров в антенне главный и боковые лепестки сужаются, при этом улучшаются направленные свойства антенны.

КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ (КНД)

характеризует направленные свойства антенн и представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность сигнала, принятая антенной, больше мощности, которую примет эталонная антенна (полуволновой вибратор). КНД (D) зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости. Приближенная формула имеет вид:

D= 41200* k^2/H* V, (3. 1)

где k — коэффициент, равный 1°;

Н — ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, град.;

V— ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости, град.

На практике часто требуется оценить КНД по отношению не к ненаправленной, а к дипольной антенне. В этом случае значение КНД, вычисленное по указанной формуле, должно быть уменьшено в 1, 64 раза. Для расчета КНД в децибелах берут 10 десятичных логарифмов значения КНД [D(дБ) = 10 Ig D] и для расчета по отношению к диполю уменьшают полученное значение на 2,15 дБ [З].

КНД связан с коэффициентом усиления по мощности Gp соотношением:

Gp = D *n, (3.2)

где: n — коэффициент полезного действия антенны.

На метровых и дециметровых волнах КПД для приемных антенн близок к единице — около 0,95 [3.3].

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ показывает, насколько уровень наводимого в ней сигнала превышает уровень сигнала на эталонной антенне. В качестве эталонной антенны принимают полуволновый вибратор или изотропную антеннну (полностью ненаправленная антенна, имеющая пространственную диаграмму направленности в виде сферы). Реально таких антенн нет, но она является удобным эталоном, с помощью которого можно сравнивать параметры существующих антенн. Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 2. 15 дБ (1. 28 раза по напряжению или 1. 64 раза по мощности). Следовательно, если возникнет необходимость пересчитать коэффициент усиления антенны по напряжению или по мощности относительно изотропной антенны, то необходимо разделить известную величину на 1. 28 или 1. 64, в результате чего получим коэффициент усиления относительно полуволнового вибратора. Если G антенны указан в децибелах относительно изотропной антенны то для пересчета его относительно полуволнового необходимо вычесть 2. 15 дБ.

Например, если относительно изотропной антенны G = 6, 5 дБ, то относительно полуволнового вибратора G = 6, 5 - 2, 15 = 4, 35 дБ.

При сравнении антенн следует обращать внимание на то, в чем выражен коэффициент усиления — по напряжению или по мощности:

Gp=Ра/Рэ=10lgРа/Рэ (дБ); (3.3) Gu = Uа/ Uэ = 20 Ig Uа / Uэ (дБ); (3.4)

где Pa — мощность, принятая антенной;

Ра — мощность, принятая эталонной антенной;

Ua — напряжение на антенне;

Uэ — напряжение на эталонной антенне.

Среднее значение коэффициента усиления антенны в рабочей полосе частот — это среднее арифметическое значение коэффициентов усиления в децибелах, измеренных на средних частотах каждого из каналов, входящих в рабочую полосу частот, а также на крайних частотах этой полосы.

Неравномерность коэффициента усиления — отношение максимального коэффициента усиления к минимальному в полосе частот принимаемых каналов.

КОЭФФИЦИЕНТ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ (КЗД) определяет ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ АНТЕННЫ - это отношение напряжения, получаемого от антенны на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к напряжению на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Помехозащищенность в децибелах определяют по формуле:

КЗД = 20 Ig Е задн / Е гл. (дБ). (3.5)

В зарубежных источниках помехозащищенность выражают передне-задним отношением (ПЗО), которое характеризует меру направленности антенны для углов 0° и 180°. ПЗО представляет собой отношение напряжений, возникающих на входе антенны при облучении ее с этих направлений:

ПЗО = U0/U180: (3.6)

Для одной и той же антенны величины КЗД и ПЗО по модулю равны (величина КЗД — отрицательна). Встречается определение помехозащищенности, как уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности — это отношение ЭДС при приеме со стороны максимума наибольшего бокового лепестка к ЭДС при приеме со стороны максимума основного лепестка. Уровень боковых лепестков, представляют в относительных единицах или процентах.

УБЛ = (Емакс.бок / Емакс.гл.) • 100%. (3.7)

При конструировании антенн Уровень боковых и задних лепестков стремятся свести к минимуму, чтобы улучшить помехозащищенность антенн.

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ характеризует ее импедансные свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера. В общем случае входное сопротивление антенны Zвх содержит резистивную Rвх и реактивную Хвх (емкостную или индуктивную) составляющие:

Zвx = Rвx + Хвх (3.8)

Чем меньше реактивная составляющая Хвх и чем ближе Rвx к волновому сопротивлению фидера линии, тем лучше антенна согласована. Невыполнение условия согласования приводит к появлению многократных отражений сигналов в антенном фидере, проявляющихся в виде повторных, сдвинутых по горизонтали изображений на экране телевизора и частичной потере мощности принимаемых сигналов в фидере.

Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в резонанс с частотой принимаемых каналов. В случае, если антенна работает в широком диапазоне ТВ каналов, ее следует настраивать на среднюю частоту диапазона. Практически настройка сводится к подбору геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения клемм, к которым подводится фидерная линия. Резонанс антенны достигается в том случае, когда по длине вибратора укладывается целое число полуволн. Если число полуволн, укладывающихся вдоль вибратора, нечетное (l/2, З*l/2 и т.д.), то входное сопротивление мало (от 73 Ом при длине вибратора l/2 до 120 Ом при большем числе полуволн). Если же число полуволн четное l, 2*l, 3*l и т.д.), то входное сопротивление велико (от 400 - 500 Ом до 1- 2 кОм в зависимости от диаметра проводников).

На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной — индуктивный характер. Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ Чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шипе полоса ее пропускания.

КОЭФФИЦИЕНТ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (КБВ) показывает степень согласования приемной антенны с фидером (кабелем) снижения. Он численно равен отношению минимального напряжения (узел) линии к максимальному напряжению (пучность), которые имели бы место при измерении вдоль фидера при работе антенны в режиме передачи:

КБВ = Uмин / Uмакс (3.9a)

Выражается КБВ в относительных единицах: чем больше значение КБВ, тем эффективнее передача сигнала от антенны к телевизору. Полное согласование будет в том случае, когда сопротивление антенны Ra и волновое сопротивление фидера Rф равны (Ra = Рф). При чисто бегущей волне ток и напряжение по длине фидера не имеют ни минимума, ни максимума, а КБВ равен единице. Такой режим согласования практически получить трудно, вполне достаточно считать КБВ>0. 5, что соответствует снижению мощности принимаемого сигнала до 10% [3. 3]. Чем выше значение КБВ (в антеннах различных конструкций находится в пределах 0, 25... 0, 6), тем эффективнее передача сигнала от антенны к телевизору, выше качество приема.

КОЭФФИЦИЕНТ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ (КСВ) - величина, обратная КБВ:

КСВ =1/КБВ. (3. 96)

КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ представляет собой отношения амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны:

IPI = IUoтp/Unад.l (3.10)

ДЕЙСТВУЮЩАЯ (ЭФФЕКТИВНАЯ) ДЛИНА антенны характеризует способность приемной антенны извлекать электромагнитную энергию из окружающего пространства и определяется отношением ЭДС, наведенной в антенне, к напряженности электрического поля в месте расположения приемной антенны:

lд=U/Е (3.11)

где U — значение ЭДС на зажимах антенны, мВ;

Е — напряженность электрического поля в месте приема, мВ/м. Действующая длина антенны (lд, в метрах) связана с коэффициентом усиления и входным сопротивлением антенны следующим образом [6. 1]:

lд= (l /3.14) ( G*Ra / 73.1)^0.5, (3.12)

где l — средняя длина волны, м;

G — коэффициент усиления антенны;

Ra — сопротивление антенны. Ом;

.

Действующая длина полуволнового вибратора равна:

lд= l / 3.14 = 0,32*l (npu G=1, Ra=73,1 Ом). (3.13)

В общем случае напряжение на выходе антенны, согласованной с приемником, определяется как

U=lдE/2, (3.14)

где: U — значение ЭДС на выходе антенны, мкВ;

Е — напряженность электрического поля в месте приема, мкВ/м.

Обычно понятие действующей длины вводят для вибраторов с длиной плеча lп<= 0.7l.