Входное сопротивление антенны. Об антеннах, коаксиальных кабелях и ксв, по-простому о сложном Зависимость волнового сопротивления антенны от длины

В. Поляков, RA3AAE

В этой статье нет ничего нового, она позволяет лишь взглянуть под иным углом зрения на давно известные факты, а также может послужить общеобразовательным целям. Есть и немного ностальгии…

Хорошо известно, что электрически короткие проволочные или штыревые антенны (длиной менее четверти волны) имеют емкостное реактивное сопротивление X и малое активное сопротивление излучения r, причем первое растет с укорочением антенны, а второе - уменьшается. Потери в самой антенне весьма малы, это подтверждают и программы моделирования антенн, например MMANA, показывая высокий КПД. Потери возникают в согласующей катушке (удлиняющей, либо контурной) и в заземлении.

Эквивалентную схему короткой заземленной приемной антенны обычно изображают так, как на рис. 1 справа. Е обозначает напряженность поля принимаемого сигнала, а hд - действующую высоту антенны. Слева показана сама антенна и распределение тока в ней. Оно синусоидальное, но для коротких антенн его приближенно считают треугольным.

Емкостное сопротивление Х и сопротивление излучения r антенны определяют по формулам, приводимым во многих книгах и учебниках:
X = Wctg(2ph/l), и r = 160p2(hд/l)2,

где W - волновое сопротивление провода антенны.

Формулы удается упростить, введя волновое число k = 2p/l и заменив умножение на котангенс делением на тангенс, а его, в свою очередь, заменив аргументом, ввиду его малости (h << l). С учетом того, что действующая высота hд антенны в виде короткого вертикального провода равна половине геометрической h из-за треугольного распределения тока, получим:

X = W/kh, и r = 10(kh)2.

К сожалению, эквивалентная схема на рис. 1 недостаточно наглядна, поскольку не показывает реального шунтирования входа приемника антенной. Целесообразно воспользоваться правилами преобразования последовательного соединения емкости и активного сопротивления в паралельное (см. книги по теории цепей). Для нашего случая, когда r << X, они очень просты (рис. 2).


Получившаяся эквивалентная схема приемной антенны показана на рис. 3, и из нее видно, что импеданс антенны определяется параллельно включенными емкостью С и резистором R. Этот импеданс шунтирует вход приемника независимо от того, есть напряжение сигнала на антенне, или его нет. Емкость С - это просто емкость антенны, для тонкого провода ее легко найти из расчета 5...7 пФ/м, а для относительно "толстых" телескопических антенн - 8...12 пФ/м.

Сопротивление R найдем, подставив в последнюю формулу на рис. 2 найденные выше значения X и r:
R = W2/10(kh)4.

Для тонкого провода в свободном пространстве W обычно полагают равным 600 Ом. Подставляя это значение, а также k = 2p/l, получим расчетную формулу:
R = 23(l/h)4.

С ее помощью, для иллюстрации, посчитаем емкость и сопротивление короткой проволочной вертикальной антенны для частоты 1 МГц (средняя частота диапазона СВ) и полагая сопротивление заземления равным нулю.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Они поражают. Из таблицы видно, что эквивалентное (параллельное входу) активное сопротивление короткой вертикальной антенны огромно. Оно практически не шунтирует вход приемника. Это позволяет при низком входном сопротивлении приемника не учитывать активное сопротивление антенны R и считать, что на вход приемника поступает только емкостный ток через С (рис. 3). Тогда напряжение на входе приемника удается рассчитать просто по закону Ома.

Пример: к 50-омному входу приемника, работающего в диапазоне СВ, подключена 3-х метровая вертикальная антенна. Ее емкостное (18 пФ) сопротивление на частоте 1 МГц более 8 кОм. При напряженности поля радиостанции 10 мВ/м наведенное на антенне напряжение будет: E.hд = 10мВ/м.1,5м = 15 мВ. Емкостный ток получается около 15мВ/8кОм = 2мкА. Помножив его на сопротивление входа (50 Ом) получаем напряжение на входе около 100 мкВ.

Из примера видно, что короткие антенны не могут развить на низкоомном входе приемника большого напряжения. В то же время на входе приемника с высокоомным входом (значительно более 8 кОм) та же антенна могла бы развить напряжение, близкое к E.hд, т. е. около 15 мВ. Именно такими и были старинные радиоприемники - одноламповые регенераторы, прямого усиления, и даже ламповые супергетеродины.

В одноконтурных регенераторах антенну подключали к контуру либо непосредственно, либо через конденсатор связи небольшой емкости (рис. 4). Непосредственное подключение (гнездо А2) годится только для совсем коротких антенн с небольшой емкостью, которая компенсируется соответствующим уменьшением контурной емкости С2. Длинную антенну нельзя включать в гнездо А2, ибо это привело бы к сильной расстройке и внесению большого затухания в контур. Ее включали в гнездо А3, причем конденсатор связи С2 в разумно спроектированных конструкциях делали регулируемым, например 8…30 пФ, что позволяло ослаблять связь с антенной при сильных сигналах и больших помехах.

Резонансное сопротивление контура достигает на частотах СВ диапазона сотен килоом, а на ДВ еще больше. В регенераторах его надо еще помножить на коэффициент регенерации, тогда получаются многие мегаомы. Как видим, старинные приемники очень хорошо подходили для работы с короткими проволочными антеннами, имея очень высокое входное сопротивление. Не изменилась ситуация и в приемниках прямого усиления с УРЧ и супергетеродинах.

В эпоху до широкого применения магнитных антенн для связи с антенной использовали катушку L1 имевшую в 4…5 раз больше витков, чем контурная. Рассчитывали, чтобы эта катушка с емкостью «стандартной» антенны образовывала резонансный контур, настроенный на частоту ниже самой нижней частоты диапазона. Тогда выравнивался коэффициент передачи входной цепи по диапазону. Расчет и графики можно найти в учебниках по радиоприемным устройствам. Но в них не упоминают другой эффект от такого решения. Сопротивление контура трансформировалось к антенне в 16…25 раз при сильной связи и несколько меньше при слабой. Опять таки входное сопротивление приемника получалось несколько мегаом и более.

Приведенные данные ясно показывают, что для экспериментов с уникальными слаботочными антеннами (метелочными, костровыми и т. д.) нужны именно приемники с высокоомным входом, включающим настроенный контур, лампу или полевой транзистор.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярно или эллиптически - поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление).
(см. Большой энциклопедический политехнический словарь)
На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли.
Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ- линейный конвертор, а для Триколор ТВ - циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. Входное сопротивление антенны состоит из суммы сопротивления излучения антенны и сопротивления потерь: Z = R(изл) + R (пот). R(изл) - в общем случае величина комплексная. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет - индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной - емкостной характер, что вызывает потерю мощности на границах рабочей полосы антенны. R (пот) - сопротивление потерь антенны зависит от многих факторов, например, от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям, омических потерь в элементах и проводах антенны, потерь в изоляции. Входной импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением передатчика) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.
У телевизионных антенн входной импеданс: логопериодической антенны - 75 Ом, у волнового канала - 300 Ом. Для антенн волнового канала при использовании телевизионного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом требуется согласующее устройство, ВЧ трансформатор.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывается следующим образом:
KСВ = 1 / KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр), где U пад и U отр - амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.
С амплитудами падающей (U пад) и отраженной (U отр) волн в линии КБВ связано соотношением: KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр)
В идеале КСВ=1, значения до 1,5 считаются приемлемым.

Диаграмма направленности (ДН)

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1). Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности - промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля. Другая система линий, образующих координатную сетку, представляет собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.

Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°). Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е. под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° - 0,5 максимальной и т. д.

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области - 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности (пунктирная линия на рис. 2).
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора можно также определить, пользуясь диаграммой направленности по мощности, по ее спаду до уровня 0,5 от максимальной (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях численное значение угла раствора получается, естественно, одним и тем же.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжениюопределяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия: (КНД) передающей антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной (полуволновый вибратор - диполь, коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 или 2,15 дБ) при одинаковой подводимой мощности. (КНД) является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Чем уже главный лепесток (ДН) и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.
Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности КУ(Мощ.), который связан с (КНД) соотношением:
КУ(Мощ.) = КНД - КПД (коэффициент полезного действия антенны)

Коэффициент усиления (КУ)

Коэффициент усиления (КУ) антенны - отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля при излучении мощности, а при приёме - отношение мощностей, выделяемых на согласованных нагрузках антенн.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).
Усиление антенны характеризуется выигрышем по мощности (напряжению), которая выделяется в согласованной нагрузке, подключенной к выходным зажимам рассматриваемой антенны, по сравнению с "изотропной" (то есть имеющей круговую ДН) антенной или, например, полуволновым вибратором. При этом надо учитывать направленные свойства антенны и потери в ней (КПД). У телевизионных приёмных антенн (КУ) равен, примерно, коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, т.к. коэффициент полезного действия таких антенн находится в пределах 0,93…0,96. Коэффициент усиления широкополосных антенн зависит от частоты и неравномерен во всей полосе частот. В паспорте на антенну нередко указывают максимальное значение (КУ).

Коэффициент полезного действия (КПД)

В режиме передачи, (КПД) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

После ряда экспериментов со спиральными антеннами был построен график

входного сопротивления дипольной и вертикальной спиральной антенн в зависимости от коэффициента укорочения (рис. 6.9) в диапазоне 7…28 МГц. Антенны были выполнены на диэлектрическом каркасе диаметром от 10 мм до 10 см, намотка спирали была равномерной, использовался провод диаметром более 0,5 мм.

Как показали опыты, для укороченных спиральных антенн, имеющих К = 2…10, изменение диаметра их каркаса в пределах 1…10 см не влияет в значительной степени на входное сопротивление. Однако для сильно укороченных спиральных антенн с К > 10 полученные мной результаты показали, что входное сопротивление в значительной мере зависит от диаметра их диэлектрического каркаса и от частоты, на которой спиральная антенна имеет резонанс, поэтому для них такого простого графика, как на рис. 6.9 получить не удалось.

Как видно из этого графика, для питания дипольных и вертикальных спиральных антенн с К > 3 подходит коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50 Ом, электрической длиной кратной половине длины волны работы антенны. В некоторых случаях вертикальные антенны первоначально имели входное сопротивление значительно большее, чем на рис. 6.9, но настройка «земли» антенны в резонанс позволяла его понизить. Подключение коаксиального кабеля к вертикальной антенне обычно незначительно изменяет ее входное сопротивление на конце подключения кабеля к трансиверу, в этом случае изменение входного сопротивления

происходит в сторону уменьшения. Дипольная спиральная антенна по

сравнению с вертикальной обычно имеет входное сопротивление более приближенное к показанному на графике. Однако, подключение коаксиального кабеля к дипольной спиральной антенне может привести к тому, что сопротивление антенны будет значительно отличаться от указанного на графике, причем, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Ферритовые кольца в количестве не менее 10 шт., установленные на концах коаксиального кабеля, уменьшают его влияние

на входное сопротивление, но не устраняют полностью. Если коэффициент удлинения спиральной антенны превышает 5, на конце коаксиального кабеля, питающего антенну, целесообразно устанавливать высокочастотный дроссель не из ферритовых колец, а в виде 5–20 витков коаксиального кабеля диаметром 10…20 см.

Изменение диаметра спирали и диаметра провода, используемого для намотки реальной укороченной антенны, не оказывает значительного влияния на входное сопротивление антенны. Происходит это потому, что при увеличении диаметра спирали антенна излучает более эффективно, следовательно, возрастает сопротивление излучения антенны, и возрастает ее входное сопротивление. При уменьшении диаметра спирали, эффективность излучения антенной электромагнитных волн уменьшается, поэтому падает сопротивление излучения, но возрастают диэлектрические потери в каркасе спирали. Рост диэлектрических потерь приводит к росту входного сопротивления спиральной антенны. Очевидно, что для увеличения эффективности работы спиральной антенны необходимо использовать для изготовления ее спирали провод как можно большего диаметра и диаметр витков спирали должен быть максимально возможным для практического выполнения антенны. Каркас, на котором выполнена спираль антенны, должен иметь малые диэлектрические потери. В конструкции спиральной антенны желательно использовать равномерную намотку спирали.

Вопросы проектирования, изготовления и использования антенн для диапазонов длинных (ДВ), средних (СВ), и коротких (KB) волн содержат значительно меньше проблем, чем антенн для диапазона УКВ, особенно телевизионных. Дело в том, что в диапазонах ДВ, СВ, KB передатчики, как правило, обладают большой мощностью, распространение радиоволн этих диапазонов связано с большими значениями дифракции и рефракции в атмосфере, и приемные устройства обладают высокой чувствительностью.

При передаче и приеме сигнала в диапазоне УКВ и в частности телевизионного сигнала обеспечение необходимых значений этих параметров вызывает ряд трудностей, а именно: достижение мощностей телевизионных передатчиков, таких как радиовещательных, оказалось пока невозможным; явления дифракции и рефракции в диапазоне УКВ незначительны; чувствительность телевизионного приемника ограничена уровнем его собственных шумов и составляет из-за необходимости приема широкополосного сигнале примерно 5 мкВ. Поэтому для получения на экране телевизора высокого уровня изображения уровень входного сигнала 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. Отсюда возникает одно из главных требований, предъявляемых к телевизионной антенне: при данной напряженности поля в точке приема антенна должна обеспечить необходимое напряжение сигнала для нормальной работы телевизионного приемника.

Приемная антенна представляет собой одиночный провод или систему проводов, предназначенных для преобразования энергии электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты. Параметры антенн при работе на прием и на передачу идентичны, поэтому можно применять принцип взаимности антенных устройств, дающих возможность некоторые характеристики и параметры антенн определять в режиме передачи, а другие в режиме приема.

Радиоволны, попадая на окружающие предметы, наводят в них электрические токи высокой частоты. Последние создают электромагнитное поле, и происходит отражение электромагнитной волны. Антенна принимает как прямые, так и отраженные радиоволны, которые приводят к искажению изображения на экране телевизора.

Экспериментальные исследования показали, что при использовании вертикальной поляризации к месту приема приходит значительно больше отраженных волн, чем при использовании горизонтальной поляризации. Это объясняется тем, что в окружающем пространстве, особенно в городах, имеется множество вертикальных, хорошо отражающих препятствий (здания, столбы, трубы, магниты). При выборе вида поляризации учитываются и свойства антенн. Конструктивно горизонтальные антенны проще вертикальных. Почти все они обладают направленностью в горизонтальной плоскости, что ослабевает прием помех и отраженных волн за счет пространственной избирательности.

Приемные телевизионные антенны должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Иметь простую и удобную в эксплуатации конструкцию;

Высокую пространственную избирательность;

Пропускать широкую полосу частот;

Обеспечивать высокое отношение уровня сигнала к уровню помех при приеме;

Обладать слабой зависимостью входного сопротивления и коэффициента усиления от частоты.

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны. Входное сопротивление определяется отношением направления на зажимах антенны к току на входе фидера. Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и телевизором: только при этом условии на вход телевизора поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению телевизора.

Входное сопротивление антенны имеет активную и реактивную составляющие. Входное сопротивление настроенной в резонанс антенны чисто активно. Оно зависит от типа антенны и ее конструктивных особенностей. Например, входное сопротивление линейного полуволнового вибратора составляет 75 Ом, а петлевого вибратора - около 300 Ом.

Согласование антенны с кабелем характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ). При отсутствии идеального согласования антенны и кабеля имеет место отражение падающей волны (входного напряжения), например, от конца кабеля или другой точки, где его свойство резко меняется. В этом случае вдоль кабеля распространяются в противоположных направлениях падающая и отраженная волны. В тех точках, где фазы обеих волн совпадают, суммарное напряжение максимально (пучность), а в точках, где фазы противоположны, оно минимально (узел).

Коэффициент бегущей волны определяется соотношением:

В идеальном случае КБВ= 1 (когда имеет место режим бегущей волны, т. е. ко входу телевизора передается сигнал максимально возможной мощности, т. к. в кабеле нет отраженных волн). Это возможно при согласовании входных сопротивлений антенны, кабеля и телевизора. В худшем случае (когда U min =0 ) КБВ=0 (имеет место режим стоячей волны, то есть амплитуды падающей и отраженной волн равны, и энергия вдоль кабеля не передается).

Коэффициент стоячей волны определяется соотношением:

Приемная ненаправленная антенна принимает сигналы со всех направлений. Направленная приемная антенна обладает пространственной избирательностью. Это имеет важное значение, т. к. при малом уровне направленности поля в месте приема такая антенна увеличивает уровень принимаемого сигнала и ослабляет внешние помехи, приходящие с других направлений.

Коэффициент направленного действия приемной антенны представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность, поступающая на вход телевизора при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности. Диаграмма направленности приемной антенны представляет собой графическое изображение зависимости напряжения сигнала на входе телевизора от угла поворота антенны в соответствующей плоскости. Эта диаграмма характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от направления прихода сигнала. Строится она в полярной или прямоугольной системе координат. На рис. 1, 2 представлены диаграммы направленности антенны типа «волновой канал».

Рис. 1. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

Диаграммы направленности антенн чаще всего являются многолепестковыми. Лепесток, соответствующий направлению прихода волны при котором в антенне наводится максимальная ЭДС, называется главным. В большинстве случаев диаграмма направленности имеет еще обратный (задний) и боковые лепестки. Для удобства сравнения между собой различных антенн их диаграммы направленности нормируют, т. е. строят в относительных величинах, принимая наибольшую ЭДС за единицу (или за сто процентов).

Основными параметрами диаграммы направленности являются ширина (угол раствора) главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность.

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат

Уровень боковых и задних лепестков характеризует помехозащищенность антенны. Она определяется с помощью коэффициента защитного действия (КЗД) антенны, под которым понимают отношение мощности, выделяемой антенной на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к мощности на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Часто коэффициент защитного действия выражают в логарифмических единицах - децибелах:

Направленные свойства антенны характеризуются также коэффициентом направленного действия (КНД) - числом, показывающим, во сколько раз мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при приеме на данную направленную антенну, больше мощности, которую можно было бы получить при приеме на ненаправленную или направленную эталонную антенну. В качестве эталонной антенны чаще всего используют полуволновый вибратор (диполь), коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 (или 2,15 дБ). КНД характеризует предельно возможный выигрыш по мощности, который может дать антенна благодаря своим направленным свойствам в предположении, что в ней полностью отсутствуют потери. В действительности любая антенна обладает потерями и даваемый ею выигрыш по мощности всегда меньше предельно возможного. Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности К р , который связан с КНД соотношением:

где η - коэффициент полезного действия (КПД) антенн.

КПД антенны характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, то есть к полной мощности, которая подводится к антенне от передатчика:

где P u - мощность излучения, P n - мощность потерь.

Полоса пропускания приемной телевизионной антенны представляет собой спектр частот, в пределах которого выдержаны все основные значения ее электрических характеристик. Частотная характеристика настроенной антенны подобна резонансной кривой колебательного контура. Поэтому по аналогии с полосой пропускания контура может быть определена и полоса пропускания антенны.

На резонансной (фиксированной) частоте антенна имеет определенную величину входного сопротивления, которое согласуется с сопротивлением нагрузки. За такую частоту обычно принимается средняя частота телевизионного канала, на которой реактивное сопротивление антенны равно нулю. На частотах ниже резонансной она носит емкостной характер, а на частотах выше резонансной - индуктивный.

Таким образом, изменение частоты приводит как к изменению активной составляющей, так и к появлению реактивной составляющей входного сопротивления. Вследствие этого мощность, подводимая к нагрузке, уменьшается.

Особенно это заметно на крайних частотах, наиболее удаленных от резонансной частоты. Допустимо уменьшение мощности не более чем в два раза. Исходя из этого шириной полосы пропускания 2Af считается такой спектр частот вблизи резонансной частоты в пределах которого подводимая к нагрузке мощность уменьшится не более чем в два раза.

Для обеспечения хорошего качества приема антенна должна пропускать весь спектр частот телевизионного сигнала, который для одного канала равен 8 МГц. Качество изображения остается еще достаточно хорошим, если антенна пропускает полосу частот не менее 6 МГц. Дальнейшее сужение полосы частот приводит к ухудшению качества изображения и к потере его четкости. Самый эффективный метод расширения полосы пропускания - уменьшение эквивалентного волнового сопротивления вибратора за счет увеличения его поперечных размеров. Таким путем увеличивается погонная емкость и уменьшается погонная индуктивность вибратора. Кроме всего прочего полоса пропускания антенны ограничивается и полосой пропускания фидера снижения.

Общие сведения

Антенны - радиотехнические устройства, предназначенные для приема или излучения электромагнитных волн. Антенны является составной частью любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиорелейной связи, радиолокации и др.
Конструктивно антенны представляет собой набор трубок, металлических пластин, проводов, металлических рупоров, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, волноводов с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, диэлектриков и магнитодиэлектриков.
Принцип работы: электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом, сформированные в передающем устройстве, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство.
Связь между передающим устройством и антенной осуществляется с помощью фидера (специальный кабель).
Электромагнитные волны, поступающие через фидер от передатчика, преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.
Приемная антенна улавливает радиоволны, распространяемые в свободном пространстве (эфире) и преобразует их в высокочастотный сигнал, подводимый с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости, свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме.

Краткие сведения об основных параметрах антенн

К основным характеристикам и параметрам приёмных и передающих антенн относятся:

полоса пропускания

поляризация

входной импеданс

коэффициент стоячей волны

диаграмма направленности

коэффициент направленного действия

коэффициент усиления антенны

коэффициент полезного действия антенны

шумовая температура антенны

Полоса пропускания антенны

Ширина полосы пропускания - это область рабочих частот антенны, где уровень принимаемого или излучаемого антенной сигнала находится в пределах 0.7 от максимальной амплитуды сигнала, а мощность в пределах 0.5 от максимальной мощности сигнала. Ширина полосы пропускания измеряется в единицах частоты (например, в кГц).
С шириной полосы пропускания антенны непосредственно связана неравномерность амплитудно-частотной характеристики антенны (АЧХ). Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот и измеряется в децибелах. Чем лучше рассчитана и выполнена антенна, тем равномерней её АЧХ. Приёмные телевизионные антенны, в основном, широкополосные. Диапазонные телевизионные антенны 1-го, 2-го метровых и дециметрового диапазонов охватывают полосу частот от 48.5 МГц до 862 МГц.
От неравномерности АЧХ антенны сильно зависит качество приёма: при значительной неравномерности АЧХ отдельные телевизионные каналы будут приниматься антенной со значительным ослаблением, если их частота совпадет с провалами АХЧ антенны, что особенно заметно при удалённом приёме сигналов с телецентра.
Неравномерность АЧХ приёмного и передающего тракта зависит не только от качества самой антенны, но и от качества её согласования с фидером (кабелем) и качества самого фидера (кабеля).
У цифрового сигнала неравномерность АЧХ искажает форму принимаемого и передаваемого сигнала.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости (в случае упругих волн) или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей (в случае электромагнитных волн), в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярной или эллиптически - поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление).
(см. Большой энциклопедический политехнический словарь)
На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли.
Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ - линейный конвертор, а для Триколор ТВ - циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.

Входной импеданс антенны

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках.
Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. Входное сопротивление антенны состоит из суммы сопротивления излучения антенны и сопротивления потерь: Z = R(изл) + R (пот). R(изл) - в общем случае величина комплексная.
В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет - индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной - емкостной характер, что вызывает потерю мощности на границах рабочей полосы антенны. R (пот) - сопротивление потерь антенны зависит от многих факторов, например, от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям, омических потерь в элементах и проводах антенны, потерь в изоляции. Входной импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением передатчика) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.
У телевизионных антенн входной импеданс: логопериодической антенны - 75 Ом, у волнового канала - 300 Ом. Для антенн волнового канала при использовании телевизионного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом требуется согласующее устройство, ВЧ трансформатор.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить. КСВ рассчитывается следующим образом:
KСВ = 1 / KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр), где U пад и U отр - амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.
С амплитудами падающей (U пад) и отраженной (U отр) волн в линии КБВ связано соотношением: KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр)
В идеале КСВ=1, значения до 1,5 считаются приемлемым.

Диаграмма направленности (ДН)

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1). Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности - промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля. Другая система линий, образующих координатную сетку, представляет собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.
Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°). Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е. под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° - 0,5 максимальной и т. д.

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области - 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности (пунктирная линия на рис. 2).
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора можно также определить, пользуясь диаграммой направленности по мощности, по ее спаду до уровня 0,5 от максимальной (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях численное значение угла раствора получается, естественно, одним и тем же.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия: (КНД) передающей антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной (полуволновый вибратор - диполь, коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 или 2,15 дБ) при одинаковой подводимой мощности. (КНД) является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Чем уже главный лепесток (ДН) и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.
Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности КУ (Мощ.), который связан с (КНД) соотношением:
КУ (Мощ.) = КНД - КПД (коэффициент полезного действия антенны)

Коэффициент усиления (КУ)

Коэффициент усиления (КУ) антенны - отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля при излучении мощности, а при приёме - отношение мощностей, выделяемых на согласованных нагрузках антенн.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).
Усиление антенны характеризуется выигрышем по мощности (напряжению), которая выделяется в согласованной нагрузке, подключенной к выходным зажимам рассматриваемой антенны, по сравнению с "изотропной" (то есть имеющей круговую ДН) антенной или, например, полуволновым вибратором. При этом надо учитывать направленные свойства антенны и потери в ней (КПД). У телевизионных приёмных антенн (КУ) равен, примерно, коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, т.к. коэффициент полезного действия таких антенн находится в пределах 0,93…0,96. Коэффициент усиления широкополосных антенн зависит от частоты и неравномерен во всей полосе частот. В паспорте на антенну нередко указывают максимальное значение (КУ).

Коэффициент полезного действия (КПД)

В режиме передачи, (КПД) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

Шумовая температура

Шумовая температура антенны - характеристика мощности шумов антенны по всём диапазоне принимаемых частот. Сами антенны не "шумят". Источником шумов являются объекты на Земле и в космосе. Чем уже диаграмма направленности антенны, тем меньше влияют на неё шумы. На Земле" шумят" все предметы, атмосфера и сама Земля, поэтому шумы антенны зависят от её угла места и наличия посторонних предметов в направлении приёма (ветки деревьев и др.).Источниками шумов являются и электромагнитные излучения, вызванные деятельностью человека. Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30 градусов - 25-30 К.
Шумы окружающего пространства и приёмного тракта (конвертор + ресивер) повышают порог устойчивой работы приёмной системы для спутникового сигнала, на практике это приводит к увеличению размеров тарелки, т.к. применение малошумящих конверторов и ресиверов даёт меньший эффект.