Основные параметры телевизионных антенн
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.
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.
Содержание статьи
-
Полоса пропускания антенны.
-
Поляризация электромагнитных волн.
-
Входной импеданс антенны.
-
Коэффициент стоячей волны (KСВ).
-
Диаграмма направленности (ДН).
-
Коэффициент направленного действия (КНД).
-
Коэффициент усиления (КУ).
-
Коэффициент полезного действия (КПД).
-
Шумовая температура антенны.
Краткие сведения об основных параметрах телевизионных антенн
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.
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.
(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.
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.
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 антенны - это графическое изображение коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны в полярной системе координат в зависимости от направления антенны в пространстве.
Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенны в различных направлениях в пространстве. Для передающей антенны рассматривают (ДН) по напряженности поля или по уровню его мощности. Направление максимального излучения - главный лепесток антенны, остальные лепестки (ДН) антенны являются побочными, в т.ч. и задний лепесток. Для удобства строят нормированные (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нормированной диаграмме направленности величина главного лепестка принимается за единицу, остальные лепестки рисуются пропорционально в масштабе относительно главного.
Для телевизионных антенн уменьшение угла раскрыва главного лепестка и подавление боковых лепестков приводит к повышению качества приёма сигнала: уменьшается уровень "пролаза" паразитных излучений источников помех, повышается чёткость картинки изображения за счёт устранения, в некоторых случаях, повторов изображения. Хорошее качество изображения могут обеспечить только многоэлементные узконаправленные антенны.
Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. Чем больше размер антенны при хорошем качестве зеркала, тем уже (ДН) и соответственно устойчивей приём со спутника.
Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенны в различных направлениях в пространстве. Для передающей антенны рассматривают (ДН) по напряженности поля или по уровню его мощности. Направление максимального излучения - главный лепесток антенны, остальные лепестки (ДН) антенны являются побочными, в т.ч. и задний лепесток. Для удобства строят нормированные (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нормированной диаграмме направленности величина главного лепестка принимается за единицу, остальные лепестки рисуются пропорционально в масштабе относительно главного.
Для телевизионных антенн уменьшение угла раскрыва главного лепестка и подавление боковых лепестков приводит к повышению качества приёма сигнала: уменьшается уровень "пролаза" паразитных излучений источников помех, повышается чёткость картинки изображения за счёт устранения, в некоторых случаях, повторов изображения. Хорошее качество изображения могут обеспечить только многоэлементные узконаправленные антенны.
Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. Чем больше размер антенны при хорошем качестве зеркала, тем уже (ДН) и соответственно устойчивей приём со спутника.
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.
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.
Рис. 1
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.
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.
Рис. 2
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)
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).
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.
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.
