Технические характеристики телевизионных антенн
Выбор необходимой конструкции ТА для своего загородного дома радиолюбитель может произвести с большой степенью точности на основании анализа или расчета технических характеристик и главных параметров
различных типов антенн с учетом влияния внешних климатических и механических нагрузок, действующих в данной местности. К таким нагрузкам относятся: температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, ветровые нагрузки, налипание мокрого снега и оледенение.
Контрастность и четкость изображения на телеэкране и качество звукового сопровождения целиком зависят от двух взаимосвязанных факторов: от модели телевизора и от приемной ТА.
Поочередно рассмотрим основные параметры и характеристики ТА: диаграмму направленности, входное сопротивление, КБВ, коэффициент усиления, кпд, действующую длину (высоту) антенны и ширину полосы пропускания.
Диаграмма направленности антенны показывает зависимость ЭДС на зажимах антенны от направления прихода сигнала. Наводимая в антенне ЭДС зависит не только от мощности приходящей в точку приема волны, но и от направления ее прихода, т. е. антенна обладает направленными свойствами. Хорошее представление о направленных свойствах антенны дает ее пространственная диаграмма, развернутая на 360 °. Если сигнал от ТЦ приходит перпендикулярно вибратору, то развивается максимальная ЭДС. Если направление телесигнала совпадает с продольной осью вибратора, то ЭДС равна нулю. Во всех других промежуточных положениях, когда сигнал приходит под углом к основному вибратору антенны, ЭДС развивается от нуля до максимума.
Более полную картину направленности ТА можно получить, если построить диаграмму в прямоугольной или полярной системах координат в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Однако для практических целей достаточное представление о направленных свойствах ТА даст диаграмма, выполненная в горизонтальной плоскости.
На рис. 1.1 изображена диаграмма направленности полуволнового линейного разрезного вибратора, приведенного на рис. 1.2. Для построения диаграммы направленности в полярной системе координат (рис. 1.1, а) берется точка 0, которая принимается за ось вибратора, из нее радиусом произвольной длины, но принятой за единицу и соответствующей максимальной ЭДС, описывается окружность или ее часть, а также под различными углами проводятся прямые линии, которые образуют сетку.
На прямых линиях откладываются отрезки, величина которых соответствует напряженности поля, при повороте антенны
на заданные углы в ту или другую сторону от нулевого направления. Максимальная величина сигнала обозначается Еmaх, которая на рисунке принята за единицу масштаба. Отрезки, откладываемые на прямых линиях, соответствуют значению отношения Е/Еmах. Линия, соединяющая концы этих отрезков, и является диаграммой направленности антенны. Как правило, в полярной системе координат диаграммы строятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях — горизонтальной и вертикальной. Для рассматриваемого полуволнового линейного разрезного вибратора в первом случае диаграмма имеет вид растянутой восьмерки, а во втором — форму круга. Правда, диаграмма в виде восьмерки получается только при теоретических расчетах, не учитывающих отражения УКВ от поверхности земли и сооружений. В реальных условиях диаграмма направленности антенны выглядит по-другому: у нее кроме главного лепестка имеются и боковые и задний. Самый большой лепесток, соответствующий нулевому направлению сигнала, при котором наводится максимальная ЭДС, называется главным, а все остальные — боковыми. При построении диаграммы максимальную ЭДС принимают за единицу. Диаграмма направленности зависит от конструкции антенны. На рис. 1.3 приведена диаграмма направленности антенны типа «волновой канал» в полярной системе координат. На рис. 1.4 — диаграмма направленности антенны типа «волновой канал» в прямоугольной системе координат. По параметрам главного и боковых лепестков можно сравнивать эти диаграммы между собой. По ширине основного лепестка можно оценивать антенну по направленным свойствам. Уровень помехозащищенности антенны зависит от параметров боковых и заднего лепестков. Одним из параметров является КЗД. Угол раствора диаграммы (ширина) главного лепестка охватывает часть диаграммы этого лепестка, в пределах которой ЭДС в антенне уменьшается на величину, равную 2^0.5 по сравнению с максимальной (не ниже уровня 0,707 для нормированной диаграммы направленности антенны).
Чем меньше ширина главного лепестка, тем больше направленность ТА. Чем меньше боковые и задний лепестки, тем слабее сказываются помехи при приеме программ. КЗД антенны определяется как отношение ЭДС, наводимой в антенне в направлении на ТЦ, к ЭДС, наводимой в ней при приеме обратной стороной: Кз = Еmах/Еобр. Требования к КЗД при приеме телесигналов на садовых участках, где обычно отсутствуют интенсивные отраженные волны, и качество изображения определяются величиной усиления антенно-фидорного устройства. Поэтому в загородной местности нет смысла применять сложные антенные комплексы, если дача расположена в пределах прямой видимости от ТЦ. Таким образом, КНД — это величина, численно равная отношению мощностей на выходах направленной и ненаправленной антенн при приеме одного и того же источника излучения. Чем уже диаграмма направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия. КНД определяется по следующей достаточно простой эмпирической формуле:
В тех местах, где может быть много отраженных волн, особенно вблизи больших городов и поселков, где индустриальные помехи наиболее интенсивны, выбор антенны определяется не только величиной КНД, но и КЗД. Вблизи ТЦ, где мощность сигнала на входе телевизора достаточно велика, казалось бы, можно применять простые антенны типа «симметричный вибратор», но для полного исключения отраженных волн приходится использовать, сложные направленные антенны, например типа «волновой канал». Входное сопротивление определяется отношением напряжения к току на зажимах антенны. Величину входного сопротивления антенны необходимо знать, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и телевизором, тогда на вход телевизора поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля снижения, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению телевизора. Это особенно важно в условиях дальнего приема, когда садовые участки расположены вдали от ТЦ.
Измеряется входное сопротивление в точках, к которым подключается фидерная линия. Входное сопротивление антенны характеризуется активной и реактивной составляющими. ТА, настроенная в резонанс, имеет только активное сопротивление, которое определяется отношением напряжения на клеммах антенны к току на входе кабеля снижения. Оно зависит от типа антенны, конструктивных особенностей, размещения клемм, к которым подсоединяется фидерная линия, от расположения вблизи антенны различных сооружений и других факторов. Входное сопротивление и характер его изменения в полосе частот телеканала определяют мощность, отдаваемую антенной в цепь нагрузки телевизора, а также неравномерность частотной характеристики антенно-фидерного тракта. Известно, что ТА является генератором энергии, а сопротивление ТА играет роль внутреннего сопротивления этого генератора. Если ТА настроена в резонанс, согласована с нагрузкой и потерь энергии в ней нет, то передаваемая в нагрузку мощность будет максимальной. При небольших изменениях частоты (относительно резонансной) активная составляющая входного сопротивления меняется мало, но зато появляется реактивная составляющая. На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный характер, а на частотах выше резонансной — индуктивный. Чем меньше меняется входное сопротивление при изменении частоты, тем антенна широкополосное. КБВ приемной ТА показывает степень согласования антенны с кабелем снижения и определяется отношением напряжения в минимуме к напряжению в максимуме: К = Umin/Umax. КБВ равен единице, если напряжения минимума и максимума равны, а это возможно только при чисто бегущей волне. Если же в кабеле снижения существует только стоячая волна, то минимум и максимум напряжения отсутствуют, т. е. равны нулю, и КПП также равен нулю. КБВ в значительной степени влияет на кпд кабеля снижения. Для полной оценки согласования антенны с линией передачи сигнала дополнительно рассматриваются коэффициенты стоячей волны и отражения. Все эти три коэффициента связаны между собой математическими зависимостями.
На практике измеряются наибольшее и наименьшее напряжения, которые действуют вдоль линии передачи и по которым можно судить о согласованности кабеля снижения с антенной. Коэффициент стоячей волны: КСВ = I/KБB = Umax/Umin. Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд падающей и отраженной волн, измерения которых осуществляются с помощью направленных ответвителей. Устойчивое изображение на экране телевизионного приемника достигается при КБВ>0,5, так как при меньших значениях увеличивается рассогласованность линии передачи сигнала с антенной и значительно увеличиваются потери, снижается кпд фидера. Коэффициент усиления антенны характеризует реальный выигрыш по мощности в нагрузке, даваемый данной антенной по сравнению с ненаправленным излучателем, с учетом направленных свойств антенны и потерь в ней. Коэффициент усиления антенны определяется по формуле: Кр = РЬх.эт/Pbx. При отсутствии указания о направлении на ТЦ значение коэффициента усиления антенны соответствует направлению максимального излучения. Коэффициент усиления антенны может выражаться в децибелах и равняться увеличенному в 10 раз десятичному логарифму отношения мощностей. Коэффициент усиления антенны тем больше, чем меньше ширина диаграммы направленности и величина заднего и боковых лепестков. Направленность антенны определяется КПД. Между коэффициентом усиления антенны и КНД существует прямая зависимость: Кр = D •np. где np — кпд антенны. По некоторым источникам, коэффициент усиления определяется так: Кр = D •np/1,64. В этой формуле КНД антенны характеризует выигрыш по мощности в нагрузке благодаря направленным свойствам антенны и представляет собой отношение мощности, получаемой без потерь на согласованной нагрузке, к мощности, развиваемой на той же нагрузке согласованным с ней воображаемым ненаправленным излучателем при одной и той же напряженности электромагнитного поля и точке приема. При этом предполагается, что антенна ориентирована на максимум приема. Коэффициент полезного действия антенны характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, т.
е. к полной мощности, которая подводится к антенне радиопередающей станции от передатчика: np = Ри/(Ри + Рп) = Rи/Rи + Rп. Чем меньше сопротивление излучения Rи и чем больше сопротивление потерь Rп, тем ниже кпд. В табл. 1.6 приведены ориентировочные значения коэффициента усиления и входного сопротивления некоторых
Примечание. Коэффициент усиления антенны выражен в относительных единицах. Для перехода к децибелам можно использовать расчетную формулу или соответствующую номограмму в [2] или [6]. типов ТА. Коэффициент полезного действия приемных ТА, исключая ромбические, находится в пределах 0,93—0,96. Действующая длина (высота) антенны — это отношение ЭДС, наводимой в антенне радиоволной, приходящей с направления главного лепестка диаграммы направленности антенны, к напряженности поля в месте приема. В некоторых источниках действующей длиной приемной антенны называют длину, которая после умножения на напряженность поля в места приема дает величину ЭДС, наводимой в антенне волной, приходящей с направления максимума диаграммы направленности. Действующая длина антенны — это параметр, используемый для уточнения свойств простейших антенн; например, антенны типа «линейный вибратор», «петлевой вибратор», «полуволновой вибратор», амплитуда тока вдоль которых меняется по синусоидальному закону. Для полуволнового линейного вибратора действующая длина определяется по следующей формуле: lд = lдл/3.14, где lдл — длина волны в м. Некоторые авторы вводят понятие действующей высоты антенны для определения и проведения расчетов ЭДС. Умножая действующую высоту на напряженность поля в месте приема, можно получить значение ЭДС на зажимах
антенны в случае, когда сигнал приходит с направления максимального приема: ЭДС = hg •E. Ширина полосы пропускания — полоса частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной. Зависимость напряжения на нагрузке от частоты особенно важна для антенн, у которых неравномерность частотной характеристики в полосе телеканала не должна превышать ±1дБ.Ширина полосы пропускания тем больше, чем меньше зависят от частоты коэффициент усиления и входное сопротивление антенны. Основные электрические параметры и характеристики одноканальных антенн типа TВK, (телевизионная комнатная) приведены в табл. 1.7.
