Измерить параметры антенны? Совсем несложно! Схема, описание. Входное сопротивление укороченной спиральной антенны Волновое сопротивление антенны

22.08.2023

Как работает антенна?

Переменный ток, как известно, меняет свою полярность с некой частотой. Если речь идёт от 27Мгц, то значит 27 миллионов раз в секунду полярность (+/-) у него меняются местами. Соответственно 27 миллионов раз в секунду электроны в кабеле бегут то слева на право, то справа на лево. Учитывая, что электроны бегают со скоростью света 300 миллионов метров в секунду, то для частоты 27 мегагерц до смены полярности тока они успевают пробежать лишь 11 метров (300/27), а потом возвращаются обратно.
Длина волны - расстояние, которое пробегают электроны до тех пор, пока их потянет обратно сменившейся полярностью источника.
Если к выходу радиостанции мы подключим кусок провода, другой конец которого просто висит в воздухе, то в нём и будут бегать электроны, бегающие электроны создают вокруг проводника магнитное поле, а на его конце электростатический потенциал, которые будут меняться с частотой, на которой работает радиостанция, то есть провод создаст радиоволну.
Минимальное расстояние, которое должны пробегать электроны, что бы шло эффективное преобразование переменного тока в радиоволну и радиоволны в ток равно 1/2 длины волны.
Так как любой источник тока (напряжения) имеет два вывода, то получается минимальная эффективная антенна состоит из двух кусков провода длиной по 1/4 длины волны (1/2 делить на 2), при этом один кусок провода подключен к одному выводу источника (выходу радиостанции), другой в к другому выводу.
Один из проводников называют излучающим и подключают к центральной жиле кабеля, другой "противовесом" и подключают к оплётке кабеля.
* Если расположить 2 куска провода каждый длиной 1/4 длины волны, один над другим, сопротивление такой антенны будет примерно 75 Ом, кроме того, она будет симметричная, то есть напрямую коаксиальным (не симметричным) кабелем её подключать не очень хорошая идея.

Стоп, как же работают тогда укороченные антенны (например 2 метра на 27МГц) и антенны состоящие только из штыря на автомобиле?
Для штыря на машине - штырь это первый кусок провода ("излучатель"), а кузов машины второй провод ("противовес").
В укороченных антеннах часть провода скручена в катушку, то есть для электронов длина штыря равна 1/4 длины волны (2 метра 75 см на 27МГц), а для хозяина штыря всего 2 метра, остаток находится в катушке, которая спрятана от непогоды в основании антенны.

Что будет, если к радиостанции подключить очень короткие или очень длинные провода в качестве антенны?
Как уже говорилось выше, волновое сопротивление выхода/входа радиостанции 50 Ом, соответственно антенна, являющаяся для неё нагрузкой, должна иметь тоже сопротивление 50 Ом.
Провода короче или длиннее 1/4 длины волны будут обладать другим волновым сопротивлением. Если провода короче, то электроны будут успевать добежать до конца провода и хотеть бежать дальше, прежде чем их потянет обратно, соответственно они уткнуться в конец провода, поймут что там обрыв, то есть большое, бесконечное сопротивление и сопротивление всей антенны будет большим, тем больше, чем провод короче. Слишком длинный провод тоже будет работать не правильно, его сопротивление тоже будет выше, чем нужно.
Электрически короткую антенну сделать эффективной невозможно, она всегда проиграет электрической длине 1/4, электрически длинная антенна требует согласования по сопротивлению.
* Разница "электрически короткой" от "физически короткой" в том, что можно скрутить в катушку провод достаточной длины, при этом физически катушка будет не такой длинной. Такая антенна будет достаточно эффективна, но на малом числе каналов и в любом случае проиграет штырю длиной 1/4 длины волны.
Ещё важно понимать, что от того, под каким углом друг к другу находятся проводники антенны, излучатель и противовес, тоже зависит не малое - её направленность (направление её излучения) и её волновое сопротивление.

Так же есть такое явление как коэффициент укорочения антенны, это явление связано с тем, что проводники имеют толщину, а конец проводника ёмкость к окружающему пространству. Чем толще проводник антенны и чем выше частота на которой должна работать антенна, тем больше укорочение. Так же чем толще проводник из которого сделана антенна, тем она широкополоснее (больше каналов перекрывает).

Направленные антенны и поляризация излучения

Антенны бывают:
+ С горизонтальной поляризацией - проводники антенны расположен горизонтально;
+ С вертикальной поляризацией - проводники расположены вертикально.
Если попытаться принимать на антенну с вертикальной поляризацией сигналы передаваемые антенной с горизонтальной поляризацией, то будет проигрыш в 2 раза (3дБ) по сравнению с приёмом на антенну той же поляризации как и передающая.

Кроме того, антенны могут быть:
+ Направленные - когда излучение и приём волн идёт в неком одном или нескольких направлениях.
+ Не направленные (с круговой диаграммой направленности) - когда радиоволны излучаются и принимаются равномерно со всех направлений.

Пример: вертикальный штырь имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, то есть одинаково излучает и принимает радиоволны от источников вокруг себя.

Что такое усиление антенн?

Если речь идёт именно об усилении антенны, а не об усилителе подключенном к антенне и требующим проводов питания, то усиление антенны, это её способность концентрировать радиоволны в некоторой плоскости или направлении, туда, где находятся желаемые для связи корреспонденты.
Например, вертикально расположенные два штыря по 1/4 длинны волны (вертикальный диполь), излучают равномерно по кругу, но это если смотреть сверху на него, а если сбоку, то окажется что часть энергии излучается в землю, а часть в космос. Коэффициент усиления диполя равен 0 dBd. В земле и в космосе для нас нет полезных сигналов, соответственно путём изменения конфигурации диполя (удлинив одну его часть до 5/8 длины волны) можно добиться, что излучение сосредоточится в горизонте, а в космос и в землю будет излучаться мало, усиление такой антенны составит примерно 6 dBd.

Если вам интересно узнать в подробностях как работают антенны, фидеры, увидеть полные формулы, почитайте книгу: К.Ротхаммель Антенны.

Напомним главное:

Длина волны = 300 / частота канала связи

Минимальная длина эффективной антенны = длина волны / 2

Чем толще проводники из которых сделана антенна, тем больший вклад вносит коэффициент укорочения в её длину.

КСВ показывает качество передачи энергии от радиостанции в антенну, но не показывает эффективность антенны.

Теперь на примерах:
300 / 27,175 = 11 метров 3 сантиметра длина волны.
Вся антенна для эффективной работы должна иметь длину 5 метров 51 сантиметр, соответственно штырь будет иметь длину 2 метра 76 сантиметров.
С учётом К_укорочения для штыря из трубки диаметром 20мм длина штыря будет примерно 2 метра 65 сантиметров.

Какие антенны обычно применяют на гражданском диапазоне

Антенна 1/4 ГП ("гэпэшка" или "четвертушка")

Штырь на врезном или магнитном основании, внутри которого установлена удлиняющая катушка, дополняющая его электрическую длину до 1/4. Противовесом является кузов автомобиля, который подключен или напрямую (для врезных антенн) или через ёмкость конденсатора образуемого магнитом основания и поверхностью кузова.

На высокочастотных диапазонах, таких как LPD и PMR обычно применяют гэпэшки или 5/8, даже в автомобиле и в носимом варианте, в базовом варианте применяют коллинеарные антенны (антенные системы из электрически и механически связанных между собой нескольких антенн 1/2 или 5/8, что позволяет достигать К_усиления антенны 10 dbi и более, то есть сжимать излучение в тонкий горизонтальный блин).

Измерить параметры антенны? Совсем несложно!

Правильно определенные параметры антенны в системе радиоприема - основа возможности успешного приема удаленных радиостанций. Но не всегда у радиолюбителя могут оказаться под рукой необходимые средства для подобных измерений. В данной статье автор предлагает использовать несложный метод, при котором получаются вполне приемлемые результаты.

Подвесив наружную проволочную антенну, любитель радиоприема на длинных и средних волнах (ДВ и СВ) часто задается вопросом: а каковы же ее параметры? Основных параметров два - это сопротивление потерь системы антенна-заземление rп и собственная емкость антенны относительно той же земли СА. От этих параметров зависит эффективность работы антенной системы, а следовательно, и возможность приема дальних станций, питания приемного устройства "свободной энергией" сигналов, принятых из эфира, настройки антенной системы на разные частоты и т. д.

Антенные измерения - это "терра инкогнита" для большинства радиолюбителей, и не только начинающих. Все известные методы требуют наличия мощного высокочастотного генератора и измерительного моста - аппаратуры, редко встречающейся у радиолюбителей. Часто эти два прибора объединяют, образуя фидерный или антенный омметр (так их называют), используемый, например, при настройке и регулировке антенн передающих радиоцентров . Мощный генератор ВЧ нужен потому, что на открытой "всем ветрам" антенне велико напряжение самых разных наводок, в том числе и от сигналов других радиостанций, мешающих измерениям.

В предлагаемом способе измерения генератор вообще не нужен. Мы будем измерять параметры антенны, пользуясь сигналами из эфира, благо их там предостаточно. Надо ли изготавливать специальный прибор или стенд для измерений? Это - по желанию. Учитывая, что антенны меняют не каждый день, не составит большого труда собрать простенькие измерительные цепи прямо на рабочем столе или на подоконнике, не используя даже макетных плат.

Измерение сопротивления потерь. Понадобятся ферритовый стержень от магнитной антенны с парой катушек, желательно ДВ и СВ диапазонов, переменный резистор сопротивлением 0,47...1 кОм (обязательно непроволочный), любой германиевый маломощный высокочастотный диод и вольтметр постоянного тока с высоким внутренним входным сопротивлением (не менее 0,5...1 МОм). Для идентификации принимаемых радиостанций "на слух" полезно иметь и высокоомные телефоны.

Собираем устройство по схеме рис. 1 и, перемещая стержень в катушке магнитной антенны, настраиваемся на частоту сигнала мощной местной радиостанции.

Рис. 1

Переменный резистор R1 при этом надо установить в положение нулевого сопротивления (переместить движок в верхнее по схеме положение). Момент точной настройки контура в резонанс с частотой радиостанции будет отмечен максимальным отклонением стрелки измерителя и наибольшей громкостью в телефонах. Включенные последовательно с вольтметром телефоны практически не влияют на его показания, в то же время громкость не слишком велика. Для ее увеличения на время идентификации радиостанции вольтметр можно замкнуть, переключить на низший предел измерения, где его сопротивление меньше, или включить параллельно вольтметру конденсатор емкостью порядка 0,05...0,1 мкФ, чтобы пропустить к телефонам звуковые частоты (при включении такого конденсатора звук может несколько исказиться из-за неравенства нагрузки детектора на звуковых частотах и на постоянном токе).

Отметив показания вольтметра (U1) и не изменяя настройки контура, движок переменного резистора R1 переместить до тех пор, пока показания вольтметра не уменьшатся вдвое (U2). При этом сопротивление резистора будет равно сопротивлению потерь антенной системы на данной частоте. Те же измерения можно провести и на других частотах.

Сопротивление резистора измеряют омметром, отключив его от измерительной цепи. При отсутствии омметра надо оснастить резистор ручкой с визиром и шкалой, которую проградуировать в омах по образцовому прибору.

Пользуясь приведенной методикой, удается выбрать, например, наилучший вариант заземления. В городских условиях возможны такие варианты: трубы водопровода, трубы отопления, арматура ограждения балкона и т. д., а также различные их сочетания. Ориентироваться следует на максимальный принимаемый сигнал и минимальное сопротивление потерь. В загородном доме, кроме "классического" заземления, рекомендуется попробовать водозаборную скважину или трубы водопровода, металлическую сетку-ограду, крышу из оцинкованной жести или любой другой массивный металлический предмет, даже если он и не имеет контакта с настоящей землей.

Измерение емкости антенны . Вместо переменного резистора теперь понадобится включить КПЕ (любого типа) с максимальной емкостью 180...510 пФ. Желательно иметь еще и измеритель емкости с пределом измерения десятки-сотни пикофарад. Автор пользовался цифровым измерителем емкости "Мастер-С" , любезно предоставленным его конструктором.

Если измерителя емкости нет, надо поступить так же, как и с резистором - оснастить КПЕ шкалой и проградуировать ее в пикофарадах. Это удается сделать и без приборов, ведь емкость пропорциональна площади введенной части пластин. Нарисуйте форму роторной пластины на миллиметровой бумаге (чем крупнее, тем точнее будет градуировка), разделите чертеж на секторы через 10 угловых градусов и сосчитайте по клеточкам площадь каждого сектора и всей пластины S0. На рис. 2 заштрихован первый сектор с площадью S1. У соответствующей ему первой риски шкалы надо поставить емкость С1=CmaxS1/S0 и т. д.

Рис. 2

Если роторные пластины имеют полукруглую форму (прямоемкостный конденсатор), шкала получается линейной и тогда не надо делать чертежей и считать площади. Например, КПЕ с твердым диэлектриком из набора для детского творчества имеет максимальную емкость 180 пФ. Достаточно разбить шкалу на 18 секторов по 10 градусов, и поставить около делений 10, 20 пФ и т. д. Пусть точность будет и невысокой, для наших целей ее достаточно.

Отградуировав КПЕ, собираем установку по схеме рис. 3.

Рис. 3

Подключив антенну к гнезду XS1 и отключив КПЕ переключателем SA1, настраиваем контур, образованный емкостью антенны и катушкой L1 на частоту радиостанции. Не трогая больше катушку, переключаем антенну в гнездо XS2 и подключаем к контуру конденсатор С2 (наш КПЕ) переключателем SA1. Снова настраиваемся на ту же частоту, теперь уже С помощью С2. Определяем его емкость Ск по шкале или с помощью измерителя емкости, подключенного к гнездам XS3, XS4 (переключив для этого SA1 в показанное на схеме положение). Осталось найти емкость антенны СА по формуле

СА = С2(1 + sqrt(1 +4С1/С2))/2.

Смысл наших манипуляций в следующем: когда мы подключили антенну через конденсатор связи С1, общая емкость контура стала меньше, и чтобы ее восстановить, пришлось добавить емкость С2. Вы и сами можете вывести приведенную формулу исходя из равенства емкости антенны СА (в первом случае) и сложной контурной емкости С2 + САС1/(СА + С1) во втором случае. Для повышения точности измерений емкость конденсатора связи желательно выбирать поменьше, в пределах 15...50 пФ. Если емкость конденсатора связи намного меньше емкости антенны, то и расчетная формула упрощается:

СА = С2 + С1.

Эксперимент и его обсуждение . Автор измерял параметры имевшейся на даче антенны такого вида: провод ПЭЛ 0,7 длиной 15 м, который протянут к коньку крыши и в сторону от дома к соседнему дереву. Наилучшим "заземлением" (противовесом) оказалась изолированная от земли водонагревательная колонка с небольшой сетью труб и батарей местного отопления. Все измерения проведены в СВ диапазоне с использованием стандартной СВ катушки магнитной антенны от транзисторного приемника. Если для настройки на низкочастотном краю диапазона индуктивности не хватало, рядом с магнитной антенной помещался еще один ферритовый стержень, параллельно первому.

Результаты измерений сведены в таблицу. Они нуждаются в небольших комментариях. Прежде всего, бросается в глаза, что на разных частотах и сопротивление потерь и емкость антенны разные. Это вовсе не ошибки измерений. Рассмотрим сначала частотную зависимость емкости. Если бы провод антенны не обладал еще и некоторой индуктивностью LА значения емкости были бы одинаковыми. Индуктивность провода включена последовательно с емкостью антенны, как видно из эквивалентной схемы антенной цепи, показанной на рис. 4.

Рис. 4

Влияние индуктивности сказывается сильнее на высоких частотах, где индуктивное сопротивление возрастает и частично компенсирует емкостное сопротивление. В результате общее реактивное сопротивление антенны уменьшается, а измеренная емкость становится больше. У антенны есть собственная частота f0 - резонансная частота контура LАCА, на которой реактивное сопротивление обращается в нуль, а измеренное значение емкости будет стремиться к бесконечности. Соответствующая этой частоте собственная длина волны антенны Lambda0 примерно равна учетверенной длине провода антенны и обычно попадает в интервал диапазона КВ.

Собственную частоту можно рассчитать по данным измерений емкости на двух произвольных частотах, но формулы получаются слишком сложными. Для своей антенны автор получил СА = 85 пФ. LА = 25 мкГн и f0 - около 3,5 МГц. Для приближенных оценок можно считать, что каждый метр провода антенны (вместе со снижением) вносит индуктивность около 1...1,5 мкГн и емкость около 6 пФ.

Сопротивление потерь при достаточно добротной катушке L1 состоит в основном из сопротивления заземления. Оно, в свою очередь, рассчитывается по эмпирической (полученной на основании опытных данных) формуле М. В. Шулейкина : rп = А*Lambda/Lambda0. Здесь А - постоянный коэффициент, зависящий от качества заземления, с размерностью в омах. Для хороших заземлений А составляет единицы и даже доли ом. Как видим, сопротивление потерь возрастает с увеличением длины волны (понижением частоты), что и подтвердилось данными таблицы. Зависимость сопротивления потерь от частоты обнаружили еще в начале прошлого века, однако подробного объяснения этого эффекта в литературе автор не встречал.

В связи с этим многие данные, полученные радиолюбителями при измерении параметров своих антенн, могут оказаться весьма полезными.

Литература

Фрадин А. 3., Рыжков Е. В. Измерение параметров антенн. - М.: Связьиздат, 1962.
Андреев В. Простой измеритель емкости "Мастер-С". - Радио, 2002. № 1, с. 50-52; № 2, с. 51-53; № 3, с. 52-54.
Белоцерковский Г. Б. Антенны. - М.: Оборонгиз, 1956.

ЛЕКЦИЯ 9.

^ Изотропный излучатель
Симметричный вибратор
Основные характеристики антенн. Амплитудная характеристика направленности антенн
Сопротивление излучения
Волновое сопротивление антенны
Входное сопротивление
Сопротивление потерь

ИЗОТРОПНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ.

Под изотропным излучателем понимается такое устройство, которое равномерно и одинаково излучает электромагнитную энергию во все стороны.

Однако на практике ненаправленных излучателей не существует. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергии неравномерно и всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии.

Простейшим или элементарным излучателем является электромагнитный электрический вибратор, который состоит из очень короткого по сравнению с длиной волны провода, обтекаемый электрическим током, амплитуда и фаза которого одинаковы в любой точке провода. Практической моделью элементарного вибратора является диполь Герца. Структура поля излучения диполя Герца имеет максимум в точке, лежащей на прямой, перпендикулярной диполю. Вдоль диполя поле = 0.
^

СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР.

Состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включается питающая линия – фидер, соединяющая антенну с передатчиком.

Наиболее частот применяется симметричный вибратор длиной l в половину  , называемый полуволновым вибратором рис. 37а.

Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводов антенн вдоль проводов устанавливается стоячая волна тока и напряжения.

Вдоль полуволнового вибратора устанавливается пол волны тока и напряжения, вдоль вибратора длиной в волну – волна тока и напряжения рис.37б. Однако в любом случае на концах устанавливается узел тока и пучность напряжения
^

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН.

АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН.

Направленные свойства антенн принято определять амплитудной характеристикой направленности, т.е. зависимостью напряженности излучаемого антенной поля Е (,) в точке наблюдения при неизменном расстоянии. Графическое изображение амплитудной характеристики направленности называется диаграммой направленности, которая изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус–вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна функции F (, ).

Диаграмму направленности строят как в полярной (рис. 38а), так и в прямоугольной (рис. 38б) системе координат.

Направление максимального излучения антенн называется главным направлением. А соответствующий ему лепесток – главным. Остальные лепестки являются боковыми. Направления, в которых антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Главный лепесток характеризуют шириной по половинной мощности  0,5 и шириной по нулям  0 . Ширина  0,5 определяется из ДН на уровне 0,707, он взят исходя из того, что мощность на уровне 0,5 и напряженность поля на уровне 0,707 связаны соотношением

Р 0,5 / Р мах = Е 2 0,707 / Е 2 мах = 0,5 .

Коэффициент направленного действия КНД характеризует способность антенны концентрировать излученное электромагнитное поле в каком-либо направлении. Он представляет собой отношение плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненной по всем направлениям плотности потока мощности. Иными словами, при определении КНД антенна сравнивается с воображаемой, абсолютно ненаправленной или изотропной антенной, излучающей ту же мощность, что и рассматриваемая.

Для апертурных антенн

К нд = 4 К исп S а /  2 ,

Где: К исп – коэффициент использования излучающей поверхности КИП;

S а – площадь раскрыва антенны.

У большинства антенн РРЛ и спутниковых систем передачи ширина ДН по половинной мощности в вертикальной плоскости примерно равна ширине диаграммы в горизонтальной плоскости.

Для учета КПД реальной антенны, вводится понятие коэффициента усиления КУ антенны, которая определяется соотношением

G =  а К нд ,

где: а = Р  / Р 0 - КПД антенны;

Р  - излучаемая антенной мощность;

Р 0 – подводимая к антенне мощность.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к изотропному излучателю с КПД равным 1, чтобы напряженность поля в точке приема оставалась неизменной.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн  а  1 , поэтому

G = К нд.

Коэффициент защитного действия КЗД вводится для характеристики степени ослабления антенной сигналов, принятых с побочных направлений, и рассчитывается по формуле К зд = G мах / G поб, где G мах и G поб – коэффициенты усиления антенны в направлении главного лепестка ДН и в побочном направлении.
^

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Сопротивление излучения антенны R изл – показатель, имеющий размерность сопротивления и связывающий излучаемую мощность Р изл с током I А, протекающим через какое – либо сечение антенны

R изл = Р изл / I А 2 .

Так как токи и напряжения по длине антенны распределены неравномерно, то для округления величины R изл, в большинстве случаев излучаемую мощность относят к квадрату максимальной амплитуды тока (в пучности) или в квадратуру тока на входных зажимах антенны.

Величина R изл зависит от соотношения между размерами антенны и длиной волны, формы антенны и других факторов.

Так, увеличение длины уединенного симметричного вибратора до l =  , ведет к росту сопротивления излучения. Однако дальше она падает, затем снова возрастает.

В общем случае R изл имеет комплексный характер.

Например, для тонкого полуволнового вибратораR изл = 73,1 Ом, а Х изл = 42,5 Ом.

Увеличение толщины вибратора приводит к уменьшению величины волнового сопротивления.
^

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ.

Волновое сопротивление антенны Z ОА является одним из важных параметров. Рассматривается волновое сопротивление методами теории длинных линий.

Для одиночного цилиндрического проводника длиной l , к которому может быть отнесена антенна в виде симметричного вибратора, расчетная формула имеет вид

где: r п – радиус проводника.

Увеличение толщины проводника приводит к уменьшению волнового сопротивления.
^

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Входное сопротивление антенны – показатель, представляющий отношение напряжения на зажимах антенны к протекающему через них току. В общем случае это сопротивление имеет комплексный характер

Z Авх = R Авх + iХ Авх

где:R Авх – активная составляющая входного сопротивления;

Х Авх – реактивная составляющая входного сопротивления.
^

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТЕРЬ.

Сопротивление потерь определяется как:

R п = R н + R и + R 3 ,

где:R н - сопротивление потерь на нагрев проводов;

R и - сопротивление потерь в изоляторах антенны;

R 3 - сопротивление потерь в земле и в системах заземления.

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.

Входное сопротивление антенны

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-фидером

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:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны

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.

Ширина полосы пропускания антенны

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.

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.