Принцип антенны. Антенны арэо. основные типы антенн используемых в бортовой радиоаппаратуре. линии передачи свч энергии. Самые мощные комнатные антенны
Несмотря на повсеместную интернетизацию населения в нашей стране, добрая половина соотечественников предпочитает проводить свободное время у голубого экрана телевизора. Разница между городским жителем и сельским в плане ТВ-вещания весьма значительна. Если первые, как правило, пользуются ТВ-услугами посредством выделенных линий (кабельное ТВ), то вторым без уличной антенны сложно обойтись.
Попробуем разобраться, как правильно выбрать уличную антенну для телевизора на дачу или в загородный дом, какие виды этих устройств можно встретить в продаже, а также обозначим небольшой список наиболее популярных и заслуживших уважение владельцев моделей.
Виды антенн
Для начала обозначим основные виды этих устройств, которые отличаются друг от друга по функциональности, внешнему виду и другим не менее важным признакам. Окончательные выводы о целесообразности покупки стоит делать исходя из личных потребностей и геолокации вашего дома.
Спутниковая антенна
Крайне популярные ныне «тарелки» никак не зависят от близости к телевышкам, потому как вещают через спутник. Кроме того, на мощность сигнала спутниковой уличной антенны для телевизора не влияет и рельеф местности.
Даже самый простой вариант «тарелки», вроде офсетной или прямофокусной, позволяет спокойно принимать изображение в высоком качестве. Сюда же можно добавить большое количество провайдеров, а вместе с тем и массу каналов.
Несмотря на явные преимущества спутниковой уличной антенны для телевизора перед другими устройствами, есть у неё и свои, для некоторых критичные недостатки. Во-первых - это стоимость. Здесь нужно потратиться на саму «тарелку», причём чем хуже местность (суровый климат, близость промышленных предприятий сбивающих сигнал и т. д.), тем большего диаметра и технологичнее требуется устройство, равно как и дороже. Во-вторых, нужно будет купить ресивер для обработки вещания и в сложных случаях конвектор, чтобы получилась уличная антенна для телевизора с усилителем. Ну и в-третьих, для нормальной трансляции явно не будет лишним толковый телевизор, способный выдавать и «переваривать» качественную картинку.
«Польские» антенны
Это самое простое, непритязательное и дешёвое устройство, коих море на рынке электроники. Оно имеет решётчатый каркас с усиками и отлично подойдёт для обычных дач. С помощью этой антенны можно поймать десяток местных каналов, включая ОРТ и НТВ. Кроме того, имея в распоряжении и инструмент, можно запросто сделать подобие оригинала своими руками.
Уличные антенны для телевизора такого плана размещают на доме, крыше, столбах и других возвышенностях, направив центральную часть в сторону телевышки. Последняя должна находиться не дальше 30 км от вас. Если местный рельеф разбавлен деревьями, буграми, терриконами или другими препятствиями, сбивающими сигнал, то установку уличной антенны для телевизора нужно проводить как можно выше. В сложных случаях, для стабилизации вещания и исключения большинства помех поможет толковый усилитель.
«Польские» антенны с блоком усиления
Такие устройства уже идут с конвейера со встроенным усилителем и называются «активными». Уличная антенна для телевизора такого плана значительно расширяет список принимаемых каналов и повышает качество трансляции.
Конструкция данного устройства состоит из нескольких отдельных блоков, которые расположены определённым образом для максимального восприятия сигнала. Внутренний усилитель позволяет расширить зону приёма для 80 км, распознавая даже самые слабое вещание (как правило, с потерей качества). Так же, как и в предыдущем случае, сделать уличную антенну для телевизора с усилителем можно своими руками. Единственное, что вам понадобится кроме вышеописанных материалов - это качественный конвертер. Устанавливают такие устройства на максимально высокой точке, то есть на крыше или самодельном столбе/шесте.
Устройства на бегущей волне (Уда-Яги)
Антенны такого класса имеют довольно высокие приёмные характеристики и отличаются компактностью. Все основные элементы устройства закреплены одной общей стреле. Кроме того, такой тип антенн в состоянии работать с несколькими диапазонами, что очень важно для отдалённых и труднодоступных посёлков, где поблизости только старые вышки, вещающие на нестандартных частотах.
Цифровые антенны
Такие устройства состоят из двух частей - это тюнер для обработки цифрового сигнала и антенный каркас, который устанавливается на улице. Конструкция последнего максимально проста, потому как основная ответственность за приём сигнала лежит именно на тюнере. Цифровая уличная антенна для телевизора прекрасно подойдёт для тех, кто «дружит» с современной техникой, не боится многочисленных настроек/вариаций в меню, и чей дом расположен недалеко от города. Такие устройства настраиваются на приём только основного сигнала и хорошо игнорируют отражённые помехи.
Типы антенн
Всего можно обозначить два типа антенн - пассивная и активная. Первый вариант подразумевает отдельный/внешний конвертер, а второй - со встроенным усилителем. По качеству приёма сигналов они мало чем отличаются, а вот по сроку службы - значительно.
Активные устройства, установленные «как есть», то есть без дополнительной защиты, прослужат немногим больше года, потому как из-за непогоды и коррозии встроенный конвертер начинает выходить из строя. Пассивные модели идут с внешним усилителем, который может быть расположен дома или где-нибудь на чердаке, поэтому срок службы таких антенн гораздо дольше.
Лучшие уличные антенны для телевизора
На отечественном рынке электроники можно встретить большое количество всяческих приёмных устройств разного вида и типа, где каждая серия или модель адаптирована под специфические условия приёма сигнала. Поэтому обозначить какую-то конкретную модель как лучшую очень сложно, здесь нужно учитывать много индивидуальных факторов (геолокация дома, близлежащие ТВ-вышки, качество проходимости сигнала и т. п.). Ну а составить список лучших производителей антенн, которые хорошо зарекомендовали себя в глазах придирчивых покупателей, вполне реально.
Антенны «Дельта»
Антенны этой фирмы пользуются завидной популярностью у отечественного потребителя, тем более что ассортимент компании очень разнообразен. На полках магазинов можно найти как узконаправленные модели, которые рассчитаны исключительно на метровые и дециметровые волны, так и широкополосные универсальные устройства.
Кроме того, подавляющее большинство антенн от компании «Дельта» может работать с цифровым сигналом. Подключение и монтаж устройств сравнительно лёгок, достаточно вставить кабель в разъём с F-усилителем и зафиксировать прибор на максимально высокой точке дома. Антенны хорошо справляются с приёмом и обработкой сигнала даже на значительном удалении дома от телевизионной вышки.
Антенны Lokus
В ассортименте компании встречаются как активные (со встроенным конвертором), так и пассивные модели (с внешним усилителем). Отечественного покупателя особо привлекает ценовая политика бренда и весьма неплохое качество изделий.
Конструкция антенн очень проста, а монтаж не требует какого-то специфического инструмента или подготовки. Устройства рассчитаны на одновременную работу с двумя-тремя телевизорами, поэтому подойдут даже для больших дач.
Антенны «Гарпун»
Ещё один признанный лидер по производству качественных антенн на отечественном рынке. Цены хоть и отличаются демократичностью, но устройства компании славятся «всеядностью». Практически любая модель «Гарпуна» отлично подойдёт для зон с неуверенным приёмом сигнала.
Кроме того, хорошая избирательность сигнала антенн этой марки в значительной мере избавляет пользователя от помех на экране телевизора. Один из критичных минусов изделий «Гарпун» - это привередливость к метровым волнам, поэтому при работе с устаревшими телевышками могут возникнуть проблемы.
Антенны GoldMaster
Несмотря на более чем демократичные цены изделий, устройства этой компании отличились очень неплохим приёмом в местах с ужасным качеством сигнала. Судя по отзывам пользователей, антенны марки GoldMaster отлично справляются с поставленной задачей даже в отдалённых местах сельской местности: изображение на экране без «снега», картинка не тормозит и не перебивается соседствующими сигналами.
Кроме того, устройства хорошо переносят практически любую непогоду, будь то дождь, крупный снег или штормовой ветер. Добавим сюда низкие цены на изделия и получим вполне оптимальный дачный вариант антенны.
Содержание статьи
АНТЕННА, конструкция, используемая для передачи или приема радиоволн (т.е. электромагнитных излучений с длинами волн в пределах от ~20 000 м до ~1 мм). В качестве примеров использования антенн можно привести радио и телевещание, дальнюю радиосвязь на коротких волнах и микроволнах, отраженных спутниковыми антеннами, радиолокацию – в основе всех этих физических процессов и технических систем лежит передача энергии в форме электромагнитных волн через воздушное и космическое пространство. Функция передающей антенны состоит в том, чтобы преобразовывать электромагнитную энергию, поступающую от передатчика, в излучаемую электромагнитную волну. На стороне приема тоже необходимо иметь антенну, которая принимает часть энергии, излученной передающей антенной, и пересылает ее на более или менее сложные детектирующие и усиливающие схемы, которые и составляют основу приемника. См . РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИЕ; РАДИОЛОКАЦИЯ.
ТИПЫ АНТЕНН
Тип конструкции антенны зависит от длины волн, на которых она должна работать. Чтобы эффективно излучать энергию, антенна должна иметь размеры, близкие к длине рабочей волны. Поэтому на низких частотах, использовавшихся в свое время для трансатлантической радиотелеграфной и радиотелефонной связи (частоты от 16 до 70 кГц, т.е. волны длиной от 19 до 4,3 км), огромная система антенных проводов общей протяженностью до 2 км представляла собой электрически короткую антенну и оказывалась, следовательно, неэффективным излучателем. Если такая антенна должна была иметь заметную направленность, то ее эффективность получалась очень низкой. Напротив, на сверхвысоких частотах (СВЧ) использование полуволнового симметричного вибратора длиной менее 1 см и отполированного металлического рефлектора диаметром всего лишь несколько сантиметров позволяет весьма эффективно фокусировать излучение такого вибратора в узкий луч.
АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОВЕЩАНИЯ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ(540–1600 кГц, 550–190 м)
Четвертьволновая передающая антенная мачта.
Основная зона охвата широковещательной станции «обслуживается» поверхностной (земной) волной. Для того чтобы волна распространялась вблизи земной поверхности, она должна иметь вертикальную поляризацию, т.е. вектор электрического поля излучения должен быть вертикальным, и, следовательно, необходима вертикальная антенна. В действительности достаточно иметь антенну лишь половинной высоты; причиной тому является ее зеркальный заряд.
Когда электромагнитное поле встречает на своем пути проводящую плоскость, оно зеркально отражается от нее. Поэтому электромагнитное поле, создаваемое над проводящей плоскостью некоторой системой токов и зарядов, оказывается идентичным полю, которое существовало бы, если бы вместо проводящей плоскости имелась зеркально отраженная система токов и зарядов, т.е. просто зеркальное отображение реальной системы в данной плоскости. Таким образом, поле над плоскостью – это поле вертикального полуволнового симметричного вибратора (рис. 1). Такой вибратор наиболее интенсивно излучает в плоскости, перпендикулярной его оси; в рассматриваемом случае это означает, что излучение направлено вдоль поверхности земли. Такая антенна на практике представляет собой стальную мачту высотой около четверти длины волны, установленную на опорных изоляторах (рис. 2). Землю делают хорошим проводником, закапывая в нее систему проводов, расходящихся в радиальных направлениях от основания антенны. Если антенную мачту для устойчивости снабжают проволочными оттяжками, то их надо разделить изоляторами на секции, достаточно короткие, чтобы влияние оттяжек на локальное поле антенны было незначительным.
Направленные антенные решетки из антенных мачт.
Существуют две причины, по которым широковещательной станции может требоваться направленная диаграмма излучения. Во-первых, ее «аудитория» может находиться преимущественно с одной стороны от места расположения передающей станции. Так, например, региональная станция, размещенная в приморском городе, должна создавать более сильный сигнал в континентальном направлении, если нежелательно, чтобы половина ее мощности терялась на морских просторах. Во-вторых, может возникнуть необходимость исключения взаимных помех в зоне, обслуживаемой какой-либо удаленной станцией, работающей на той же самой частоте; в этом случае диаграмма направленности данной станции должна иметь нулевое излучение в направлении на удаленную.
Направленность излучения часто достигается созданием решетки из двух или большего числа антенных мачт, в которой расстояния между мачтами и фазы возбуждения антенн каждой из мачт выбраны так, чтобы получить желаемую диаграмму направленности. Проиллюстрируем данный подход примером. Пусть имеются две одинаковые антенные мачты, находящиеся друг от друга на расстоянии в половину длины волны и возбуждаемые токами одинаковой величины и фазы. Излучение каждой антенны равнонаправленно в горизонтальной плоскости; таким образом, если смотреть сверху, каждая из антенн выглядит как точечный источник круговых волн, распространяющихся равномерно во всех направлениях. Диаграмма направленности такой двухантенной решетки определяется наложением волн, излучаемых обеими антеннами. Как показано на рис. 3, точки, находящиеся на оси запад – восток (WE), от одной антенной мачты на полдлины волны дальше, чем от другой. Таким образом, в этих точках две излучаемые волны отличаются по фазе на 180° и, следовательно, гасят друг друга; в результате излучение по линии WE в обе стороны отсутствует. Точки же, расположенные на прямой север – юг (NS), напротив, находятся на одинаковом удалении от антенных мачт, так что обе волны в этих точках оказываются в одинаковой фазе и суммируются. Такая система называется антенной решеткой бокового (поперечного) излучения – ее диаграмма направленности представлена на рис. 4,а . Если же антенные мачты излучают в противофазе (разность фаз 180° ), то вдоль оси NS будет происходить взаимное гашение волн, а вдоль оси WE – их сложение. Такая система называется антенной решеткой продольного (осевого) излучения. Ее диаграмма направленности похожа на диаграмму направленности решетки поперечного излучения, но повернута на 90° (рис. 4,б ). Если две антенные мачты находятся друг от друга на расстоянии в четверть длины волны и возбуждаются токами равной величины, но волна, излучаемая восточной мачтой, опережает по фазе западную на 90° , то диаграмма направленности будет иметь форму кардиоиды (рис. 5, пунктирная линия). Штриховой и сплошной линиями на рисунке представлены диаграммы направленности, получаемые при опережении по фазе восточной мачтой на 45° и 180° соответственно.
Радиовещательные приемные антенны.
Радиовещательные приемные антенны с высотой, близкой к половине или даже четверти длины волны, оказываются, как правило, непомерно большими. К счастью, это ограничение часто не играет существенной роли, так как напряженность поля, создаваемого передающей станцией, обычно настолько большая, что даже маленькая антенна обеспечивает более чем достаточный сигнал для современного радиоприемника. Исключая из рассмотрения крайне удаленные пункты, надо сказать, что длинная наружная антенна не улучшает отношение сигнал/шум и часто может лишь ухудшить прием. Большинство вещательных радиоприемников выпускаются со встроенной рамочной или ферритовой антенной. Такое устройство представляет собой электрически небольшой магнитный диполь.
Если электрические и магнитные силовые линии, образующие поле антенны, поменять местами, то полученное в результате поле теоретически возможно в том смысле, что оно подчиняется законам электромагнетизма. Трудность состоит в том, что для излучения такого поля требуется магнитный аналог исходной излучающей системы; но магнитный аналог электрических зарядов, движущихся по электрическим проводникам, – это некие магнитные заряды, движущиеся по магнитным проводникам; однако ни магнитного заряда, ни магнитного проводника пока еще не удалось обнаружить. Существует, однако, магнитный аналог очень маленького диполя – катушка индуктивности. Хотя миниатюрный магнитный диполь, или рамочная антенна, как его называют, является весьма малоэффективной передающей антенной, такие качества, как миниатюрность и отличные возможности противостоять местным помехам и шумам, делают его идеальным средством для приема радиовещательных передач. Диаграмма направленности небольшой рамочной антенны представлена на рис. 6. Поворачивая рамку, можно, используя резко выраженные нули диаграммы, совпадающие с осью рамки, исключить прием помехи. Такая рамочная антенна может иметь форму плоской спирально намотанной катушки, размещаемой на задней стенке корпуса приемника, или форму тонкого соленоида с ферритовым сердечником. Благодаря резко выраженным нулям диаграммы направленности такую рамочную антенну используют в радиопеленгационной аппаратуре.
Диапазон ЧМ-радиовещания (от 88 до 108 МГц) заключен между нижним и верхним каналами ОВЧ-диапазона телевидения (от 2-го до 13-го канала); поэтому антенны, применяемые для передачи и приема ЧМ-сигналов, по существу такие же, как и используемые для телевидения, и хотя в последующем описании речь будет идти преимущественно о телевизионных антеннах, последние в большей или меньшей степени пригодны также и для ЧМ-радиовещания. Обычно и ЧМ-радиостанции, и телевизионные передающие станции ведут передачи на волнах с горизонтальной поляризацией.
АНТЕННЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЧМ-РАДИОВЕЩАНИЯ(54–216 мГц, 5,6 м – 72 см)
Телевизионные передающие антенны.
От телевизионной (или ЧМ) передающей антенны обычно требуется, чтобы она давала равномерно распределенное (ненаправленное) излучение в горизонтальной плоскости; однако в вертикальной плоскости выгодно концентрировать излучение в сравнительно узкий луч, направленный к горизонту, ибо именно там находится обслуживаемая «аудитория» зрителей и слушателей. Энергия, направляемая выше или ниже линии горизонта, либо теряется в космосе, либо уходит в землю. Характеристики диаграммы направленности в вертикальной плоскости той или иной телевизионной передающей антенны можно определить сравнением с соответствующей диаграммой горизонтального полуволнового симметричного вибратора в вертикальной плоскости, содержащей этот вибратор. Коэффициент усиления антенны по мощности определяется как отношение входной мощности, подаваемой на выбранный для сравнения симметричный вибратор, к мощности, подаваемой на вход антенны, коэффициент усиления которой надо определить, при условии, что обе антенны дают одинаковую интенсивность излучения в горизонтальной плоскости на расстоянии в одну милю (1,6 км). Эффективная излучаемая мощность определяется как мощность в ваттах, поступающая по соединительной линии (фидеру) от передатчика в антенну, умноженная на коэффициент усиления антенны. Таким образом, эффективная излучаемая мощность в типичном случае получается намного больше фактической мощности передатчика.
Одной из проблем конструирования антенны, решение которой особенно важно для телевещания, является исключение отражений от антенны обратно в соединительную линию. Эта отраженная энергия переотражается передатчиком в антенну, куда она попадает с задержкой, равной частному от деления двойной длины фидера на скорость света, и приводит к передаче в антенну задержанного эхо-сигнала. В худшем случае это эхо может проявить себя на принимаемой картинке как вторичное изображение (тускло воспроизводимое изображение, смещенное вправо), но даже при менее неприятных последствиях четкость получаемого изображения ухудшается.
Проблема отражений, как и другие проблемы, связанные с конструкцией антенны, при передаче телевизионного сигнала усугубляются требованиями, предъявляемыми к ширине полосы тракта. Видеоинформация телевизионного сигнала занимает полосу около пяти мегагерц, что составляет почти 10% несущей частоты нижних каналов ТВ-диапазона. Это означает, что телевизионная передающая антенна должна иметь конструкцию, соответствующую жестким требованиям не только на одной частоте, но и в широкой полосе частот. Полуволновый проволочный симметричный вибратор был бы совершенно непригодным для передач телевидения, так как если даже согласовать его с фидером и добиться отсутствия отражений на какой-либо одной частоте, то при изменении частоты на 5% диполь будет отражать в фидер четверть подаваемой на его вход энергии.
Применяемая на практике телевизионная передающая антенна представляет собой «турникетную» модель, которая состоит из двух скрещенных горизонтальных симметричных вибраторов, сделанных из труб диаметром 5 или 8 см. Каждый вибратор имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности в форме цифры 8, и при возбуждении двух вибраторов со сдвигом по фазе на 90° суммарная диаграмма в той же плоскости становится почти всенаправленной. Направленность в вертикальной плоскости (а следовательно, и коэффициент усиления антенны) можно улучшить путем установки на антенной мачте нескольких ярусов турникетных антенн одну над другой.
Турникетная антенна – это прототип одной из самых широко применяемых телевизионных передающих антенн, получившей название «супертурникетной». Вибраторы простой турникетной антенны приобрели в ней форму излучателей с конфигурацией бабочки – такая конфигурация позволяет получить намного большую ширину полосы вещания. Коэффициент усиления по мощности трехъярусной супертурникетной антенны составляет около 4.
Телевизионные приемные антенны.
В отличие от волн, используемых для АМ-вещания, волны, на которых ведется телевещание, имеют значительно меньшую длину, так что приемные антенны размером в половину длины волны здесь вполне осуществимы. Так, телевизионный полуволновый симметричный вибратор настолько мал, что его можно сделать из жесткой трубки. Вместе с тем малый размер даже электрически длинной антенны на этих частотах означает, что эффективная площадь приема падающей волны (и, следовательно, возможность антенны захватить ее энергию) ограниченна. Кроме того, из-за большой ширины полосы телевизионного сигнала и шума, равномерно распределенного по каналу, приемник должен получить значительное количество энергии, чтобы обеспечить приемлемое отношение сигнал/шум. В свете вышесказанного становится понятным, что эффективность антенны играет важную роль в приеме телевизионного сигнала.
На рабочих частотах телевещания атмосферные помехи не имеют особого значения, но приемная антенна будет улавливать массу индустриальных помех и космический шум. Поэтому важно, чтобы приемная антенна имела четко выраженную направленность, позволяющую не принимать сигналы, приходящие с направлений, не совпадающих с направлением на нужную передающую станцию. Другой тип помех, часто ухудшающих качество телевизионнного приема, – это многолучевое распространение, при котором нужный сигнал приходит на приемную антенну по двум путям разной длины. Так, например, один сигнал может прийти непосредственно от передатчика, а другой – отразившись от какой-либо горы или здания. Многолучевое распространение проявляется на экране в виде многоконтурности изображений, и, чтобы избавиться от него, надо использовать направленную антенну, позволяющую исключить прием по одному из двух лучей.
Ширина полосы телевизионной приемной антенны должна быть очень большой, поскольку от нее требуется охватить не один канал, а обычно все тринадцать, размещенные в диапазоне частот 4:1. К счастью, согласование линии передачи с антенной, при котором отражения не возникают, не так существенно на приемной стороне, где рассогласование приводит лишь к потере слабого сигнала, не порождая эхо-сигналов. Важное значение имеет, однако, согласование соединительной линии с приемником, но в этом случае следует уделить внимание конструкции приемника.
Отражения, возникающие на неоднородностях соединительной линии, могут вызывать многоконтурность или потерю резкости изображения. Такие отражения часто возникают, если двухпроводной ленточный кабель проходит слишком близко к металлическим конструкциям, например таким, как лотки для проводов или водостоки. Это станет понятным, если вспомнить, что высокочастотная электромагнитная энергия распространяется в поле, возникающем вокруг проводов, которые служат проводниками этого поля.
Одна из самых простых антенн, используемых для приема телевизионного сигнала, представляет собой полуволновый петлевой симметричный вибратор (рис. 7), отличающийся от обычного полуволнового симметричного вибратора тем, что его выходной импеданс (300 Ом) согласуется с широко применяемыми типами фидеров, а также тем, что он обладает более широкой полосой; иначе говоря, он эффективно передает принимаемую электромагнитную энергию более широкого диапазона частот в соединительную линию.
Чтобы получить нужную диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, базовую антенну обычно используют совместно с одним или несколькими пассивными элементами. Пассивный элемент – это еще одна антенна, размещенная вблизи от основной, но не подсоединенная к фидеру. С основной антенной (а следовательно, и с приемником) она связана только локальными полями. Понять, как пассивный элемент влияет на диаграмму направленности антенны, легко, поскольку здесь, по существу, используется тот же принцип, что и в ненаправленной антенной решетке; разница же состоит в том, что в данном случае возбуждается только одна антенна, а другая принимает энергию лишь от ее ближнего поля. Для примера отметим, что стержень полуволновой длины, помещенный (как показано на рис. 8) на расстоянии в четверть длины волны от полуволнового симметричного вибратора, действует как отражатель. Почему это действительно так, можно пояснить следующим образом. Локальное поле возбуждаемой (основной) антенны индуцирует в пассивном элементе заряды и токи противоположного знака, но из-за расстояния в четверть длины волны эти токи и заряды отстают от соответствующих токов и зарядов в основной антенне приблизительно на четверть периода, т.е. ток в пассивном элементе опережает ток в основной антенне приблизительно на 90° . Диаграмма направленности возбуждаемой антенны с пассивным элементом определяется путем наложения обоих излучаемых волновых полей. Эта ситуация очень похожа на рассмотренную для ненаправленной (в горизонтальной плоскости) решетки АМ-вещания; ее диаграмма направленности показана пунктирной линией на рис. 5. Эти две волны имеют тенденцию гасить друг друга в направлении к пассивному элементу и усиливать друг друга в противоположном направлении; следовательно, пассивный элемент действует как отражатель. Пассивный элемент не обязательно должен находиться на расстоянии в четверть волны от возбуждаемой антенны. Если его поместить очень близко к ней, например на расстоянии всего 0,1 длины волны, он тем не менее будет действовать как отражатель, если его длину сделать чуть больше половины длины волны. Увеличение длины пассивного элемента делает его индуктивным, в результате чего текущий по нему ток отстает по фазе от электродвижущей силы, индуцируемой полем основной антенны. Если же близко расположенный пассивный элемент сделать чуть короче половины длины волны, он становится направляющим («директором») и концентрирует излучение на своей стороне от основной антенны. Все вышесказанное имеет непосредственное отношение и к приемным антеннам. Поскольку диаграммы направленности при передаче и приеме одинаковы, пассивные директоры и отражатели можно использовать в телевизионных приемных антеннах для получения необходимой диаграммы направленности. Типичная высоконаправленная антенная решетка с одним отражателем и тремя директорами показана на рис. 9.
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны
- преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование - электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности - графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название - антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 - фидер, 2 - рефлектор, 3 - директоры, 4 - активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор - активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Направленность - двулепестковая
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность - рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 - это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация - это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный - горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
PS:
Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.ТВ антенна – это устройство для улучшения качества приема волн телевизионных каналов. Принятый с ее помощью сигнал передается на телевизор по , который обеспечивает минимальное искажение. Антенны могут использоваться для приема аналогового, цифрового либо спутникового сигнала, что зависит от их конструктивных особенностей. На данный момент на территории России самыми распространенными являются антенны аналогового телевидения. Его трансляцию ведет Останкинская башня, используя метровые и дециметровые волны.
Виды телевизионных антенн
Устройство является очень распространенным, поскольку практически ни один телевизор не сможет работать без антенны, за исключением тех, которые подключаются к кабельному телевидению. Различные населенные пункты имеют разную удаленность от ретранслятора. Одни дома могут быть расположены в сотнях километрах от них, а другие всего в нескольких шагах. Этот фактор напрямую влияет на мощность антенны, которая позволит принимать сигнал приемлемого качества, компенсируя удаленность. Все ТВ антенны можно разделить на 3 категории:
- Комнатные.
- Уличные.
- Спутниковые.
Комнатная ТВ антенна
Эти устройства устанавливаются внутри помещения. Они самые дешевые, а кроме этого не требуют сложного монтажа. При выборе в их пользу не придется прокладывать коаксиальный кабель на улицу, проделывая сквозное отверстие в фасадной стене или раме окна. Огромным недостатком данной конструкции является слабый сигнал. В связи с этим их устанавливают только в зонах с расстоянием до 30 км от телецентра или ретранслятора. На более дальней дистанции получаемый сигнал будет иметь сильное искажение, что не позволит просматривать качественную картинку телепередач.
Комнатные антенны также могут оснащаться усилителем сигнала. Чем дальше от ретранслятора, тем более мощный усилитель потребуется. Данные устройства по конструкции разделяют на два вида:
- Стержневые.
- Рамочные.
Стержневые
Это самые слабые комнатные устройства. Они имеют 2 или 4 телескопических усов-вибраторов, которые и улавливают сигналы. Их длина обычно не превышает 1 м. Они подключаются к специальной подставке, которая внутри имеет согласующий трансформатор, передающий сигнал на коаксиальный кабель и дальше на телевизор. Использование такой конструкции имеет свои преимущества. Она легкая, а благодаря телескопическим усам может компактно складываться для транспортировки.
Если ретранслятор сигнала находится близко, усы можно сделать короткими, чтобы они не занимали полезное пространство. При отдаленности телебашни их высота ставится на максимум, что позволяет компенсировать расстояние. Зачастую стержневая ТВ антенна идет в комплекте с телевизором. Большинству она известна под народным названием «рожки». Такие антенны хорошо принимают волны в метровом диапазоне. Для проведения их настройки необходимо менять не только высоту, но и расстояние между усами, для чего предусматривается их крепление с помощью шарниров. Большим недостатком стержневой антенны является отсутствие универсальной настройки. Выставив положение усов для хорошего приема одного канала, второй начнет транслироваться на экране с помехами.
Рамочные
Более или менее совершенными являются устройства рамочного типа. Они улавливают сигналы в дециметровом диапазоне. Эти устройства имеют металлический контур, выполненный в виде рамки, которая закреплена на подставке. Такое оборудование все же лучше чем стержневое, но все равно далеко от идеала. Его не получится использовать при значительной удаленности от ретранслятора или телебашни.
Уличная ТВ антенна
Более мощными являются наружные антенны для приема телевизионного сигнала. Они устанавливаются на возвышении в зонах открытой видимости. Зачастую такие антенны можно увидеть на крышах многоэтажных домов. Жители частного сектора устанавливают их на вершине высокой металлической трубы зафиксированной вертикально. В этом случае обеспечивается возвышение на 10-15 м, что позволяет компенсировать искажение волн стенами домов и ветвями деревьев. Фактически, чем больше вокруг преград для сигнала, тем на более высокое расстояние необходимо поднять антенну.
Данные устройства бывают различной внешней конструкции, но все они разделяются на 2 вида по принципу действия:
- Активные.
- Пассивные.
Активная конструкция
Такая ТВ антенна имеет , что позволяет принимать сигналы намного качественнее и компенсировать помехи. Подобные устройства выбираются в том случае, если ретранслятор находится далеко, а перед антенной имеются серьезные преграды рассеивающие сигналы, такие как дома, лесные массивы и линии электропередач. Также активное устройство потребуется, если установка ведется на низине, когда нет прямой видимости между источником трансляции и точкой приема.
Активные антенны могут передавать сигнал на несколько телевизоров. Для этого необходимо просто использовать специальный тройник для коаксиального кабеля. Применяемый у них усилитель требует отдельного источника питания. Для этого предусматривается понижающий блок на 12 вольт. Он подключается к коаксиальному кабелю у телевизора и подает напряжение к точке приема к усикам-вибраторам, возле которых находится скрытая в герметичном корпусе плата усилителя.
Пассивные устройства
Такие антенны стоят дешевле, но их можно выбирать только в том случае, если имеется прямая видимость без препятствий между точкой приема и оборудованием трансляции. В таких условиях использование усилителя не нужно. Жители отдельных домов могут проживать слишком близко к транслирующей башне, поэтому им нужна именно такая антенна. Но даже она может принимать сигнал с искажением от того, что он слишком сильный. В этом случае потребуется установка специального оборудования – аттенюатора. Он позволяет компенсировать этот недостаток, уменьшив силу сигнала до приемлемого для телевизора уровня.
Спутниковая антенна
Безусловно, самым лучшим оборудованием для получения телевизионного сигнала является спутниковая ТВ антенна. Она улавливает трансляцию не от расположенной на земле телебашни, а со спутника. Это массивная конструкция, которая стоит в разы дороже, чем уличные и тем более комнатные устройства. Антенна состоит из большой тарелки из металла окрашенной в белый цвет, которая выступает в роли экрана для фокусировки спутниковой трансляции. Попавшие на нее волны улавливаются конвертером, который выполнен в виде небольшой головки размером немного меньше кулака. Он настраивается на определенный спутник и принимает все телеканалы, которые тот передает. Количество конверторов на антенне отличается в зависимости от региона, но редко превышает 3 штуки.
Сигналы обычных трансляторов на земле и спутниковых отличаются, поэтому телевизор не может их воспринимать. В связи с этим между инвертором и телевизионным экраном устанавливается ресивер. Он представляет собой небольшое устройство, габариты которого немного меньше чем DVD приставки. Его задача заключается в трансформации спутникового сигнала в стандартный для телевизора.
Обычно, если в доме имеется два телевизора, то для каждого из них потребуется отдельная ТВ антенна, что обусловлено спецификой конвертера. При приеме одного канала со спутника он не может одновременно обрабатывать другой канал. Иными словами, если провести такое подключение, то все телевизоры будут показывать один телеканал.
Сравнительно недавно данная проблема была решена. Появились универсальные конвертеры, которые позволяют проводить подключение к двум телевизорам, сохранив возможность просмотра разных каналов. В их конструкции предусматривается два входа для подключения коаксиального кабеля. К сожалению, конструкция не идеальна. При выборе такого конвертера, будет использоваться одна ТВ антенна, но все равно к каждому телевизору потребуется подключить по ресиверу.
Спутниковые устройства передают на телевизор намного более качественный сигнал, чем наземные станции, поэтому пользуются большой популярностью, особенно в регионах, где трансляторы находится очень далеко. Даже вместе с очень сложным рельефом удастся смотреть телевизионные программы с идеальной картинкой, что было бы невозможно при использовании наружной антенны. Помехи при трансляции со спутника могут возникать только в случае сильной грозы или интенсивного снегопада.
Спутниковые антенны имеют массу преимуществ. Они безусловно лучше остальных видов, но у них имеется и недостаток. Помимо большей стоимости, они требуют квалифицированного обслуживания. Провести их установку самостоятельно вряд ли удастся, поскольку нужно изначально проверить качество сигнала и выставить тарелку в правильном направлении под нужным углом. Кроме этого, чтобы ресивер работал правильно, необходимо записать частоты каналов трансляции, которые периодически меняются. После прошивки можно будет просматривать все каналы на протяжении нескольких месяцев, после чего некоторые из них начнут исчезать, пока из сотен не останется всего несколько штук. Потребуется снова проводить перепрошивку. Сделать это самостоятельно сложно, потому что требуется специальный кабель и программное обеспечение с кодами каналов. Придется периодически обращаться в специализированные сервисные центры, услуги которых не бесплатны.
Если при нормальных погодных условиях спутниковая ТВ антенна начинает транслировать сигнал с помехами, то скорее всего это связано с отсутствием прямой видимости между тарелкой и спутником. Обычно это связано с разрастанием деревьев. Достаточно обрезать ветки и качество сигнала восстанавливается. Кроме этого, проблема может заключаться в изменение положения конвертера. При монтаже антенны он выставляется под правильным углом относительно расположение спутника. Если угол немного меняется, то качество приема искажается. Обычно во время сильного ветра плохо закрепленная тарелка может немного повернуться, буквально на несколько сантиметров. В этом случае требуется ее перенастройка. Это довольно сложно сделать без специального диагностического оборудования.
является наиболее простейшим типом антенно-фидерных устройств, и представляет собой прямолинейный проводник, у которого в симметричных (относительно середины) точках токи равны по величине и имеют одинаковое направление в пространстве. На рис.3.1. показан пример распределения тока, характерного для симметричного вибратора. Здесь в симметричных точках Z и -Z выполняется условие Iz=I-z. Стрелки на рисунке показывают, что токи в указанных симметричных точках имеют одинаковое направление. Естественно, что это направление показано для некоторого момента времени.На рис.3.2. показаны диаграммы направленности симметричных вибраторов с разным соотношением L/l. Указанные фигуры представляют собой диаграммы направленности в плоскости, проходящей через ось вибратора. Пространственные диаграммы направленности представляют собой поверхности тел вращения, образуемых при вращении каждой кривой вокруг оси вибратора.
Рассмотрение рис.3.2. показывает, что пока полная длина вибратора (2L) не превосходит длины волны (или точнее 1,25l), максимум диаграммы излучения получается в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. При 2L<=l в диаграммах отсутствуют боковые лепестки. Когда L становится большим, чем l, в диаграмме появляются боковые лепестки, а уже при 2L=3/2l направления максимума диаграммы излучения получаются не в направлениях, перпендикулярных к оси вибратора, а под углом к ней, примерно равным 400. При значительном увеличении отношения l/L максимум диаграммы прижимается к оси провода. Излучение вдоль оси вибраторов отсутствует при любых длинах.На практике часто используются антенны, состоящие из большого числа идентичных вибраторов - многовибраторные антенны. Многовибраторная антенна представляет собой так называемую решетку излучателей. Решетки же из вибраторов (многоэтажная синфазная антенна и антенна волновой канал) являются достаточно простыми.
Антенна волновой канал.
Антенна типа волновой канал представляет собой систему вибраторов, имеющих длину, близкую к половине длины волны, и расположенных перпендикулярно прямой линии, вдоль которой происходит излучение. Активным в антенне является только один вибратор, а остальные вибраторы - пассивные (рис.3.3.).
Первый вибратор пассивный называется рефлектором, за ним располагается активный вибратор, а затем вновь пассивные вибраторы - директоры. Антенна волновой канал излучает в направлении директоров и имеет диаграмму направленности близкую к игольчатой. Число директоров можно определить по заданному КНД антенны, используя приближенное соотношение:D=5N, где N - число директоров.
Методы расчета волнового канала позволяют получить лишь ориентировочные результаты, которые затем уточняются экспериментально.
Несимметричный вибратор.
Если вибратор расположен на расстоянии H от идеально проводящей плоскости, то в соответствии с принципом зеркальных изображений он эквивалентен двум вибраторам, расположенным на расстоянии 2H, причем вторым вибратором является зеркальное изображение первого. Если вибратор параллелен плоскости, над которой он расположен, то его изображение противофазно, если же перпендикулярен - синфазно. Указанное обстоятельство позволяет использовать только одно плечо симметричного вибратора, устанавливая его непосредственно у идеально проводящей плоскости перпендикулярно к ней. Выполненная таким образом вибраторная антенна называется несимметричным вибратором, причем ее параметры можно легко определить. Однако том случае, когда плоскость, над которой расположен вибратор, имеет конечную проводимость, расчет параметров антенны весьма сложен.
Для улучшения к.п.д. несимметричных вибраторов и уменьшения влияния свойств земли на его параметры делают заземление антенны или противовес. Заземление антенны представляет собой систему проводников, которую зарывают на некоторую, обычно не очень большую, глубину в землю. Противовес же является системой проводников, расположенных на некоторой высоте над землей. Размеры площади, охватываемой заземлением антенны (впротивовесом), должны быть достаточно большими (больше длины волны), а расстояние между проводниками следует брать небольшим (меньше четверти длины волны).
Характеристики вибратора в режиме 1/4l
Этот тип антенн представляет собой вибратор, у которого длина плеча равна четверти длины волны. У такого вибратора пучность тока находится точно у зажимов, а напряжение на них оказывается равным нулю. Входное сопротивление вибратора чисто активное, а реактивное сопротивление равно нулю. В виду отсутствия реактивной составляющей к.п.д. такой антенны будет максимальным. Вибратор ведет себя как последовательный резонансный контур с RA=73 Ом. Такой режим называют режимом работы на собственной (резонансной) волне. Иначе говоря, собственной волной антенны называют наибольшую длину волны, при которой реактивное сопротивление равно нулю.
Коэффициент направленного действия равен 1,641 и диаграмма направленности этого вида антенн имеет двухлепестковый характер с максимумами в направлении 900 и 2700 (см.рис.3.2.). Такие вибраторы применяются при проектировании узкополосных антенн в виду того, что значительно упрощается процедура согласования с фидерным трактом (выходом передатчика).
Характеристики вибратора в режиме L=5/8l
При длине плеча вибратора L=5/8l, диаграмма направленности несимметричного вибратора имеет один главный лепесток в направлении, перпендикулярном оси вибратора и два небольших боковых лепестка (рис.3.2.). Несмотря на наличие боковых лепестков направленность излучения в направлении, перпендикулярном оси вибратора, получается максимальной.
Это значит, что коэффициент усиления такой антенны будет максимальным. Реактивное сопротивление вибратора носит чисто емкостной характер и является относительно большим.
Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы формировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов. Настройка антенн коллинеарного типа нуждается в точном расчете. На рис.3.5. изображены типичные конструкции коллинеарных антенн с графическим пояснением принципов их работы. В антенне на рис.3.4.а между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.
Антенны, показанные на рис.3.4.б, в обычно известны как коаксиальные коллинеарные антенны. Этот вид антенн используются как антенны для автомобиля, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, потому эти антенны узкополосные.Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенн, исключить участки ее с токами противоположного направления. На рис.3.5. показаны варианты реализации антенны Маркони-Франклина.
Катушки на рис.3.4.а и участки линий на рис.3.4.б имеют электрическую длину полволны; в этих катушках и участках токи имеют противоположное направление, но они не излучают. На остальных излучающих участках антенны токи синфазны. Рис.3.6. поясняет конструкцию и принцип работы антенны из отрезков коаксиальной линии с перекрещиванием (рис.3.5.).
Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность трубы служат линией питания, к которой в точках "а" и "б" подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей трубы 1 и 2 или 3 и 4. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли, и не будет излучать. На рис.3.6. показан вариант такого вида антенны, отличающийся большей технологичностью в производстве.
Все современные коллинеарные антенны, как правило, заключеаются в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, защищающий от климатических воздействий являющийся опорной конструкцией.
У антенн, запитываемых с одного конца, каковыми являются все рассмотренные выше коллинеарные антенны, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением, особенно у антенн с относительно большими поперечными сечениями. Это приводит к расширению основного лепестка, уменьшению боковых лепестков и КНД. Эти антенны узкополосны, поскольку правильная фазировка их элементов определяется соотношением длины волны и размеров частей антенны.Применение таких антенн в качестве стационарных для базовых станций в отличие от антенных решеток имеет ряд преимуществ. Такие антенны легко монтируются в виду небольших массогабаритных характеристик, имеют довольно высокий коэффициент усиления и равномерную круговую диаграмму направленности.В качестве антенны подвижного средства могут также применяться коллинеарные антенны особенно для высокочастотных диапазонов 800…900 МГц.
Антенна, показанная на рис.3.7., представляет собой антенну Маркони-Франклина с малым числом секций и одной фазирующей катушкой. Катушка используется и в части механических свойств - придает антенне гибкость, желательную для антенн подвижных средств.
Входное сопротивление антенны оказывается чисто активным лишь при работе на резонансных волнах. Если антенна возбуждается на других волнах, то для подведения к антенне максимальной мощности передатчика необходимо произвести настройку антенны, осуществляя согласование. Т.е. скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления. В режиме удлинения, характерном для этого типа антенн, для компенсации реактивной составляющей обычно используют катушку индуктивности, которая как бы удлиняет вибратор (рис.3.8).
Индуктивность полностью включенной катушки должна быть такой, чтобы ее сопротивление скомпенсировало емкостное сопротивление антенны.
Укороченные антенны (антенны в режиме удлинения) находят широкое применение как антенны, устанавливаемые на подвижных объектах (автомобиль, самолет и т.д.). Это вызвано тем, что такие антенны легко маскируются, противостоят значительным ветровым нагрузкам и удобны в эксплуатации. Но на длинах волн, не кратных 0,25l, возрастает реактивная составляющая входного сопротивления антенны, что приводит к усложнению настройки антенны. При длине плеча L=5/8l достигается максимальная характеристика направленности антенны, но входное сопротивление имеет сильную емкостную составляющую, для компенсации которой и ставят катушку согласования.
Конструктивные особенности антенн для автомобиля и стационарных антенн.
Основные требования, предъявляемые к конструкции антенн для автомобиля - компактность и устойчивость работы в сложных условиях эксплуатации на транспортном средстве. При использовании в системах специальной подвижной связи в ряде случаев добавляется требование скрытности размещения. По этим причинам в составе радиостанций подвижных объектов применяются одновходовые антенны, имеющие малые габариты и простую конструкцию. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют несимметричные вертикальные вибраторы, устанавливаемые на крыше автомобиля и использующие ее в качестве противовеса.
В качестве антенн подвижных объектов могут также применяться и более эффективные коллинеарные антенны, обеспечивающие более высокий КНД. Однако при этом увеличивается вертикальный габарит автомобиля, усложняется и удорожается конструкция самой антенны, возрастают ветровые нагрузки от набегающего потока воздуха при движении. Кроме того, при использовании коллинеарной антенны, вследствие значительного ее вертикального размера, затрудняется обеспечение скрытности.
Несимметричный вертикальный вибратор представляет собой трубку, нижняя точка которого есть точка питания вибратора.
По способу установки излучателя на крыше кузова автомобиля есть два варианта исполнения: с закреплением излучателя посредством болтов или винтов и с фиксацией положения излучателя посредством постоянного магнита, размещенного на основании. Первый вариант крепления антенны для автомобиля обеспечивает наиболее надежную фиксацию излучателя. Однако он предполагает наличие отверстий в крыше кузова не допускает изменение положения излучателя. Второй вариант позволяет оперативно изменять положение излучателя или вовсе снимать его с крыши. Постоянный магнит помещен в тороидальный магнитопровод, который является проводником и одновременно служит основанием ("землей" для согласующей схемы). По высокой частоте электрическая связь основания с крышей обеспечивается через болты и через емкость между основанием и крышей, а при использовании магнитного основания - только через эту емкость. Для используемых частот ее величина достаточно высока.
Основными электрическими характеристиками антенн для автомобиля являются коэффициент усиления, характер диаграммы направленности, уровень согласования и ширина полосы согласования. Допустимая входная мощность в данном случае не является критичным параметром, поскольку мощности передатчиков на подвижных объектах обычно невелики.
Размещение излучателя антенны в целях скрытия или по эстетическим соображениям, вблизи от металлических поверхностей кузова, в углублениях (например, фар) и т.п. приводит к уменьшению сопротивления излучения, следовательно, к ухудшению согласования, сокращению рабочей полосы частот; кроме того, искажается диаграмма направленности антенно-фидерного устройства. В этом смысле размещение вертикально поляризованной антенны, например, вертикального штыря, на крыше автомобиля является оптимальным. При смещении такой антенны от центра крыши к краю входное сопротивление антенны, а следовательно, ее согласование с фидером, будет изменяться относительно мало, поскольку оно определяется преимущественно ближними реактивными полями, ограниченными относительно небольшими расстояниями от антенны, т.е. небольшим участком крыши. Но этого нельзя сказать о диаграмме направленности. Представив крышу металлическим листом ограниченных размеров, получим диаграммы направленности, примерно соответствующие показанным на рис.3.9 - 3.11.
При размещении вертикального вибратора в центре листа размеров три длины волны получим приподнятую и симметричную диаграмму направленности в вертикальной плоскости (рис.3.10.).
При смещении вибратора к краю листа (рис.3.11.) диаграмма направленности в вертикальной плоскости становится несимметричной: с той стороны, где вибратор ближе к краю, диаграмма направленности приподнята больше.
Азимутальные диаграммы направленности при круговом листе будут ненаправленными, при прямоугольном - близки к ненаправленным. На рис.3.11. приведен для этого случая примерный вид азимутальной диаграммы направленности под углом 300 к горизонту - она уже существенно отличается от ненаправленной. Очевидно, что оптимальным местом размещения антенны является середина крыши автомобиля.
При размещении антенно-фидерных устройств на стационарных объектах должно соблюдаться территориальное разнесение передающих и приемных антенн, обусловленное требованиями электромагнитной совместимости, рационального и эффективного использования радиооборудования, антенно-фидерных устройств и площади, на которой предстоит размещать антенны.
Взаимное влияние между антеннами может проявляться в боковом отклонении главного лепестка горизонтальной диаграммы направленности, в увеличении уровня ее боковых лепестков и угла отжатия от земли максимума вертикальной диаграммы. Для предотвращения подобного рода нежелательных явлений необходимо избегать расположения рядом с антенной проводов и других антенных устройств, размеры которых близки к резонансным с рабочей волной антенны. Недопустимым является взаимное влияние антенн. Для неискаженного формирования диаграмм направленности перед каждой антенной должна быть создана так называемая площадка свободной зоны.
Значительное влияние на формирование диаграммы направленности оказывает способ монтажа антенны (сверху мачты или на боковой стороне или ребре), а также размеры характер поперечного сечения мачты. На рис.3.12. показана зависимость искажения диаграммы направленности от поперечных размеров и сечения мачты.
Из рисунка видно, что увеличение диаметра мачты неизбежно приводит к образованию провала в ДН в азимутальной плоскости с тыльной, относительно антенны, стороны. Кроме того, для уменьшения взаимного влияния двух антенн (приемной и передающей) проводят их разнесение по фронтальной плоскости.
Зависимость затухания сигнала (в дБ) от отношения расстояния разноса антенн к длине волны показано на рис.3.13. При желаемой (заданной) развязке между антеннами в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) по графику определяется горизонтальное разнесение между антеннами (в метрах). Когда горизонтальное разнесение антенн по каким-либо причинам не представляется возможным (или достаточным), применяют и вертикальное разнесение антенн. На рис.3.14. представлен график зависимости затухания сигнала (в дБ) от отношения величины разнесения антенн к длине волны.
Величину вертикального разнесения антенн при желаемой (заданной) развязке между ними в дБ и известной длине рабочей волны (в метрах) определяется по графику также как и для горизонтального.Для обеспечения устойчивости связи необходимо учитывать все приведенные выше параметры размещения антенн и учитывать возможности взаимного влияния антенн друг на друга, особенно в условиях ограничения площадок развертывания антенных систем.
