Основні параметри антен
До основних параметрів приймальних антен відносяться наступні:
РОБОЧИЙ ДІАПАЗОН ЧАСТОТ (смуга пропускання) - це інтервал частот, в якому витримані всі основні параметри прийомної антени: узгодження, коефіцієнт посилення, коефіцієнт захисної дії та ін. За смугу пропускання приймається спектр частот (визначається прийнятими телевізійними каналами), на межах якого потужність прийнятого сигналу зменшується не більше ніж в два рази.
ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ приймальної антени характеризує залежність електрорушійної сили (ЕРС), наведеної в антені електромагнітним полем, від орієнтації її в просторі. Будується вона в полярній (сферичної) (рис. 1) або в прямокутної (рис. 2.) системах координат в двох характерних площинах (горизонтальній і вертикальної).
При повороті антени в ту або іншу сторону від нульового напрямку на діаграмі спрямованості відкладаються відносні величини, одержувані шляхом нормування поточного значення Е (амплітуди наведеної ЕРС) до її максимального значення Emax. тобто E / Emax. Якщо звести в квадрат відносні значення ЕРС, які відповідають різним напрямкам приходу сигналу, то можна побудувати діаграму спрямованості по потужності.
Пелюсток, що відповідає максимальному сигналу або нульового напрямку, називають основним або головним, інші - бічними або задніми (в залежності від розташування по відношенню до головного пелюстка) (рис. 1, 2).
Для зручності порівняння діаграм спрямованості різних антен їх зазвичай нормують, для чого максимальну величину ЕРС приймають за одиницю.
Основним параметром діаграми спрямованості є кут розчину (ширина) головного пелюстка, в межах якого ЕРС, наведена в антені електромагнітним полем, спадає до рівня 0,707, або потужність, яка спадає до рівня 0,5 від максимальної. По ширині головної пелюстки судять про спрямованих властивості антени. Чим ця ширина менше, тим більше спрямованість антени.
Форма діаграми спрямованості залежить від типу і конструкції антени. Так, наприклад, діаграма спрямованості напівхвильового вібратора в горизонтальній площині нагадує вісімку, а у вертикальній - коло. Антена «хвильової канал» у своїй діаграмі спрямованості має яскраво виражений головний пелюстка, а зі збільшенням числа директорів в антені головний і бічні пелюстки звужуються, при цьому поліпшуються спрямовані властивості антени.
КОЕФІЦІЄНТ СПРЯМОВАНОГО ДІЇ (КНД) характеризує спрямовані властивості антен і являє собою число, що показує, у скільки разів потужність сигналу, прийнята антеною, більше потужності, яку прийме еталонна антена (полуволновой вібратор). КНД (D) залежить від ширини діаграми спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній площинах. Наближена формула має вигляд:
де: k - коефіцієнт, що дорівнює 1 °;
Н - ширина діаграми спрямованості в горизонтальній площині, град .;
V - ширина діаграми спрямованості у вертикальній площині, град.
На практиці часто потрібно оцінити КНД по відношенню не до ненаправленої, а до дипольної антени. У цьому випадку значення КНД, обчислене за вказаною формулою, має бути зменшено в 1,64 рази. Для розрахунку КНД в децибелах беруть 10 десяткових логарифмів значення КНД (D (дБ) = 10lgD) і для розрахунку по відношенню до диполю зменшують отримане значення на 2,15 дБ.
КНД пов'язаний з коефіцієнтом посилення по потужності Gp співвідношенням:
де: η - коефіцієнт корисної дії (ККД) антени.
На метрових і дециметрових хвилях ККД для прийомних антен близький до одиниці - близько 0,95.
КОЕФІЦІЄНТ ПОСИЛЕННЯ АНТЕНИ показує, наскільки рівень наводимого в ній сигналу перевищує рівень сигналу на еталонній антені. В якості еталонної антени приймають полуволновой вібратор або ізотропну антену (повністю ненаправленная антена, що має просторову діаграму спрямованості у вигляді сфери). Реально таких антен немає, але вона є зручним еталоном, за допомогою якого можна порівнювати параметри існуючих антен. Коефіцієнт посилення напівхвильового вібратора щодо ізотропної антени дорівнює 2,15 дБ (в 1,28 рази по напрузі або в 1,64 рази по потужності). Отже, якщо виникне необхідність перерахувати коефіцієнт посилення антени по напрузі або по потужності щодо ізотропної антени, то необхідно розділити відому величину на 1,28 або 1,64, в результаті чого отримаємо коефіцієнт підсилення відносно напівхвильового вібратора. Якщо G антени вказаний в децибелах щодо ізотропної антени, то для перерахунку його щодо півхвильового вібратора необхідно відняти 2,15 дБ.
Наприклад, якщо щодо ізотропної антени G = 6,5 дБ, то щодо півхвильового вібратора G = 6,5-2,15 = 4,35 дБ.
При порівнянні антен слід звертати увагу на те, як обчислюється коефіцієнт посилення: по напрузі або по потужності:
де: Po - потужність, прийнята антеною;
Pe - потужність, прийнята еталонної антеною;
Uo - напруга на антені;
Ue - напруга на еталонній антені.
Середнє значення коефіцієнта посилення антени в робочій смузі частот - це середнє арифметичне значення коефіцієнтів посилення в децибелах, виміряних на середніх частотах кожного з каналів, що входять в робочу смугу частот, а також на крайніх частотах цієї смуги.
Нерівномірність коефіцієнта посилення - це відношення максимального коефіцієнта посилення до мінімального в смузі частот каналів, що приймаються.
КОЕФІЦІЄНТ ЗАХИСНОГО ДІЇ (КЗД) визначає перешкодозахищеність АНТЕНИ - це відношення напруги, одержуваного від антени на узгодженому навантаженні при прийомі з заднього або бічного напрямку, до напруги на тому ж навантаженні при прийомі з головного напрямку.
Перешкодозахищеність в децибелах визначають за формулою:
У зарубіжних джерелах перешкодозахищеність висловлюють переднезаднім ставленням (ПЗВ), яке характеризує міру спрямованості антени для кутів 0 ° і 180 °. ПЗО є відношенням напруг, що виникають на вході антени при опроміненні її з цих напрямків:
Для однієї і тієї ж антени величини КЗД і ПЗВ по модулю рівні (величина КЗД негативна). Зустрічається визначення помехозащищенности як рівень бічних пелюсток (УБЛ) діаграми спрямованості - це відношення ЕРС при прийомі з боку максимуму найбільшого бічної пелюстки до ЕРС при прийомі з боку максимуму основної пелюстки. Рівень бічних пелюсток представляють в відносних одиницях або відсотках.
При конструюванні антен рівні бічних і задніх пелюсток прагнуть звести до мінімуму, щоб поліпшити перешкодозахищеність антен.
ВХІДНА ОПІР АНТЕНИ характеризує її імпедансні властивості в точці харчування (в місці приєднання фідера) і дорівнює відношенню напруги до струму на вході фідера. У загальному випадку вхідний опір антени Zвх містить резистивную Rвх і реактивну Xвх (емкостную або індуктивну) складові:
Чим менше реактивна складова Хвх і чим ближче Rвх до хвилевого опору фідера лінії, тим краще антена узгоджена. Невиконання умови узгодження призводить до появи багатократних віддзеркалень сигналів в антенному кабелі, що проявляються у вигляді повторних, зсунутих по горизонталі зображень на екрані телевізора і часткової втрати потужності сигналів в фідері.
Для зменшення втрати потужності антену необхідно налаштувати в резонанс з частотою каналів, що приймаються. У разі якщо антена працює в широкому діапазоні ТБ каналів, її слід налаштовувати на середню частоту діапазону. Практично настройка зводиться до підбору геометричних розмірів і елементів антени, а також розташування клем, до яких підводиться лінія фідера. Резонанс антени досягається в тому випадку, коли по довжині вібратора укладається ціле число півхвиль. Якщо число півхвиль, що укладаються уздовж вібратора, непарне (λ / 2, 3λ / 2 і т. Д.), То вхідний опір мало (від 73 Ом при довжині вібратора λ / 2 до 120 Ом при більшому числі півхвиль). Якщо ж число півхвиль парне (λ, 2λ, 3λ і т. Д.), То вхідний опір велика (від 400-500 Ом до 1-2 кОм залежно від діаметра провідників).
На частотах нижче резонансної реактивна складова має ємнісний, а на частотах вище резонансної - індуктивний характер. Вхідний опір антени також залежить від об'єктів, що знаходяться поблизу антени і впливають на розподіл поля в просторі, що необхідно враховувати при установці антени.
Залежність вхідного опору антени від частоти носить назву ЧАСТОТНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Чим менше змінюється вхідний опір антени при зміні частоти, тим ширше смуга її пропускання.
КОЕФІЦІЄНТ біжучої хвилі (КБВ) показує ступінь узгодження приймальної антени з фідером (кабелем) зниження. Він чисельно дорівнює відношенню мінімальної напруги (вузол) лінії до максимального напруження (пучность), які мали б місце при вимірюванні вздовж фідера при роботі антени в режимі передачі:
Виражається КБВ у відносних одиницях: чим більше значення КБВ, тим ефективніше передача сигналу від антени до телевізора. Повне узгодження буде в тому випадку, коли опір антени Ra і хвильовий опір фідера Rф рівні (Ra = Rф). При чисто біжить хвилі струм і напруга по довжині фідера не мають ні мінімуму, ні максимуму, а КБВ дорівнює одиниці. Такий режим узгодження практично отримати важко, цілком достатньо вважати КБВ> 0,5, що відповідає зниженню потужності сигналу до 10%. Чим вище значення КБВ (в антенах різних конструкцій знаходиться в межах 0,25-0,6), тим ефективніше передача сигналу від антени до телевізора і вище якість прийому.
Коефіцієнта стоячої хвилі (КСВ) - величина, зворотна КБВ:
КОЕФІЦІЄНТ ВІДБИТТЯ являє собою відношення амплітуди відбитої хвилі до амплітуди падаючої хвилі:
ДІЄ (ЕФЕКТИВНА) ДОВЖИНА антени характеризує здатність приймальної антени витягувати електромагнітну енергію з навколишнього простору і визначається відношенням ЕДС, наведеної в антені, до напруженості електричного поля в місці розташування прийомної антени:
де: U - значення ЕДС на затисках антени, мВ;
Е - напруженість електричного поля в місці прийому, мВ / м.
Діюча довжина антени (lд в метрах) пов'язана з коефіцієнтом посилення і вхідним опором антени таким чином:
де: λ - середня довжина хвилі, м;
G - коефіцієнт посилення антени;
Ra - опір антени, Ом;
Діюча довжина півхвильового вібратора дорівнює:
Напруга на виході антени, узгодженої з приймачем, визначається наступним чином:
де: U - значення ЕДС на виході антени, мкВ;
Е - напруженість електричного поля в місці прийому, мкВ / м.
Зазвичай поняття діючої довжини вводять для вібраторів з довжиною плеча l <0,7λ.