Теория радиоволн: антенны
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.
Диаграмма направленности следующая:
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
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.
НАЗНАЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН
Антенны служат для преобразования радиоволн в переменный электрический ток и наоборот. Любая радиоантенна может работать как на прием, так и на передачу сигнала. Главные характеристики этих устройств описаны ниже.
Антенны проектируют и строят с учетом рабочего интервала частот — полосы пропускания. У одних конструкций она может быть шире, у других уже. Для телевидения, WiFi, мобильной связи, GPS выделяются разные радиодиапазоны.
Антенну называют направленной, если мощность ее излучения в одну из сторон существенно больше, чем в остальные. Для того, чтобы наглядно показать, как меняется мощность в зависимости от направления, строят диаграммы направленности.
Ненаправленные антенны одинаково действуют на все 360 градусов, их диаграмма имеет круговую форму. Радиоантенна с диаграммой направленности в форме сферы называется изотропной. Теоретически доказано, что построить ее невозможно. Тем не менее изотропный излучатель используют в качестве эталона для того, чтобы сравнивать радиоантенны и показывать, насколько хороша та или иная конфигурация.
Соотношение мощностей излучения исследуемой и эталонной радиоантенн характеризуется коэффициентом усиления. Реальные антенны всегда излучают в каком-то направлении меньше, в каком-то больше. Если не оговорено иное, то в характеристиках указывают пиковый коэффициент усиления.
Для коэффициента усиления принята логарифмическая единица измерения децибел (десятая часть бела). Чтобы посчитать соотношение двух мощностей в децибелах нужно подставить их в формулу L = 10*lg(P/Pi), где L – коэффициент усиления антенны, P – мощность ее излучения, Pi — мощность изотропного излучателя при тех же условиях.
Чтобы подчеркнуть сравнение с изотропным эталоном, такие децибелы обозначают как дБи. В технических характеристиках изделий принято обозначение дБ.
Если к конструкции радиоантенны добавлен электронный усилитель, ее называют активной. Производители указывают коэффициент усиления таких изделий с учетом усилителя. Электронные усилители производят шумы, которые могут искажать сигнал, поэтому не рекомендуется применять их без необходимости.
Если входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению кабеля (фидера), по которому она подключается, применяют согласующие устройства. ТВ-кабели в подавляющем большинстве стран (включая РФ) имеют волновое сопротивление 75 Ом. Кабели для WiFi, GSM, 3G, 4G, радио, GPS выпускают с волновым сопротивлением 50 Ом.
Производители изготавливают антенны с входным сопротивлением, согласующимся с волновым сопротивлением кабеля.
Для большинства радиоантенн это половина длины волны. Но есть исключения. Например, в конструкцию параболических антенн входит отражатель («тарелка»), диаметр которого может намного превышать длину волны.
Размеры радиоантенн WiFi. GPS, GSM, смонтированных на печатных платах, напротив, бывают существенно меньше половины длины волны благодаря применению материалов с большой диэлектрической проницаемостью. Существуют антенные поля площадью в несколько гектаров и антенны, чей размер измеряется в миллиметрах.
ВИДЫ И ТИПЫ АНТЕНН
Известно множество конструкций радиоантенн. Наиболее удачные из них стали массовыми.
Самые простые и, возможно, самые распространенные — диполь и четвертьволновая антенна. Первый состоит из двух проводников длиной около четверти волны каждый; второй — из одного проводника длиной около четверти волны. Четвертьволновую антенну часто называют «штырем». Диполь и «штырь» — это узкополосные радиоантенны с коэффициентом усиления 2 — 5 дБ.
Штыревая антенна одинаково излучает/принимает сигнал во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной своей оси. Вдоль оси излучение отсутствует. Такие радиоантенны используют, если взаимное положение передающего и принимающего устройств все время меняется. Поэтому «штыри» часто можно видеть на автомобилях, портативных радиоприемниках, рациях, WiFi-роутерах.
Простота конструкции способствует применению и в случае относительно неподвижных объектов: знаменитая комнатная телевизионная антенна «усы» — не что иное, как диполь. Для того, чтобы нивелировать недостатки, связанные с узкой полосой пропускания, «усы» делают телескопическими, и их можно подстраивать на нужную длину волны.
Основной прием (передача) «волнового канала» идет в направлении директора. Директоров может быть несколько. Добавление каждого нового элемента повышает коэффициент усиления и уменьшает угол действия (повышает направленность).
Альтернативой «волновому каналу» при приеме телевизионного сигнала служит логопериодическая антенна. Она внешне напоминает антенну Яги, но у нее другая конфигурация. Эта широкополосная радиоантенна с коэффициентом усиления 6 — 7 дБ изобретена в 1958 году Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамелем в Университете штата Иллинойс (США).
Логопериодическая антенна состоит из ряда активных элементов (диполей), расположенных в порядке убывания их длины. Добавление новых элементов увеличивает полосу пропускания. Пик диаграммы направленности находится со стороны более короткого диполя.
Что касается еще одной популярной конструкции — панельной антенны (патч), то она наиболее часто применяется для WiFi, GSM, 3G, 4G, GPS. Такая узкополосная направленная радиоантенна с коэффициентом усиления 5 — 10 дБ представляет собой прямоугольную (иногда эллиптическую) пластину и пластину-отражатель (экран), разделенные слоем диэлектрика.
Наибольшее распространение конструкция получила, начиная с 70-х годов 20-го века, когда панельные антенны стали массово применять на печатных платах. Длина стороны прямоугольной пластины патча сопоставима с половиной длины волны, если между пластиной и экраном находится воздух или другой материал со схожей диэлектрической проницаемостью.
Параболическую антенну можно получить из любой, поместив ее в фокус отражателя. «Тарелка» делает произвольную антенну узконаправленной, доводя коэффициент усиления до 30-40 дБ. В распоряжении ученых есть несколько гигантских отражателей с усилением 80 дБ, которые используются в составе радиотелескопов.
Полоса пропускания зависит от радиоантенны, помещенной в фокус. Спутниковая антенна — другое название, полученное из-за использования для приема спутникового ТВ.
Для того, чтобы сделать полосу пропускания шире или использовать в работе несколько диапазонов, изготавливают комбинированные конструкции — несколько в одной. Например, распространены наружные ТВ-антенны Яги для дециметровых волн, совмещенные с диполем для метровых волн.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АНТЕНН
В мире существует довольно много технологий и стандартов, предусматривающих передачу информации с помощью радиоволн. Передатчик формирует сигнал в заданной полосе несущей частоты с закодированной на ней информацией Приемник декодирует полученные колебания с выделением полезной информации. Практически любая информация может быть подготовлена и передана при помощи радиоволн.
Для передачи и получения сигнала нужны антенны. Причем их характеристики должны соответствовать параметрам приемопередающей аппаратуры и решаемым задачам по обмену информацией.
Полоса пропускания радиоантенны соответствует диапазону, указанному в ее паспорте. Что касается направленности, то изготовители, как правило, предлагают направленные модели, если ожидается стационарное положение приемника и передатчика.
Направленные антенны широко применяются при усилении сигнала сотовой связи, а штыревые в WiFi ретрансляторах. Комбинации этих типов применяются в GSM репитерах и системах беспроводной сигнализации.
Коэффициент усиления тем важнее, чем дальше разнесены источник и получатель информации. Но также следует обратить внимание на коэффициент усиления, если источник сигнала имеет малую мощность.
© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.
Виды антенн, коэффициент усиления сигнала и диаграмма направленности
Антенна – это приемопередающее устройство для излучения или приема радиосигналов, которые используются для организации связи. При этом она может излучать радиосигналы как во всех направлениях по плоскости, так и иметь узконаправленную диаграмму направленности.
Каждые 3 dBi увеличивают радиус уверенного приема в два раза. Однако это происходит из-за фокусировки в одном направлении и она становится более направленной. Поэтому имея небольшой коэффициент усиления 2 – 5 dBi – достигается зона уверенного приема для устройств поблизости, а с коэффициентом усиления в 7 – 9 dBi – для удаленных устройств.
Всенаправленные антенны
Всенаправленная антенна имеют круговую диаграмму направленности. В радиусе действия равномерно покрывают все пространство. В основном такие антенны представляют собой штыревой вид. Штыревые антенны могут располагаться вертикально или горизонтально. Если положение антенны вертикальное, то в горизонтальной плоскости излучаемая энергия будет распространяться равномерно. Если антенна установлена горизонтально (направленная антенна), сигнал не будет излучаться равномерно, а вдоль оси антенны его вообще не будет.
Направленные и полунаправленные антенны
Направленная антенна фокусируют излучаемую мощность в узкие лучи. Диаграмма направленности имеет главный лепесток и несколько второстепенных. Они служат для усиления слабого сигнала, часто используется для связи на большие расстояния.
Патч-антенна
Патч-антенна – полунаправленный излучатель, использующий плоскую металлическую полосу, установленную над заземляющим слоем. Излучение с задней стороны антенны эффективно отсекается заземляющим слоем, улучшая прямую направленность. Обычно она прямоугольной формы и заключена в пластиковый корпус. Патч-антенна может иметь ширину луча от 30° до 180° и типичное усиление 9 dBi.
Секторная антенна
Параболическая антенна
Параболическая или тарелочная антенны являются распространенный тип направленных излучателей. Параболический отражатель имеет высокую направленность и может фокусировать радиочастотную энергию в луч, обычно не превышающую 25°. Коэффициент усиления зависит от диаметра и частоты. На частоте 2.4 ГГц отражатель длиной 1 метр обеспечит усиление
26 dBi. Чаще всего они используются для связи на большие расстояния между зданиями или на открытых территориях.
Как выбрать телевизионную антенну
Когда нужна телевизионная антенна.
В большинстве городов «рога» антенны над телевизором (как и шаманские действия по её настройке) давно стали достоянием истории – кабельное телевидение практически полностью вытеснило эфирное вещание. Но вот в загородные дома и, особенно, в дачные поселки цивилизация проникла еще не повсюду, а телевизор посмотреть хочется. Да и городов, еще не попавших в паутину кабельного ТВ, на карте России хватает. И здесь телевизионные антенны все еще актуальны.
Но условия приема телевизионного сигнала везде разные – с одного места башню телецентра можно разглядеть невооруженным глазом, с другого – до нее десятки километров. Антенны во всех этих случаях потребуются разные. И, чтобы покупка не разочаровала, следует выяснить условия приема в месте установки антенны, определиться с её характеристиками и только после этого идти в магазин.
Как выяснить условия приема? Хорошо, если телецентр и его передающую вышку видно из окна – тогда вопрос отпадает. А если до телецентра несколько десятков километров – как тогда определить, в каком направлении и как далеко находится ближайшая вышка ретранслятора? Это можно сделать с помощью интерактивной карты цифрового эфирного телевещания на сайте российской телевизионной радиовещательной сети. Следует только выбрать на карте свой регион и приблизить его до нужного масштаба. На карте отмечены как действующие, так и строящиеся вышки. Кроме того, можно просто щелкнуть указателем мыши в нужную точку на карте и в отдельном окне будет выведены расстояние и направление до ближайших вышек – как действующих, так и строящихся.
Характеристики телевизионных антенн.
Размещениебывает комнатным и наружным.
Комнатные, как следует из названия, устанавливаются внутри помещения, как правило, в непосредственной близости к телевизору. Несомненным достоинством комнатных антенн является простота их установки – фактически, большинство комнатных антенн достаточно просто подсоединить к телевизору и на этом установка антенны заканчивается. Настраивать комнатные антенны тоже намного проще в силу того, что качество «картинки» можно отслеживать самостоятельно непосредственно в процессе настройки. Недостатком комнатной антенны является то, что, по сравнению с аналогичной по характеристикам наружной антенной, комнатная гарантированно обеспечит худшее качество «картинки». Фактически, надеяться на хороший прием с комнатной антенны можно только там, где уровень телевизионного сигнала достаточно высокий. Это местность в непосредственной близости к телевышке (3-15 км от неё, в зависимости от мощности передатчика) и точки, находящиеся с этой вышкой в условиях прямой видимости.
Если вы не уверены, что ваш телевизор находится в зоне уверенного приема, но, по каким-то причинам не можете установить наружную антенну, покупайте комнатную антенну с активным усилением и старайтесь обращать её в сторону ближайшей телевышки, в идеале, через окно, направленное в соответствующую сторону.
Наружные антенны имеют больше шансов принять слабый сигнал от далекой телевышки. Для установки в загородном доме или на даче, в удаленной от телевышки местности, следует выбирать именно наружную антенну. Установка таких антенн потребует некоторых усилий и для её настройки потребуется помощник, но все затраты с лихвой окупятся качеством «картинки», которое ни одна комнатная антенна не будет в состоянии обеспечить. При установке наружной антенны не забывайте о важности правильной высоты установки антенны – часто качество сигнала можно значительно улучшить, подняв антенну выше на метр-полтора.
Усилитель ТВ-сигнала может быть необходим, если антенна не размещается в месте уверенного приема. Это может быть при:
— большой удаленности телевизора от передающей антенны телецентра или от ТВ-ретранслятора;
— наличии на линии между телевышкой и телевизором высотных зданий и сооружений;
— наличии на линии между телевышкой и телевизором производственных площадок, электроподстанций и других объектов, излучающих электромагнитные помехи;
— расположении телевизора в низине или за складками местности, препятствующими распространению электромагнитных волн.
Усиление может быть пассивным (внешнее питание отсутствует) – тогда антенна усиливает сигнал только за счет своей конструкции. При отсутствии внешнего питания возможности антенны по усилению сигнала ограничены, но это не всегда является недостатком – активный усилитель привносит в сигнал собственные шумы, которые могут заметно повлиять на качество «картинки». Поэтому выбирать антенну с активным усилением следует только в том случае, если пассивного усиления сигнала недостаточно для получения качественной «картинки».
Активное усиление предусматривает наличие в комплекте антенны отдельного электронного устройства – усилителя ТВ-сигнала. Такое устройство требует внешнего питания – от собственного блока питания или от иного источника (все большее распространение получают модели, подключаемые к порту USB, благо USB сегодня оснащается большинство современных телевизоров). Для мест, сильно удаленных от телевышки, покупка антенны с активным усилителем может оказаться единственным способом получения хоть какого-то изображения на экране. Но и в местах уверенного приема покупка активной антенны может быть оправданной – если планируется подключение к антенне нескольких телевизоров или длина кабеля от антенны до телевизора велика – 10 метров и более.
Как было указано выше, любой активный усилитель привносит в сигнал собственные шумы, возникающие при работе полупроводниковых элементов. К сожалению, соотношение сигнал/шум для антенного усилителя производителем антенны указывается очень редко, поэтому выбирать активную антенну, ориентируясь на этот параметр, получится вряд ли. Поэтому, чтобы избежать покупки антенны с усилителем на низкокачественных компонентах, следует ориентироваться на известных проверенных изготовителей и воздерживаться от покупки самых дешевых моделей.
Усиление каждой антенны образуется из собственного (пассивного) и активного, полученное с помощью усилителя. Если собственное усиление антенны мало (причиной могут быть простая конструкция или некачественная сборка), то наличие в комплекте мощного усилителя делу не поможет – да, сигнал на выходе будет сильный, но зашумленный. Поэтому не стоит гнаться за максимальными величинами коэффициента усиления – конструкция и размещение антенны имеют не меньшую важность. Кроме того, производители часто идут на хитрости и даже на прямой обман, указывая на упаковке коэффициент усиления не соответствующий действительности.
Обе эти антенны имеют заявленную мощность усиления 35 дБ
Не стоит рассчитывать, что дешевая антенна с заявленным усилением 35 дБ даст тот же эффект, что и дорогостоящая наружная антенна сложной конструкции, с коэффициентом усиления те же 35 дБ.
Так же следует иметь в виду, что зоне уверенного приема сигнала чрезмерное усиление может навредить. Поэтому, если вы приобретаете антенну с усилением выше среднего (от 10-15 дБ), выбирайте модели с регулировкой коэффициента усиления. Иначе, в случае переусиления сигнала, телевизор может вообще отказаться что-либо показывать.
Прием сигнала антенной может производиться как на любой частоте вещания, так и только в одном-двух диапазонах.
Прием в FM-диапазоне применительно к антенне означает, что она может быть использована для приема и прослушивания через телевизор радиостанций, работающих в этом диапазоне (88-108 Мгц).
«Не верь глазам своим»
Отдельно следует отметить так называемую «поддержку DVB-T2». Применительно к антенне эта фраза особого смысла не имеет – если антенна работает в диапазоне UHF, то принимать цифровой сигнал DVB-T2 она будет. Если же антенна в этом диапазоне не работает, то поддержки DVB-T2 не будет, что бы ни было написано на коробке. И уж совершенно точно антенна «с поддержкой DVB-T2» не способна обеспечить воспроизведение цифрового телевидения на старом телевизоре, не имеющем тюнера DVB-T2. Если ваш телевизор не обеспечивает прием цифрового телевидения, кроме антенны вам потребуется приставка для цифрового телевидения.
Варианты выбора.
Если ваш телевизор расположен в непосредственной близости от телевышки, и вы уверены в мощности имеющегося ТВ-сигнала, выбирайте простую пассивную комнатную антенну по цене от 240 до 1150 рублей.
Если уровень ТВ-сигнала в месте расположение телевизора невысок, но у вас нет возможности установить наружную антенну, выбирайте комнатную антенну с усилителем. Такая будет стоить 300-3000 рублей, но не стоит выбирать модели из нижнего ценового диапазона – низкокачественный усилитель может навредить больше, чем его отсутствие.
Если вы собираетесь подключить к антенне несколько телевизоров или длина антенного кабеля получается слишком большой, вам потребуется антенна с активным усилителем. Они стоят 400-3000 рублей, но покупать самые дешевые опять же не стоит. Кроме того, нелишне будет обратить внимание на конструкцию антенны – хорошо, если собственное усиление антенны будет достаточно большим.
Если ваш телевизор расположен на большом удалении от ближайшей вышки или в неблагоприятном для приема ТВ-сигнала месте, вам потребуется наружная антенна. Такие можно приобрести по цене от 670 до 2300 рублей.
