Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Семенов Борис Юрьевич. Страница 10

Рис. 10.18. Передающая ТВ антенна

Мы уже знаем, что телевещание возможно в диапазоне волн не ниже УКВ. Из-за этого передающая антенна требует установки на большой высоте — иначе территориальный охват будет очень маленьким. Уникальные сооружения, создаваемые для передающих телеантенн, — телебашни, — наряду с другими историческими памятниками, стали символами крупных городов. Порой только по одному виду, открывающемуся на телебашню, можно назвать город. Передающая телеантенна состоит из ряда дипольных излучателей (вибраторов Герца), расположенных вертикально на специально рассчитанном расстоянии друг от друга.

Излучателей может быть много — десять и больше. Зачем? Если, скажем, передающую антенну выполнить в виде одного диполя, то окажется, что большая часть сигнала будет «уходить» не по направлению к земному горизонту, но также и вверх. Для кого нужны такие растраты сигнала? Для птиц и космонавтов? Электромагнитная волна, формируемая телеантенной, должна иметь вид, напоминающий луч прожектора. А обеспечивает «луч» как раз линейка диполей, выстроенных в ряд. Специалисты говорят, что антенна приобретает острую направленность.

Здесь мы подошли к одному из главных свойств любой антенны, называемом диаграммой направленности. Представить диаграмму направленности можно из следующего примера. Допустим, мы окружили антенну большой шарообразной оболочкой, напоминающей мыльный пузырь, и стремимся замерить в каждой его точке уровень сигнала, исходящий от антенны. Если излучение ненаправленное, в каждой точке пузыря мы измерим одинаковый уровень. А если имеется направленность, на пузыре образуется как бы пятно. Это пятно — зона максимального излучения антенны (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Диаграмма направленности антенны:

_{1 — слабонаправленной; 2 — остронаправленной}

Диаграммой направленности характеризуются и приемные антенны. Направленные антенны, кстати, более предпочтительны в технике телеприема, так как меньше «насасывают» помехи со сторон, расположенных вне зоны максимума сигнала. Однако их надо точнее устанавливать в направлении на передающую антенну.

Чем еще характеризуется та или иная антенна? У нее есть очень важный параметр — действующая высота. Чтобы понять, что такое действующая высота, взглянем на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Эквивалентное представление антенны через источник ЭДС

Антенна — это всего лишь преобразователь электромагнитной волны в ЭДС. Причем, преобразовываться в ЭДС может, как мы уже знаем, и электрическая, и магнитная составляющие. Электромагнитная волна в любой точке пространства характеризуется напряженностью своих компонент — электрической и магнитной. Но напряженность электрического поля, единицей которой служат [В/м], должна быть как-то преобразована в вольты, которые можно будет подвергнуть преобразованиям в тракте радиоприемника. Очевидно, что, домножив напряженность поля на единицу длины, мы и получим те самые долгожданные вольты:

E_c = E·h_д

где Е_с — ЭДС сигнала на входе приемника, В;

Е — напряженность электрического поля в точке приема, В/м;

h_д — коэффициент пропорциональности (действующая высота антенны), м.

Какую информацию несет это соотношение? Очень важную! Оказывается, действующая высота антенны зависит не только от собственно высоты ее установки, но также и от конструктивных параметров. Соответственно, установив в одной и той же точке две разные по конструкции антенны, можно получить разный уровень ЭДС на ее выходе!

Как видно из рис. 10.20, антенна представляет собой простой генератор ЭДС со своим внутренним сопротивлением Z_a. Наличие этого внутреннего сопротивления, которое, в зависимости от конструкции антенны и длины волны, принимаемой ею, может быть и чисто активным, и реактивным. В этой книге мы не будем подробно рассматривать вопросы, связанные с сопротивлением антенны, скажем лишь, что данное обстоятельство вызывает необходимость согласовывать радиоприемник с антенной для более эффективного приема. Теория антенной техники утверждает, что лучше всего передавать в нагрузку (на вход радиоприемника) максимальную мощность, а для этого необходимо соблюсти условие равенства сопротивлений антенны и нагрузки.

Поговорим теперь о конструкциях антенн. Самая простая и до сих пор популярная у радиолюбителей — симметричный вибратор (диполь, вибратор Герца), изображенный на рис. 10.21.

Рис. 10.21. Симметричный вибратор (диполь)

Антенна состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включена линия, соединяющая антенну с приемником, — фидер. Наиболее эффективным считается полуволновой вибратор, у которого длина плеча (l) выбирается равной четверти длины принимаемой волны (λ). Отсюда следует важный вывод: практически все антенны имеют неравномерную частотную характеристику. То есть наиболее эффективный прием будет осуществляться для волны какой-то определенной длины. Чем больше длина волны отличается от расчетной, тем хуже условия приема.

Это обстоятельство заставляет использовать разные антенны для приема волн разных длин. Однако волны с примерно близкими длинами чаще всего можно принимать на одну и ту же антенну, спроектированную на середину диапазона, — без заметного ухудшения качества приема.

Очень важный момент — поляризация волны, о которой мы говорили выше. Передающие антенны ДВ и СВ радиостанций излучают вертикально-поляризованную волну, у которой электрическая составляющая вертикальна, поэтому для ее приема дипольные антенны нужно располагать вертикально. Другой интересный и, возможно, для кого-то печальный вывод можно сделать, рассчитав реальные размеры симметричных вибраторов. Оказывается, только вибраторы УКВ-диапазона могут помещаться в городской квартире. Антенны же для приема волн КВ и уж тем более СВ и ДВ диапазонов имеют очень большие размеры. Поэтому их выносят на улицу, располагая на крыше дома, между домами, между деревьями. Радиовещатели, работающие в этих диапазонах, зная, какая антенна нужна для качественного приема, решили «не издеваться» над слушателями, а просто увеличили мощность своих передающих станций. Коротковолновики-любители не могут произвольно наращивать мощность своих станций до бесконечности, поэтому они просто вынуждены выносить на крыши своих домов тщательно изготовленные крупногабаритные антенны.

В памяти одного из авторов этой книги осталась история, свидетелем которой он был на протяжении десятка лет, совершая выезды на дачу. Напротив железнодорожной станции стоял высокий многоквартирный жилой дом. В ожидании поезда ничего не оставалось, как изучать окрестности, в том числе и заглянуть на крышу этого дома. Так вот, на крыше сначала была протянута горизонтальная проволока полуволнового диполя, потом ее сменил примерно десятиметровый куб на мачте, позже вместо куба появилась плоская решетка. Скорее всего, коротковолновик-любитель, живший в доме, по мере возрастания знаний и возможностей повышал эффективность своей аппаратуры.

Действующая высота полуволнового вибратора рассчитывается по формуле:

h_d = λ/π

Внутреннее сопротивление (Z_a) этого вида антенны составляет 73 Ом. Оно несет чисто активный характер и согласуется со стандартным входным сопротивлением 75 Ом. Диаграмма направленности этой антенны — слабо выраженная. Она имеет вид «восьмерки» и показана на рис. 10.22.