антенна

Рис. 1. Телескопическая антенна в малогабаритном приёмнике.

Рис. 1.
Телескопическая антенна в малогабаритном приёмнике.

анте́нна приёмная — устройство, используемое (в сочетании с радиоприёмной аппаратурой) для приёма электромагнитных колебаний (волн), излучаемых передающими радиостанциями. Принятое излучение преобразуется антенной в токи высокой частоты, из которых затем приёмником выделяется сигнал передаваемой информации.

Роль антенны в приёме сигналов передающих радиостанций (радиовещательных, телевизионных и др.) чрезвычайно велика. До сих пор ещё широко бытует мнение, что достаточно иметь хороший радиоприёмный аппарат и высокое качество приёма сигналов обеспечено. Это заблуждение. Никакой аппарат не позволит добиться наилучших результатов, если ему не будут созданы соответствующие условия работы; для приёмных устройств одним из таких условий прежде всего является наличие антенны.

Общая характеристика приёмных антенн. Принимаемые антенной электромагнитные колебания характеризуются частотой повторения или длиной волны и напряжённостью электрического поля в месте приёма. Правильный выбор антенны для имеющейся в доме радиоаппаратуры зависит от конкретных значений частот, на которых работает передающая радиостанция. Поскольку длина волны связана с частотой колебаний однозначно (λ=c/f, где λ — длина волны в м; с≈300 000 000 м/с — скорость электромагнитных волн в свободном пространстве; f — частота колебаний в Гц), то электромагнитные колебания, используемые для радиосвязи, часто называют радиоволнами.

Радиоволны условно разделяют на группы — диапазоны, с присвоением каждому специфического наименования. Распределение по диапазонам радиоволн, используемых для радио-, телевизионного вещания и радиотелефонной связи, приведено в таблице; размерность частоты указана в мегагерцах, (1 МГц=1 000 000 Гц).

Диапазоны радиоволн

Диапазон		Наименование диапазона волн	Сокращение	Использование волн
длин волн, м	частот, МГц
3000—600	0,1—0,5	Длинные	ДВ	Радиовещание
600—150	0,5—2	Средние	СВ	Радиовещание
150—10	2—30	Короткие	KB	Радиовещание и радиотелефон
4,61—4,10	65—73	Ультракороткие	УКВ	Радиовещание
3,40—2,77	88—108	Ультракороткие	УКВ	Радиовещание
6,25—1,30	48—230	Метровые	MB	Телевидение
0,63—0,33	470—890	Дециметровые	ДМВ	Телевидение
0,08—0,07	3600—4200	Сантиметровые	—	Спутниковое телевидение
0,028—0,023	10700—13000	Сантиметровые	—	Спутниковое телевидение

К приведённой таблице необходимо сделать два важных примечания.

1. Построение таблицы по принципу последовательного уменьшения длины волны (увеличения частоты колебаний) несколько нарушено расположением ультракоротких волн (УКВ). По сути дела, они являются частью метровых волн, но исторически сложилось так, что участки радиочастот 38…40 и 144…146 МГц были «освоены» радиолюбителями раньше, чем внедрено телевизионное вещание, и, в отличие от коротких волн (КВ), были названы ультракороткими. Это название и сейчас ещё сохраняется в обиходе, но уже разработаны международные рекомендации, в которых предлагаются новые наименования.

2. В современных радиоприёмниках, радиолах и магнитолах диапазон 88…108 МГц часто имеет условное наименование FM (от начальных букв английских слов Frequency Modulation — частотная модуляция). Для иностранных аппаратов это общепринято и привычно (хотя и не совсем логично), так как за рубежом для радиовещания используют только один диапазон УКВ. В России же таких диапазонов два, поэтому называть один из них УКВ, а другой FM в отношении отечественной радиоприёмной аппаратуры и УКВ-радиостанций не вполне корректно.

Для наиболее эффективного приёма сигналов программ радио и телевидения антенна должна отвечать вполне определённым требованиям: оптимальная геометрическая длина, высота установки (или подвеса), направленность приёма, безопасность.

Геометрическая длина конструкции антенны в идеальном случае должна быть равна половине длины волны (или кратна половине длины волны), на которой радиостанция излучает сигналы. Это требование очень жёсткое и поэтому не всегда выполнимо. Если для диапазонов метровых, дециметровых и сантиметровых волн его можно выполнить без особых проблем, то для диапазонов длинных, средних и коротких волн (практически всё звуковое радиовещание) это просто невозможно, так как потребуются антенны длиной в 1 км и более. В этом случае применяют апериодические (ненастроенные) антенны, размеры которых меньше половины длины волны. Эффективность приёма у таких антенн значительно ниже, чем у полуволновых. Однако благодаря тому, что современные радиостанции имеют очень большие мощности, а приёмники — высокую чувствительность, можно использовать упрощённые конструкции антенн.

Высота установки (или подвеса). Выполнение этого требования трактуется однозначно: чем выше над поверхностью земли установлена радио- или телевизионная антенна, тем эффективнее её работа. К этому же требованию относится и такой частный фактор, как удаление антенны от любых крупных металлических предметов — опор линий электропередач, железобетонных конструкций зданий, перекрытий и др. Названное требование нашло отражение в том, что, как правило, антенна устанавливается на мачте. Если нет возможности соорудить мачту, то используют естественные возвышения — высокое дерево, здание (при обязательной электрической изоляции провода антенны от любых предметов). При расположении антенны в комнате условия приёма на верхних этажах значительно лучше, чем на нижних.

Направленность приёма — свойство антенны принимать сигналы с различных направлений в пространстве. В ряде случаев эта характеристика очень важна и даже имеет решающее значение. Например, антенны для радиовещательного приёма, установленные вне здания и на достаточном от него удалении, имеют практически круговую направленность как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При этом, однако, надо учитывать, что в окружающем антенну пространстве (радиолюбители это пространство называют эфиром) на выбранной рабочей частоте могут присутствовать не только сигналы интересующей станции, но сигналы других станций, а также помехи. Поскольку антенна принимает все сигналы одинаково, на выходе приёмника интересующее сообщение окажется неразборчивым. Исправить положение в данном случае можно, только если применить другую антенну, отличающуюся хорошей направленностью.

Антенна, установленная вблизи здания или внутри помещения, тоже приобретает направленные свойства из-за того, что сами здания (особенно железобетонные) экранируют её от радиоволн. Поэтому антенна хорошо принимает сигналы только со стороны свободного пространства.

Безопасность. Следует обратить серьёзное внимание на безопасную работу с антенной в условиях атмосферных возмущений, если антенна установлена вне пределов помещения. Сильные порывы ветра можно нейтрализовать использованием дополнительных растяжек мачты тросами. Разряды молний оказывают самое страшное воздействие. Любая наружная антенна должна быть снабжена устройством молниезащиты (в старой терминологии — громоотводом). Как правило, это металлический штырь, возвышающийся над антенной и электрически соединённый с заземляющим устройством. Провод снижения от антенны к радиоприёмнику (фидер) также должен иметь устройство переключения (грозопереключатель) на заземляющее устройство.

При расположении антенны в комнате функции молниезащиты выполняют соответствующие устройства, установленные для здания.

Антенны для приёма сигналов радиовещания. Самой простой антенной для приёма радиостанций является телескопический штырь (рис. 1). Антенна состоит из нескольких отрезков металлических трубочек (колен), вставленных одна в другую и имеющих возможность раздвигаться. Длина таких антенн от 0,4 до 1,5 м. В диапазонах ДВ и СВ они работают плохо, несколько лучше в диапазонах КВ и УКВ. Из-за своей простоты эти антенны применяются практически во всех приёмниках с диапазонами КВ и УКВ.

Лучшей антенной для работы в диапазонах ДВ, СВ и КВ считается антенна, выполненная из проводника длиной 25—50 м и подвешенная между опорами (рис. 2 и 3). От середины проводника (Т-образная антенна) или одного из его концов (Г-образная) делается фидер к радиоприёмнику. Провод антенны от опор должен быть отделён изоляторами из радиофарфора. Очень часто такую конструкцию антенны бывает удобнее располагать под некоторым углом к поверхности земли, в этом случае антенну называют «наклонный луч» (рис. 4). В качестве материала для антенны и фидера лучше всего использовать «антенный канатик» — тросик диаметром 3…5 мм, свитый из нескольких медных проводников. Можно воспользоваться толстыми медными проводниками (1—3 мм) с изоляцией или без неё. Проводники из алюминия, стали и другие.гих материалов с более низкой электрической проводимостью, чем у меди, применять нежелательно. В городских условиях такую антенну выполнить труднее, поэтому прибегают к различным её модификациям. Например, антенну длиной 5—10 м располагают между окнами (рис. 5), выходящими на одну сторону дома. Расстояние между стеной дома и проводом антенны должно быть не менее 0,5 м. Если у вас только одно окно, то проводник антенны следует расположить по периметру оконного проёма (рис. 6) на некотором расстоянии (50—100 мм). Другой вариант — длинный провод свить в спираль (рис. 7) диаметром 10—15 мм и растянуть её между имеющимися опорами в оконном проёме (можно и с внутренней стороны).

Если нет возможности установить антенну радиоприёмника за окном, придётся расположить её в пределах комнаты. В том случае, когда дом деревянный или кирпичный с большими окнами, ухудшение качества приёма окажется небольшим. Гораздо хуже, если дом выполнен из железобетона или бетонокерамзита (блочный или панельный) — в таких домах стены оказывают сильное экранирующее действие и препятствуют прохождению радиоволн внутрь помещения. В этом случае антенну следует расположить как можно ближе к окну. В качестве антенны можно использовать длинный проводник (3—5 м), натянутый над окном или протянутый от окна внутрь комнаты. Очень часто в такой ситуации используют спиральную антенну. Кстати, это единственный вариант антенны для радиоприёмника, которую за небольшую цену можно приобрести в магазине.

Для приёма радиостанций в диапазонах ДВ, СВ и КВ применяют ещё один вид антенны — магнитную антенну (рис. 8). Конструктивно она выполнена из проводника, намотанного на ферритовый стержень. Это самая компактная разновидность антенн, поэтому её удаётся разместить внутри приёмника, даже очень маленького, не нарушая интерьера жилой комнаты. Другая характерная особенность магнитной антенны — её высокая направленность. Наилучшие условия приёма радиоволн соответствуют такой её ориентации, когда принимаемая радиостанция расположена в направлении, строго перпендикулярном оси ферритового стержня. Со стороны торца стержня приём может отсутствовать вообще. Это свойство магнитной антенны иногда используют для отстройки от нежелательных станций и источников помех; можно при известных условиях даже локализовать направление на радиостанцию (пеленгация, радиокомпас). Однако такая ярко выраженная направленность не всегда бывает удобна (например, при приёме радиопрограмм во время движения). Кроме того, магнитная антенна имеет сравнительно низкую эффективность приёма.

Телевизионные антенны. Сигналы телевизионных программ очень сложны и занимают полосу частот 6,5 МГц (по стандарту, принятому в России) в диапазонах МВ и ДМВ и до 27 МГц в сантиметровом диапазоне. С учётом значений этих полос весь отведённый для телевизионного вещания участок частот разделён на телевизионные каналы; в диапазоне МВ таких каналов 12, ДМВ — 49. Антенны для приёма телевизионных программ (а также сигналов радиовещания в диапазонах УКВ) выполняют исключительно в виде полуволновых конструкций. Наиболее распространёнными являются линейный и петлевой полуволновые вибраторы (рис. 9). На основе этих конструкций были разработаны другие, более совершенные, телевизионные антенны — целое семейство, получившее наименование «волновой канал». Такая антенна состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных определённым образом вдоль линии, совпадающей с направлением на телецентр. Один из вибраторов (активный) служит для вывода энергии высокочастотных колебаний (к нему подключается фидер); остальные вибраторы (пассивные) — рефлектор (располагается позади активного) и один или несколько директоров (перед активным). Количество вибраторов в антенне «волновой канал» обычно лежит в пределах от 3 и более. На рис. 10 показан вариант пятиэлементной антенны «волновой канал». Полуволновые вибраторы хорошо работают в пределах частот 10—15% от основной частоты настройки (в диапазоне МВ это составляет 1 телевизионный канал, в ДМВ — до 5).

Бурное развитие телевизионного вещания привело к тому, что в пределах диапазонов МВ и ДМВ стали транслировать по несколько программ, размещённых на различных каналах. Делать для каждого канала свою отдельную антенну не очень удобно. Были разработаны специальные конструкции антенн, работающие в широкой полосе частот. К ним относятся частотно-независимые (рис. 11), логопериодические (рис. 12), зигзагообразные (рис. 13).

Переход на работу в диапазоне ДМВ, где длина волны существенно меньше, позволил конструировать очень компактные и несложные антенны. Но, к сожалению, и мощности передающих станций в этом диапазоне тоже меньше. Поэтому для повышения качества и дальности приёма в этом диапазоне стали применять несколько антенн, объединённых в одну систему, — антенные решётки (рис. 14). Такой приём использовался и для конструкций антенн МВ, но они оказывались очень громоздкими, что не всегда позволяло реализовать их в практическую конструкцию.

Установка большого числа индивидуальных телевизионных антенн в городах на крышах многоквартирных домов нецелесообразна — они ухудшают внешний облик строения, затрудняют доступ к обслуживанию других систем (проводного вещания, освещения и др.). Поэтому для организации телевизионного приёма на каждое здание устанавливают одну или несколько антенн коллективного пользования; в последнее время внедряются системы кабельного телевидения (СКТВ), в которых одна антенна обслуживает несколько домов.

И тем не менее в ряде случаев возникает необходимость в индивидуальных телевизионных антеннах. Например, при временной неисправности систем коллективного пользования, на садово-дачных участках, в походах и т. д. Во всех таких случаях требуется малогабаритная, простая по устройству антенна. Отечественная промышленность обеспечивает телезрителей достаточно большим числом малогабаритных антенн, которые можно установить даже непосредственно в комнате.

Как и при приёме радиовещательных станций, из индивидуальных телевизионных антенн наибольшее распространение получила телескопическая антенна (рис. 15), выполненная по принципу линейного полуволнового вибратора. А поскольку раздвижные вибраторы расположены под некоторым углом друг к другу, то такая антенна обладает ещё и свойством частотно-независимых антенн, то есть при приёме любой из программ МВ соблюдение определённой длины вибраторов не очень критично. Делались попытки такую конструкцию выполнить в виде петлевого вибратора из стальной ленты, но в технологическом плане она оказалась более трудоёмкой, поэтому от её серийного производства отказались. Для работы в диапазоне ДМВ сейчас выпускается достаточно много антенн, выполненных по принципу логопериодической структуры. Это многоканальные антенны без каких-либо дополнительных перестроек вибраторов, что очень удобно для пользователя. Для желающих изготовить антенну самостоятельно из подручных материалов (что не очень сложно) рекомендуем воспользоваться технической литературой для радиолюбителей и выпусками журналов «Радио» и «Сделай сам».

В диапазоне сантиметровых волн выделены участки для работы вещательных станций, транслирующих программы через специальные искусственные спутники связи на геостационарной орбите (около 36 000 км над земной поверхностью). В этом диапазоне применение антенн «волновой канал» было бы очень удобным, так как антенна для радиоволн 10 см становится чрезвычайно миниатюрной. Однако то, что мощности передатчиков на спутниках не превышают 500 Вт, плюс их огромное удаление делают такие антенны малоэффективными. Для повышения эффективности приёма в сантиметровом диапазоне применяют антенны с параболическим зеркалом-отражателем (рис. 16).

У телевизионных антенн направленные свойства выражены более ярко. У простого полуволнового вибратора приём наилучший только со стороны, перпендикулярной горизонтальной оси антенны (нормаль), и ослабевает по мере отклонения от нормали (угол раскрыва). При расположении дополнительных вибраторов по обе стороны от активного вибратора (антенна типа «волновой канал») приём со стороны рефлектора вообще невозможен, а по направлению со стороны директоров усиливается и угол раскрыва уменьшается по мере увеличения числа пассивных вибраторов. Это замечательное свойство антенны широко используют в сложных условиях приёма.

Сложными условиями приёма телевизионных сигналов считают приём на большом удалении от телецентра (дальний приём) и в городских условиях. В первом случае сигнал телецентра сильно ослаблен, поэтому требуется антенна с большим коэффициентом усиления (по сравнению с простым полуволновым вибратором). А такой антенной является антенна с очень высоким коэффициентом направленного действия, то есть малым углом раскрыва. В условиях городских застроек наблюдается другое неприятное явление. Длина волны небольшая, а поэтому любые металлические предметы, соизмеримые по длине с длиной волны, могут отражать сигнал в самых разных направлениях. В результате, в месте приёма могут оказаться сразу несколько сигналов одной и той же программы — прямой сигнал и несколько отражённых. В этом случае на экране можно наблюдать несколько изображений, отстоящих на некотором расстоянии (повторы). Иногда этих повторов так много, что смотреть передачу просто невозможно. И в этом случае спасти положение может только высокая направленность антенны. Отражений много и в комнате, где установлена антенна. Поэтому иногда очень долго приходится искать такое положение для комнатной антенны, при котором изображение на экране становится приемлемым. Самое неприятное, что для разных каналов (длин волн) условия отражения отличаются и при переходе на другой канал положение антенны приходится снова подбирать.

В условиях города самым лучшим выходом из положения является применение антенн коллективного пользования или систем кабельного телевидения. В первом случае одна антенна устанавливается на крыше здания для небольшой группы телезрителей (как правило, на подъезд с числом подключаемых телевизоров не более 100). Антенна может состоять из нескольких структур (для работы в различных участках телевизионного вещательного диапазона УКВ) и имеет высокий коэффициент направленного действия. В состав комплекса оборудования обязательно входит широкополосный антенный усилитель для обеспечения качественного сигнала для всех пользователей. Фидер от усилителя проложен по стояку вдоль всех этажей и на каждом этаже имеется по несколько разветвительных коробок для подключения каждого телевизора. Антенна коллективного пользования монтируется, настраивается и обслуживается специалистами.

Система кабельного телевидения отличается тем, что в жилом массиве, обычно на самом высоком здании, устанавливается одна антенна с комплексом усилительной и преобразовательной аппаратуры. А от этого комплекса сигнал по кабелю распространяется в близлежащие дома. Преимущества такой системы заключаются в более простом обслуживании и в возможности «подмешать» от местной региональной студии сигнал дополнительной программы, в том числе коммерческой, со специальными устройствами защиты от несанкционированного доступа к ней пользователей.

Рис. 2. Т-образная антенна для радиоприёмника.

Рис. 2.
Т-образная антенна для радиоприёмника.

Рис. 3. Г-образная антенна для радиоприёмника.

Рис. 3.
Г-образная антенна для радиоприёмника.

Рис. 4.
Антенна "наклонный луч".

Рис. 5. Антенна, расположенная вдоль стены здания между окнами.

Рис. 5.
Антенна, расположенная вдоль стены здания между окнами.

Рис. 6. Антенна в виде рамки по периметру окна.

Рис. 6.
Антенна в виде рамки по периметру окна.

Рис. 7.
Антенна типа "спираль" в оконном проёме.

Рис. 8. Магнитная антенна.

Рис. 8.
Магнитная антенна.

Рис. 9. Антенна типа полуволновой вибратор.

Рис. 9.
Антенна типа полуволновой вибратор:
а - линейный;
б - петлевой.

Рис. 10.
Пятиэлементная антенна "волновой канал".

Рис. 11. Частотно-независимая антенна.

Рис. 11.
Частотно-независимая антенна.

Рис. 12. Антенна с логопериодической структурой.

Рис. 12.
Антенна с логопериодической структурой.

Рис. 13. Зигзагообразная телевизионная антенна.

Рис. 13.
Зигзагообразная телевизионная антенна.

Рис. 14.
Антенная решётка из 4 пятиэлементных антенн "волновой канал" и её согласование.

Рис. 15. Комнатная телескопическая телевизионная антенна.

Рис. 15.
Комнатная телескопическая телевизионная антенна.

Рис. 16. Вариант параболической антенны для спутникового телевидения.

Рис. 16.
Вариант параболической антенны для спутникового телевидения.