Выбор антенны для эфирной цифры. Часть 2

«Волновой канал»

Переход на цифру немного расширил разнообразие применяемых антенных конструкций, но лидерами все равно остаются те же конструкции, которые использовались для приема аналога. Одна из них — антенна типа «волновой канал» (ВК), которую иногда называют Яги-Уда по фамилиям ее разработчиков.

Такие антенны появились в 1926 году и широко использовались во время Второй мировой войны в качестве радаров систем ПВО. Классическая антенна ВК (рис 1) оптимизируется для приема узкого диапазона частот, ширина которого составляет около 10% от величины его центральной частоты. То есть ВК, рассчитанный для частоты 500 МГц, будет оптимально работать и в диапазоне 475—525 МГц.

В прошлом веке было разработано несколько конструкций ВК с различными формами вибраторов, призванных расширить рабочий диапазон. Так появились антенны с директорами в форме зигзагов, петель и треугольников. Подобные модификации позволяют немного улучшить характеристики антенн, но это не всегда оправдано. Директоры в виде бабочки позволяют расширить рабочую полосу антенны, но одновременно удорожают ее производство, транспортировку, а иногда и монтаж, рассказал «Телеспутнику» Виллем-Жан Богарт, менеджер по продажам компании Funke.

Разработчики ВК экспериментировали также с размерами вибраторов и расстоянием между ними. Как правило, расширения полосы удавалось добиться за счет снижений коэффициента усиления. Самой удачной в этом плане оказалась антенна с х-образными вибраторами, предложенная немецким инженером Эберхардом Шпиндлером в 80-х годах прошлого века. Расчет данной антенны изложен в его книге «Практические конструкции антенн». Этот вариант ВК позволил расширить рабочий диапазон без существенного уменьшения коэффициента усиления. С развитием компьютерного моделирования появились и другие варианты расчета антенн такого типа, позволяющие добиться схожих характеристик.

Логопериодические антенны

В 50-х годах прошлого века в США началось массовое распространение эфирного телевидения. Передающие вышки росли как грибы, число каналов увеличивалось, был принят американский стандарт цветного телевидения NTSC. В результате назрела необходимость в широкополосных антеннах. Ответом на требования рынка стало появление логопериодической антенны (ЛПА), разработанной инженерами Иллинойского университета Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамеле. Они запатентовали принцип ее работы в 1958 году — позже он стал основой множества модификаций ЛПА.

По внешнему виду ЛПА похожи на антенны «волновой канал» (рис 2), однако они рассчитаны на прием сигналов в самом широком диапазоне частот, в пределах которого коэффициент усиления антенны практически одинаков. Границы рабочего диапазона определяются размерами и количеством вибраторов.

Но платой за широкополосность логопериодической конструкции стало понижение коэффициента усиления по сравнению с антеннами типа «волновой канал».

ВК или ЛПА?

В том, что эти два типа антенн сохраняют лидерство, никто из опрошенных «Телеспутником» экспертов не сомневается, но они немного разошлись во мнениях по поводу того, который из них оптимален для приема цифровых мультиплексов.

Начальник отдела оптовых продаж и маркетинга компании «Ланс» Игорь Лукашев признает, что оба типа антенн оптимальны в плане цены и качества, то есть коэффициентом усиления. При этом «волновой канал» имеет максимальные параметры относительно своих геометрических размеров. Логопериодическая антенна при той же длине траверсы дает на 15% более низкое усиление — ее преимущество в том, что она обеспечивает абсолютно одинаковое усиление во всем рабочем диапазоне, напоминает Лукашев. Но так как телевидение уходит в ДМВ-диапазон и во многих регионах мультиплексы передаются на близких частотах, актуальность широкодиапазоного приема уменьшается.

Участник форума «Телеспутника» Vramor привел численные ориентиры для выбора между ВК и ЛПА. По его оценкам, антенна «волновой канал» хороша, если номера каналов передачи 1-го и 2-го мультиплексов в частотной сетке отличаются не более чем на 10—15 единиц. Что же касается логопериодической антенны, то она незаменима для приема мультиплексов, передаваемых на сильно разнесенных частотах. Например, если один транслируется на 24 ТВК, а другой — на 58 ТВК.

Директор по продажам «РЭМО» Виталий Фенев отмечает, что логопериодические антенны обладают более стабильными характеристиками во всем рабочем диапазоне по сравнению с другими типами антенн, причем это касается не только коэффициента усиления. Пользователь форума «Теле-Спутника» под ником Valeri 4024 добавил, что ему нравится логопериодика из-за простого согласования с кабелем, не требующего дополнительных устройств.

Существуют и другие варианты антенн для приема мультиплексов. Мы рассмотрим конструкции, которые продвинутые пользователи могут сделать самостоятельно: «штыри», «бабочка», «усы» и «три квадрата».

«Бабочки»

Свое название такие антенны получили из-за сходства с крыльями этих насекомых. Ведущий инженер НПП ОСТ Игорь Некрасов характеризует их как аналог петлевого вибратора. Они отличаются невысоким коэффициентом усиления (Ку=2,15дБи (0 дБд) и высоким волновым сопротивлением (300 Ом). Эти показатели говорят о том, что «бабочки» требуют согласующего устройства 300/75 Ом для соединения с кабелем.

По словам Игоря Лукашева, сленговый термин «бабочки» объединяет очень много конструкций, некоторые из которых даже сложно назвать антеннами. Самая удачная конструкция такого типа  — антенна Харченко с рефлектором (рис 3). При небольшой длине она имеет неплохие параметры и позволяет принимать сигнал вблизи телебашни. А на большом удалении может работать в составе антенного поля из 4 или 8 штук, но этот вариант подходит, скорее, для военных, которым нужно быстро развернуть приемную систему. Для индивидуального приема такое поле использовать нерационально из-за большой парусности конструкции.

«Три квадрата»

По поводу эффективности антенны типа «три квадрата» (рис 4) мнения разделились. Виталий Фенев рассматривает ее как разновидность направленной антенны, стоящей в одном ряду с ВК и ЛПА. По его словам, у нее тоже есть ярко выраженная направленная диаграмма, позволяющая получать усиление в одном направлении и подавление боковых и задних лепестков.

А вот Игорь Лукашев считает, что «три квадрата» оправдывали себя для любительского радиоприема на коротких волнах, но совершенно не интересны для телевидения. По усилению «три квадрата» практически равны трехэлементному «волновому каналу», но их конструкция при этом очень хрупкая, из-за чего они не подходят даже для комнатного применения.

Игорь Некрасов полагает, что модификации антенн этого типа с круговым расположением квадратов можно использовать для приема ТВ на подвижный объект, например автомобиль или речной теплоход.

Форумчанин Vramor все варианты «бабочек» и «трех квадратов» считает уделом оригиналов и «самоделкиных», так как никаких преимуществ с точки зрения качества приема перед ЛПА и ВК у них нет. Их отличия от классических моделей сводятся в основном к тому, что они могут размещаться немного по-другому, особенно если речь идет о комнатных антеннах. Например, антенну Харченко, зигзагообразную и без рефлектора, можно повесить на оконную штору или ручку окна.

«Штыри»

«Штыревые» антенны в основном применяются для приема радиостанций в FM-диапазоне, рассказали опрошенные «Телеспутником» эксперты. С появлением трансляций в DVB-T/T2, иначе чем аналог реагирующих на отраженные сигналы, «штыри» начали использоваться и для приема цифрового телевидения в автомобиле. Правда, в этом случае при движении в городе сигнал может периодически пропадать.

Игорь Некрасов (НПП «ОСТ») обращает внимание еще на один важный фактор: «штырь» имеет вертикальную поляризацию, а ТВ, как правило, вещает в горизонтальной поляризации. Поэтому такая конструкция позволяет принимать только сигналы, поляризация которых изменилась при отражении от поверхности или в результате другого искажения. Поэтому неудивительно, что антенны для автомобилей чаще имеют Г-образную форму.

«Усы»

Этот тип антенн для приема ДМВ-сигналов наши эксперты единодушно забраковали. Виталий Фенев утверждает, что «усы» как в комнатных ТВ-антеннах, так и в наружных уже можно списывать в архив, потому что они предназначались для приема сигналов в метровом ТВ-диапазоне, который в России с переходом на цифровое телевидение прекращает свое существование. Игорь Лукашев добавляет, что «усы» не только бесполезны для приема ДМВ-диапазона, но при наличии усилителя в приемной тракте даже вредны, так как усилитель генерирует гармоники метровых сигналов, принимаемых «усами». Гармоники попадают в ДМВ-диапазон и могут поразить частоты, на которых передаются мультиплексы.

Следующий вопрос, который мы попытались прояснить, — как по внешнему виду антенны можно оценить корректность параметров, приведенных в ее паспорте, в первую очередь  коэффициент усиления (КУ).

Виталий Фенев из «РЭМО» привел данные, согласно которым комнатные ТВ-антенны типа «кольцо» и плоские антенны обычно дают усиление около 3 дБи. Типичный коэффициент усиления комнатной антенны логопериодического типа — 5-6 дБи, а комнатный вариант «волнового канала», как правило, усиливает сигнала на 4—6 дБи. Коэффициент усиления наружных антенн может сильно разниться в зависимости от их размеров, но обычно не превышает 18 дБи. Приведенные выше цифры относятся к пассивным антеннам, не имеющим встроенного усилителя. 

Игорь Лукашев из «ЛАНС» дал ориентиры для оценки усиления антенны «волновой канал» по длине несущей траверсы. Он рассчитан для антенн, оптимизированных для приема частоты 600 МГц (длина волны -50 см). При длине траверсы равной длине волны усиление антенны составит 6—8 дБ; если длина траверсы будет вдвое больше, то усиление антенны окажется в районе 10—12 дБ, а при траверсе 240 см — 14—16 дБ. Эти оценки приведены в честных дБ. Для логопериодической антенны величина усиления в каждом случае будет на 15% ниже.

По данным Игоря Некрасова из НПП «ОСТ» коэффициент усиления антенн типа «польские сетки» для ДМВ-диапазона равняется 7,5—11,5 дБи. Показатели ЛПА в зависимости от длины и количества элементов составляют от 6 до 11 дБи, а ВК — от 9 до 16 дБи. При использовании в ВК директоров сложной формы (петли, х-образные) можно получить максимальный КУ до 18 дБ. Антенна Харченко (двойной квадрат с рефлектором) обеспечивает показатели в 8—12 дБи.

Чаще всего этот показатель завышается, когда производитель в качестве коэффициента усиления заявляет суммарное усиление антенны и встроенного усилителя, вместо того, чтобы указать эти два коэффициента раздельно. В результате на коробке с антенной скромных размеров и реальным КУ в 3—5 дБ нередко можно увидеть космический параметр 25—30 дБ.

Существует также практика завышения КУ пассивных антенн. Например, для «волнового канала» с траверсой в 40—50 см вполне может быть указан КУ в 16 дБ.

Важнейшим параметром, определяющим возможность приема ТВ-сигнала антенной, является отношение полезного сигнала к шуму (Signal to Noise Ratio, SNR). Шум присутствует в любом телевизионном сигнале, но пассивная антенна ничего к нему не добавляет — на ее выходе формируется усиленный сигнал, но с тем же уровнем SNR, что и на входе. Если используется усилитель, то он не только дополнительно усиливает сигнал с выхода антенны, но также добавляет к нему собственный шум, понижая результирующий SNR. Если сигнал усиливается непосредственно на выходе антенны, где его уровень максимален, то шум, добавляемый усилителем, повлияет на SNR незначительно. С выхода активной или пассивной антенны сигнал попадает в коаксиальный кабель, где он неизбежно затухает, но отношение уровня полезного сигнала к шуму сохраняется. Если же сигнал усилить после затухания в коаксиальном кабеле, перед подачей на вход телевизора, то шум усилителя при том же абсолютном значении снизит SNR больше.

Несмотря на это, Игорь Лукашев считает предпочтительным использовать не встроенный, а внешний малошумящий усилитель, по крайней мере с внешними антеннами, установленными на мачте. Он отмечает, что усилитель — самая уязвимая часть антенны. Особенно часто он выходит из строя во время грозы. Если встроенный в антенну усилитель поломался, то придется менять всю конструкцию. Или как минимум демонтировать антенну, менять усилитель и монтировать ее повторно. Это сложно и дорого. В таких случаях лучше установить в удобном месте под кровлей внешний усилитель. Даже на 5 метрах кабеля сигнал с антенны ослабится меньше, чем на 1 дБ, что в большинстве случаев совсем некритично.

Точно определить, в каких случаях достаточно пассивной антенны, а когда потребуется усилитель, можно только путем экспериментов или замеров, однако есть общие закономерности. В НПП «ОСТ» рекомендуют в загородных домохозяйствах устанавливать наружные антенны с усилителем. Причем чем дальше от ретранслятора находится дом, тем выше должен быть коэффициент усиления. Например, КУ встроенного усилителя достаточно на уровне 18—22 дБи, главное, чтобы он был хорошо согласован с антенной и имел небольшой коэффициент шума, не более 2—2,5дБ. Чем ближе к городу, тем выше требования к нагрузочной способности встроенного усилителя, которую косвенно можно оценить по заявленному потреблению. У мощного усилителя потребление должно быть в районе 30—45 мА, а не 10—20 мА.

В городе активные антенны актуальны только в условиях непрямой видимости телебашни — это касается и наружных, и комнатных антенн.

Виталий Фенев предостерегает от применения активных антенн вблизи телевизионной вышки, так как чересчур мощный сигнал вредит качеству приема. По его словам, в городе усилитель будет полезен, только если длина коаксиального кабеля от антенны к телевизору превышает 20 метров, а также при построении внутриквартирной сети из нескольких телевизоров.

Генеральный директор «Телевес Рус» Валерий Варданян обращает внимание, что если сигнал слабый и зашумленный, то пользы от усилителя, скорее всего, не будет, так как на выходе сигнал может оказаться еще более зашумленным. Заранее определить степень зашумленности в месте приема без приборов сложно, поэтому многие антенны, в том числе и от Televes, сейчас оснащаются отключаемыми усилителями.

Если в диапазоне приема много посторонних электромагнитных сигналов, то они могут перегружать усилитель антенны, искажая сигналы на его входе. Для отстройки от таких паразитных сигналов может помочь предварительная фильтрация.

В реальном мире основную проблему при приеме телесигнала в ДМВ-диапазоне могут создавать сигналы, передаваемые в сотовых сетях четвертого поколения. С развитием 4G многие производители, в частности Televes и Funke, встраивают в свои антенны режекторные фильтры, отсекающие LTE-диапазоны.

При этом в разных странах под LTE выделены разные диапазоны. Поэтому, выбирая такую модель антенны, нужно как минимум убедиться, что встроенный режекторный фильтр настроен на диапазон, занимаемый LTE в вашей стране. К тому же битва между разными ведомствами за частотный ресурс идет постоянно, и нельзя гарантировать, что сегодняшние частотные назначения через несколько лет не поменяются. Чтобы подстраховаться от таких случаев, Игорь Лукашев рекомендует приобрести внешний фильтр входных сигналов.

Надеемся, что советы наших экспертов помогут вам сориентироваться при выборе антенны и учесть возможные подводные камни выбора подходящей модели.

_________________________