Материал к уроку
Как это устроено?..
ТВ-антенны. Несмотря на распространение кабельного телевидения и веб-радиосвязи миллионы людей принимают ТВ- и радиосигналы с помощью антенн, что становится ещё более актуальным в связи с развитием спутникового телевидения, портативных радиостанций, сотовой связи и беспроводных гаджетов. Почему же мы имеем такое разнообразие форм и размеров антенн? Размер антенны прежде всего диктуется полосой частот, которые необходимо принять от данной передающей станции: для наилучшего приёма необходимо обеспечить условие резонанса, а это происходит, если длина антенны составляет половину длины принимаемой волны электромагнитного излучения. Длины волн «бытового» радиодиапазона составляют от 5,5 м для ТВ-канала до 8 см для канала сотовой связи. Далее, очень важна ориентация антенны. Вектор электрического поля в ТВ- и частотно-модулированном радиосигналах поляризован в горизонтальной плоскости, поэтому и штырь антенны должен располагаться горизонтально. В амплитудно-модулированном радиосигнале электрическое поле поляризовано вертикально. Самые современные передатчики излучают электромагнитные волны, плоскость поляризации которых непрерывно вращается, так что волна образует как бы штопор и сигналы могут приниматься антеннами в любой ориентации. Антенны в форме «заячьих ушек» необходимо подстраивать, вращая их или изменяя взаимное расположение элементов. Приходя на антенну, электромагнитная волна индуцирует в ней переменное электрическое поле – и это всё. Однако производители изобретают множество форм и всяческих украшений, не имеющих никакого отношения к собственно работе антенны, но весьма способствующих их продажам. Например, одно время антенны «прятали» в ветровое стекло, и хотя они работали хуже, чем торчащие из машины, зато зрительно такое авто воспринималось лучше. Так же бесполезны разнообразные катушечки и штырёчки на бытовых антеннах, укрепляемых на крышах. Усилители, размещаемые в основании антенны, должны принимать сигналы амплитудой до нескольких милливольт и усиливать его на 12–14 дБ. Для большинства применений этого вполне достаточно, поскольку более сильный сигнал только перегружает электронику. Усилитель на 30 дБ совсем не лучше 20-децибельного.
АМ-антенна. Антенна для приёма амплитудно-модулированного сигнала обычно представляет собой проволочную катушку на ферритовом стержне, которая ловит магнитную составляющую электромагнитной волны длиной волны до 30 м. Она менее эффективна, чем дипольная антенна, но удобнее штыревой антенны длиной 15 м.
ЧМ-антенна. Антенна для приёма частотно-модулированного сигнала обычно представляет собой обыкновенный диполь, который устанавливается снаружи на пути радиоволны. Его длина 1,2–1,6 м, что как раз перекрывает диапазон полуволн излучения большинства ЧМ-передатчиков.
Твердотельная антенна. Антенна включает в себя небольшие усилители, питающиеся слабым постоянным током, соединённые с несколькими элементами в дисковом корпусе. Она маленькая и лёгкая и обычно входит в состав приёмной параболической антенны спутникового телевидения. Такая антенна не ловит сигналы наземных ТВ-станций.
Заячьи ушки. Антенна может перенастраиваться в небольшом диапазоне длин волн, чтобы принимать сигнал почти всех ТВ-каналов (размер соответственно может подбираться равным длине волны передающей станции, полуволне или четверти длины волны). Вращая «ушки», можно настраиваться на определённую станцию, а наклоняя их – минимизировать интерференцию волн, возникающую вследствие набега фаз при огибании препятствий и отражении от них.
Наружная антенна. Такие антенны обычно устанавливаются на крышах. Они имеют несколько стержней разного размера, что позволяет принимать волны разной длины волны. Например, стержень длиной 12,5 см лучше всех «ловит» волну с λ = 30 cм (находится в резонансных условиях). Более длинные стержни отражают эту волну, направляя её на находящийся в данный момент в резонансе стержень и таким образом усиливая принимаепмый сигнал. Более короткие стержни переизлучают эту волну, что также повышает эффективность приёма.
Параболическая антенна спутникового ТВ. Приходящие на антенну электромагнитные волны направляются узким пучком на блок малошумящего конвертера, вмонтированного в рупорный отражатель. В ранних конструкциях кронштейн и отражатель не давали части волн достичь конвертера, и эффективность приёма была около 50%. В последних моделях эти элементы стали располагать не перед тарелкой, а за ней, что позволило увеличить эффективность до 80%.
Знаете ли вы, что?..
• Передатчики в системах сотовой связи работают в режиме импульсной модуляции (изменяют ширину, высоту и т.д. импульсов в соответствии с полезным звуковым сигналом). Возникающие при этом помехи не воспринимаются ухом, но порождают назойливое дребезжание в слуховых аппаратах. Фирма Мyers Jonson наладила производство миниатюрных антенн, которые крепятся к аппарату, воспринимают этот шум и генерируют «антиимпульсы», подавляющие дребезг.
• Скорость распространения электромагнитных волн зависит от погоды: излучаемые наземными передающими станциями волны «бегут» над влажными равнинами и над обширными водными поверхностями быстрее, чем над сухой пересечённой местностью. После продолжительного проливного дождя дальность радиопередачи может достигать нескольких сотен километров, эти передачи принимают самые удалённые радиостанции.
Распределение частотных каналов в США утверждается Федеральным агентством связи. Оптимальная длина антенны – половина длины волны принимаемого излучения. Наиболее эффективны четвертьволновые антенны, закреплённые на обширной металлической поверхности, например, на корпусе машины.
Scientific American, 2003, May, p. 88–89.
Сокр. пер. с англ. Н.Д. Козловой