В любом радиоприёмном устройстве есть деталь, предназначенная для восприятия радиоволн – антенна. Люди старшего поколения помнят, что для приёмников антенной мог служить просто длинный отрезок обычного провода, который подсоединялся к соответствующему гнезду.
Однако, с появлением телевизоров антенны существенно изменились. Телевидение работает на высоких частотах, и чаще всего, требует специальных антенн. И это не всё. Просто подключить такую антенну к кабелю нельзя, необходим специальный согласующий трансформатор, усложняющий конструкцию.
Особенности высокочастотного сигнала
С повышением частоты сигнала, передаваемого по кабелю, происходят следующие важные изменения.
- Длина волны становится сравнима с геометрическими размерами конструкции. И в один и тот же момент в разных точках конструкции значения напряжений становятся разными, хотя активное сопротивление между ними очень мало.
- Начинают все большую роль играть реактивные параметры – индуктивность элементов препятствует прохождению сигнала по ним, а ёмкостные связи между ними – наоборот, начинают связывать гальванически несвязанные точки конструкции.
- Появляется скин-эффект, то есть, в переносе сигнала участвуют только электроны тонкого слоя на поверхности проводника.
- Ток высокой частоты, проходящий по поверхности проводника, излучает электромагнитные волны, причём, тем легче, чем эта частотf выше.
Эти особенности приводят к тому, что работа на высоких частотах (и особенно, на СВЧ) существенно отличается от работы на низкой частоте и на постоянном токе. Именно они и не позволяют подключать антенну к кабелю напрямую.
А если без трансформатора?
Что произойдёт, если подключить телевизионную антенну к кабелю просто, напрямую? А произойдёт следующее.
Разница волновых сопротивлений
Если волновое сопротивление антенны не равно волновому сопротивлению кабеля, то в кабель будет поступать не вся принятая мощность. Это можно видеть даже на постоянном токе, из Закона Ома для полной цепи следует, что наибольшую мощность на нагрузке можно получить тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника ЭДС. На высоких частотах дополнительно начинают играть роль реактивные параметры элементов, однако, суть явления останется прежней.
Таким образом, возникает необходимость согласования волновых сопротивлений кабеля и антенны. Это позволит передавать в кабель максимум принятой мощности.
Несимметричность кабеля.
И это ещё не все. Коаксиальный телевизионный кабель, с точки зрения передаваемого сигнала, является несимметричным/
В самом деле, с учётом скин-эффекта в коаксиальном кабеле существует три пути движения сигнала – поверхность внутренней жилы и две поверхности оплётки – внешняя и внутренняя. В нормальных условиях высокочастотный сигнал передаётся по внутренней жиле и по внутренней поверхности оплётки. При этом создаются условия, препятствующие излучению электромагнитных волн вокруг кабеля. Вся энергия сигнала будет распространяться только по кабелю.
Телевизионная же антенна – устройство симметричное. Ток высокой частоты генерируется обоими её плечами. На этой анимации хорошо показан механизм образования переменной ЭДС в плечах антенны - полуволнового вибратора:
Если подключить одно плечо к центральной жиле кабеля, а второе – к оплётке, то генерируемый антенной высокочастотный сигнал пойдёт не только по двум внутренним поверхностям кабеля, но и по его внешней поверхности. При этом на внешней поверхности у этого сигнала будут отличные условия для излучения электромагнитных волн, что приведёт к потере части полезного сигнала. Учтём также, что внешняя поверхность, как правило, имеет меньшее волновое сопротивление – а значит, по ней пойдёт большая часть сигнала.
Решение.
Таким образом, для подключения антенны к кабелю следует выполнить две задачи:
- Согласовать волновые сопротивления антенны и кабеля.
- Согласовать симметричный выход антенны с несимметричным кабелем.
Простейшее устройство, выполняющее эти задачи – так назваемая «согласующая петля». В зависимости от волнового сопротивления антенны она бывает двух видов:
Главным минусом такого устройства является узкая полоса действия – согласование происходит только на определенной длине волны. Для расширения рабочей полосы применяют антенные трансформаторы различных конструкций, как правило, на ферритовых кольцах или стержнях. Например, такой:
Согласующие антенные трансформаторы имеют широкую рабочую полосу, и используются наиболее часто.
