Хорошая антенна – необходимое условие качественной работы приёмника. Но приёмник иногда работает неустойчиво. Чтобы понять, почему это происходит, придётся немного освежить знания.
В радиовещании применяются два вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ, FM). Частотная модуляция обеспечивает высокое качество передачи, но используется только в диапазоне ультракоротких волн и физически не обеспечивает дальний приём из-за особенностей распространения волн в этом диапазоне. Качество вещания с амплитудной модуляцией низкое, но зато покрывает большие пространства.
Диапазоны частот, применяемые в радиовещании:
- длинные волны (ДВ, LW) – частоты в диапазоне 148-285 кГц. Официально диапазон закрыт, но некоторые страны по-прежнему его используют.
- средние волны (СВ, AM). Границы диапазона несколько отличаются: 520-1620 кГц с шагом 10 кГц в США и Тихоокеанском регионе, 522-1611 кГц с шагом 9 кГц в остальных странах. Дальность распространения в дневное время до 500 км над сушей и до 1000 км над морем, в ночное время – до 4000 км. В России диапазон сейчас не используется, но вечером и ночью возможен дальний приём европейских станций.
- короткие волны (КВ, SW) Частоты в диапазоне примерно 2,2-30 МГц. Шаг сетки частот – 5 кГц. Радиовещание ведется в основном на отдельных узких участках диапазона, остальные отведены для служебной связи. Особые участки отведены радиолюбителям – в признание заслуг в освоении этого диапазона. В дневное время дальнее прохождение волн наблюдается на частотах 15-30 МГц, в ночное – на частотах 3-10 МГц.
- ультракороткие волны (УКВ, FM). Прием возможен только в зоне прямой видимости. Для вешания выделены следующие диапазоны частот:
- 65-74 МГц с шагом 30 кГц – Россия и страны Восточной Европы
- 87,5-108 МГц – Западная Европа (с шагом 50 кГц), Россия (с шагом 100 кГц)
- 88-104 МГц с шагом 200 кГц – США
- 76-90 МГц с шагом 50 кГц – Япония и некоторые страны Тихоокеанского региона. Этот диапазон уже выводится из употребления.
Расстояние прямой видимости рассчитывается по следующей формуле:
Поляризация – характеристика электромагнитной волны, показывающая направление вектора электрического поля. Для радиовещания в основном используется вертикальная поляризация, для телевещания – горизонтальная. При отражении радиоволн от предметов и рассеянии на атмосферных аномалиях вектор поляризации может измениться.
Приемная антенна – устройство, предназначенное для приема радиоволн. Ее назначение – преобразовывать энергию электромагнитного поля в электрический ток. Усиление и детектирование сигнала выполняет радиоприемник.
Электрическая антенна воспринимает электрическую составляющую электромагнитного поля. Конструкция представляет собой одиночный проводник или систему проводников. Для максимальной эффективности направление проводников должно соответствовать поляризации волны. Простейшая электрическая антенна – штырь или провод. Антенны этого типа просты по конструкции, дешевы и удобны в эксплуатации, но уровень сигнала на выходе и характеристика направленности сильно зависят от близко расположенных предметов.
Магнитная антенна воспринимает магнитную составляющую электромагнитного поля. Конструкция представляет собой катушку с ферритовым стержнем или рамку с обмоткой. Антенны этого типа обладают ярко выраженной направленностью (вспомните фильмы про разведчиков и машину-пеленгатор). Эффективность магнитных антенн невелика и падает с ростом частоты сигнала и уменьшением периметра рамки. В силу этих причин в автомобиле магнитные антенны практически не применяются. Однако антенны этого типа обладают очень важным достоинством: качество их работы практически не зависит от окружающих предметов.
Пассивная антенна работает непосредственно с радиоприемником и не нуждается в электрическом питании.
Активная антенна работает совместно с усилителем, входящим в ее конструкцию. Для усилителя требуется питание.
Характерный размер антенны (электрическая длина) определяется длиной принимаемой волны. Для максимальной эффективности длина антенны должна быть кратна ¼ длины волны. Под характерным размером следует понимать именно линейный размер антенны, а не длину проводников, из которых она изготовлена.
Диаграмма направленности – зависимость уровня сигнала, наведенного в антенне, от направления прихода волны. Различают диаграмму направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости. Направленные антенны позволяют улучшить качество приема, но использовать их можно только в стационарных условиях (пример – телевизионная антенна). На подвижных объектах (автомобилях, катерах, самолетах) обычно применяют слабонаправленные или ненаправленные антенны.
КОНСТРУКЦИЯ
Из всего многообразия антенн в автомобиле нашли применение следующие конструкции:
- симметричный или полуволновой вибратор (рис.А)
- свернутый симметричный вибратор (рис.Б)
- несимметричный вибратор или четвертьволновый штырь (рис.В)
- спиральная антенна (рис.Г)
Электрическая длина симметричного вибратора для максимальной его эффективности должна составлять половину длины волны (отсюда и название – полуволновой). Поскольку длина волны даже в «верхнем» диапазоне УКВ составляет около 3 м, полуволновой вибратор в чистом виде в автомобиле применить невозможно. Полутораметровое рогатое чудище снаружи разместить негде, и остается только внутрисалонный вариант – свернутый симметричный вибратор. Наиболее распространенные в настоящее время внутрисалонные активные антенны – «таблетки» и антенны «под центральное зеркало» относятся как раз к этим типам. В некоторых автомобилях в качестве вибраторов антенны использовались проводники обогревателя заднего стекла.
Несимметричный вибратор получается из симметричного, если одну из его половин заменить заземлением или противовесом. В автомобиле роль противовеса играет корпус. Антенны такого типа (штыревые и телескопические) получили наибольшее распространение.
Электрическая длина несимметричного вибратора для его наибольшей эффективности должна составлять четверть волны: 75-80 см для диапазона 88-108 МГц и 100-110 см для диапазона 66-74 МГц. Поэтому четвертьволновые вибраторы использовать не очень удобно, особенно в «неубираемом» варианте. Впрочем, по эффективности им нет равных.
Наибольшее распространение получили укороченные вибраторы. Вариантов конструктивного исполнения немало, но суть у всех одна – штырь длиной 30-50 см, иногда снабженный катушкой для лучшего согласования с приемником. Остальные отличия носят декоративный характер.
Спиральная антенна – разновидность укороченного несимметричного вибратора. Представляет собой гибкий стержень из диэлектрического материала, на который с достаточно большим шагом намотано несколько десятков витков провода. Сверху конструкция покрыта слоем диэлектрика. В этом варианте сосредоточенная индуктивность согласующей катушки заменена распределенной индуктивностью антенны. Единственное преимущество этой антенны перед прочими – гибкость.
Поскольку уровень сигнала укороченных антенн значительно ниже «полноразмерных», для повышения эффективности можно использовать дополнительный антенный усилитель. В этом случае антенна становится активной.
АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ
Антенны по месту установки подразделяются на внутрисалонные и наружные. Низкая эффективность малогабаритных антенн при установке внутри салона дополнительно снижается из-за экранирующего действия кузова. Поэтому все внутрисалонные антенны и некоторые наружные выполняются активными, со встроенным или выносным усилителем. Однако на этом пути есть серьезные проблемы.
Широкополосные антенны не обладают избирательными свойствами и одинаково хорошо воспринимают как полезный сигнал, так и различные помехи. При последующем усилении вместе с сигналом будут усилены и они, более того – любой усилитель вносит в усиливаемый сигнал свои собственные шумы и продукты искажений. При сильном сигнале доля шумов невелика и не влияет на качество приема, но слабый сигнал может «утонуть» в шумах усилителя. Уровень шумов определяет нижнюю границу динамического диапазона усилителя.
Прием сильных сигналов сопровождается искажениями, вызванными перегрузкой входных каскадов усилителя или приемника (забитие) и действием во входных цепях нескольких сигналов одновременно (перекрестные искажения). Эти факторы определяют верхнюю границу динамического диапазона. Роль приемника в этом случае может оказаться решающей.
Способов расширения динамического диапазона принимаемых сигналов не так много:
- применение полосового усилителя взамен широкополосного
- повышение линейности усилителя
- ручное переключение чувствительности («город/трасса»)
- применение системы автоматической регулировки усиления (АРУ)
Сужение полосы пропускания антенного усилителя уменьшает влияние внеполосных шумов и помех. Конструктивно это могут быть независимые усилители для каждого диапазона частот с последующим смешиванием сигналов, либо один усилитель с полосовыми фильтрами для каждого диапазона. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Применение отдельных полосовых усилителей позволяет использовать оптимальные для данного диапазона схемотехнические решения, но увеличивает число деталей. Общий усилитель с раздельными полосовыми фильтрами, как и все универсальные решения, не оптимален, но дешевле в производстве.
Наиболее действенный способ повышения линейности антенного усилителя – использование во входных каскадах полевых транзисторов.
Системы ручной или автоматической регулировки усиления уменьшают вероятность перегрузки усилителя и первых каскадов приемника сильным входным сигналом. Автоматическая регулировка усиления используется не так широко, как хотелось бы. В большинстве случаев конструкторы антенн полагаются на уже имеющуюся в приемнике АРУ, хотя ее эффективность в условиях сильных помех может оказаться недостаточной. В этом случае прямой смысл оценивать характеристики выбранной активной антенны именно «в связке» с конкретным приемником, но такая возможность предоставляется редко. Если приемник не обладает высокой перегрузочной способностью (что характерно для недорогих моделей с приемником, выполненным на одной микросхеме), лучшим выбором может оказаться активная антенна с ручным переключением чувствительности. Это позволит ограничить усиление сигналов большого уровня и избежать перегрузки первых каскадов приемника.
ВЫБОР
Сравнивать между собой активные и пассивные антенны «напрямую» непросто – прежде всего, нужно знать, каковы условия приема в данной местности (уровень сигнала, отражения, помехи). Поскольку отечественное АМ-вещание уничтожено, речь пойдёт о приёме в диапазонах УКВ/FM.
Уровень сигнала УКВ-передатчиков невелик, а прием сигнала возможен только в зоне прямой видимости: С учетом высоты передающих антенн это расстояние редко превышает 40-50 км от передатчика даже при гладком рельефе местности. Зона уверенного приема, свободного от шумов и помех, заметно уже – 15-20 км. Прием в городе обычно сопровождается значительным изменением уровня и поляризации сигнала из-за отражений и экранирующего действия зданий («мертвые зоны»). Действие помех ослаблено благодаря особенностям модуляции – частотный детектор не реагирует на изменение амплитуды сигнала.
Какую же антенну выбрать?
Для поездок только в черте города или на небольшом удалении от него можно использовать любой тип антенны – при достаточно сильном сигнале их характеристики в диапазоне УКВ примерно одинаковы. Это вопрос личных пристрастий. Для дальних поездок «полноразмерные» пассивные антенны предпочтительнее – в этом случае качество приема слабых сигналов выше за счет исключения шумов усилителя, а уровень помех за городом минимален.
УСТАНОВКА
Радисты говорят: «хорошая антенна – лучший усилитель». Однако реализовать возможности любой антенны можно только при ее правильной установке.
Эффективность антенны определяется высотой установки относительно проводящей поверхности. Это расстояние должно превышать 1/8 длины волны, а лучше – половину. Однако выполнить это условие можно только в диапазоне УКВ, и то с большим трудом. С этой позиции наилучшая антенна та, у которой нижняя несущая часть штыря выполнена из диэлектрического материала, но таких конструкций немного.
Многие автомобилисты убеждены, что лучшее место для наружной антенны – это крыша. Однако это неверно. Поскольку весь автомобиль является проводящей поверхностью, нет особой разницы – на крыше стоит антенна, или на крыле. Неудачным местом можно считать только бампер – значительная часть антенны при этом оказывается в непосредственной близости от кузова.
Для внутрисалонных антенн, особенно для «таблеток», выдержать необходимое удаление от проводящих поверхностей практически невозможно, поэтому место их установки – вопрос эстетики и эргономики. Размещать элементы антенны на лобовом стекле нужно так, чтобы не ухудшать обзор.
Наибольшая эффективность антенны достигается в том случае, когда она находится в плоскости поляризации волны. На УКВ используется вертикальная поляризация, но в условиях города при многократных отражениях сигнала и различных атмосферных условиях плоскость поляризации может повернуться на неопределенный угол. Для наружных штыревых антенн обычно применяется компромиссное решение – установка антенны под углом. При установке антенны – «таблетки» для повышения эффективности при работе с волнами различной поляризации один из ее элементов можно направить горизонтально, а второй – вертикально.
При выборе антенны следует обращать внимание также на качество самого кабеля. Многие активные антенны вместо экранированного кабеля в целях экономии снабжены обычным ленточным, по которому подается и сигнал, и питающее напряжение. Это неудачное решение: неэкранированный участок провода сам становится антенной, принятые антенной и наведенные в проводе токи могут частично компенсировать друг друга. Предсказать поведение приемника вообще невозможно – случается, что такая «антенна» лучше работает с отключенным питанием!
Длина собственного кабеля антенны обычно невелика и достаточна только для антенн, устанавливаемых на лобовое стекло. Для всех остальных вариантов установки приходится использовать удлиняющие кабели и переходники. При их выборе основное внимание следует уделить надежности контакта в разъемах и качеству кабеля, чтобы исключить радиоприем «помимо антенны».
Ассортимент автомобильных антенн УРАЛ предоставляет надёжные решения для любой ситуации.