Телевизионная антенна

Назначение антенны — перехватывать радиоволны от нужных телевизионных станций и преобразовывать их в слабые радиочастотные переменные токи, которые подаются на тюнер телевизора, где извлекается телевизионный сигнал^[5]. Антенна соединяется с телевизором с помощью специального кабеля, предназначенного для передачи радиотока, называемого фидерной линией. Ранее использовался плоский кабель, называемый 300-омным двухпроводным кабелем. В настоящее время стандартом является 75-омный коаксиальный кабель, который менее подвержен помехам и подключается к F-разъёму или Belling-Lee-разъёму (в зависимости от региона) на задней панели телевизора^[6]. Для преобразования сигнала от антенн, использующих двухпроводную линию, к современному коаксиальному входу применяется небольшой трансформатор, называемый балун.

В большинстве стран телевизионное вещание разрешено в диапазоне VHF от 47 до 68 МГц (в Европе — низкий диапазон VHF или диапазон I), от 174 до 216 МГц (в Европе — высокий диапазон VHF или диапазон III), а также в диапазоне UHF от 470 до 698 МГц (в Европе — диапазон IV и V)^[7]. Границы каждого диапазона несколько различаются в разных странах. Радиоволны в этих диапазонах распространяются по прямой видимости; они блокируются холмами и видимым горизонтом, что ограничивает зону приёма телевизионной станции.

В прежнем стандарте аналоговое телевидение, использовавшемся до 2006 года, для диапазонов VHF и UHF требовались отдельные тюнеры в телевизоре, с отдельными входами для антенн. Длина волны радиоволны равна скорости света (c), делённой на частоту. Указанные диапазоны частот охватывают соотношение длин волн 15:1, или почти 4 октавы. Сложно спроектировать одну антенну для такого широкого диапазона длин волн, и между частотами VHF и UHF существует октавный разрыв от 216 до 470 МГц. Поэтому традиционно использовались отдельные антенны (наружные антенны с отдельными наборами элементов на одной штанге) для приёма VHF и UHF каналов^[6].

Начиная с 2006 года многие страны мира перешли с вещания по старому стандарту аналоговое телевидение на новый цифровое телевидение^[8] (DTV). Однако используются те же частоты вещания, поэтому антенны, применявшиеся для аналогового телевидения, также принимают новые цифровые передачи. Продавцы часто утверждают, что предлагают специальные цифровые или HDTV антенны, рекомендуя их как замену существующим аналоговым антеннам; в лучшем случае это дезинформация для стимулирования продаж ненужного оборудования^[9], в худшем случае это может привести к тому, что у зрителя останется только UHF-антенна в регионе (особенно в Северной Америке), где некоторые цифровые станции продолжают вещать на своих исходных высоких VHF или низких VHF частотах.

Места, недоступные для телевизионных передатчиков, в Австралии называются чёрными пятнами^[10]. В Восточной Германии районы, где не принимались западные телевизионные сигналы, назывались Tal der Ahnungslosen («Долина неведающих»).

Комнатные антенны могут устанавливаться непосредственно на телевизоре или стоять на столе рядом с ним, соединяясь с телевизором коротким фидером. Из-за ограниченного пространства комнатные антенны не могут быть такими же большими и сложными, как наружные, они не устанавливаются на такой высоте, а стены здания экранируют часть радиоволн; по этим причинам комнатные антенны обычно обеспечивают худший приём, чем наружные^[6]. Тем не менее, в городских и пригородных районах, которые обычно находятся в зоне сильного излучения местных телевизионных станций, они часто вполне достаточны. Однако в сельских отдалённых районах только наружная антенна может обеспечить надёжный приём. Существует множество различных конструкций и типов комнатных антенн. Многие имеют на корпусе ручку с несколькими настройками для изменения диаграммы направленности антенны. Её следует вращать при включённом телевизоре, наблюдая за изображением, чтобы добиться наилучшего качества.

Самая старая и наиболее распространённая (по крайней мере в США) комнатная антенна — это кроличьи уши или заячьи уши, которые часто поставляются с новыми телевизорами^[6]. Это простая полуволновая дипольная антенна для приёма VHF-диапазонов, состоящих в США из 54-88 МГц (диапазон I) и 174—216 МГц (диапазон III). Она состоит из двух телескопических штанг, прикреплённых к основанию, которые выдвигаются (примерно до четверти длины волны на 54 МГц) и могут складываться при хранении. Для лучшего приёма штанги следует настраивать чуть меньше 14 длины волны на частоте принимаемого канала. Однако диполь имеет широкую полосу пропускания, поэтому часто достаточный приём достигается без регулировки длины.

Измеренный коэффициент усиления «кроличьих ушей» низок, около ―2 дБи, или ―4 дБ относительно полуволнового диполя.^[6] Это означает, что она менее направленная и чувствительная к удалённым станциям, чем большая антенна на крыше. Тем не менее, её широкая диаграмма направленности позволяет принимать несколько станций, расположенных в разных направлениях, без необходимости перенастройки при смене канала. Дипольные антенны являются двунаправленными, то есть имеют два главных лепестка в противоположных направлениях, под углом 180°. Вместо фиксированного положения, как у других антенн, элементы крепятся на шарнирных соединениях. Их можно устанавливать под разными углами в форме буквы V, что позволяет убирать их в сторону в ограниченном пространстве. Ещё одна причина V-образной формы — при приёме каналов в верхней части диапазона с полностью выдвинутыми штангами элементы антенны обычно резонируют на третьей гармонике. В этом режиме направление максимального усиления (главный лепесток) уже не перпендикулярно штангам, а диаграмма направленности имеет лепестки под углом к штангам, поэтому возможность регулировки угла оказывается полезной.

Некоторые портативные телевизоры используют штыревую антенну.^[6] Она представляет собой одну телескопическую штангу, прикреплённую к телевизору, которую можно убирать при хранении. Она работает как четвертьволновый монополь. Вторая жила фидера соединена с землёй на плате телевизора, которая служит землёй. Штыревая антенна обычно имеет всенаправленную диаграмму приёма, с максимальной чувствительностью в направлениях, перпендикулярных оси антенны, и усилением, аналогичным «кроличьим ушам».

UHF-каналы часто принимаются с помощью одновитковой петлевой антенны.^[6] Поскольку антенна «кроличьи уши» охватывает только диапазоны VHF, её часто комбинируют с UHF-петлёй на одной базе для приёма всех телевизионных каналов. В Великобритании и Ирландии цифровое эфирное телевидение транслируется только в диапазоне UHF, поэтому петлевая антенна необходима, а «кроличьи уши» пригодны только для приёма FM-радио.^[11][12]

Более современный вариант комнатных антенн — плоские антенны, лёгкие, тонкие и обычно квадратной формы, с заявлением о более всенаправленном приёме. Они также позиционируются как более соответствующие современным минималистским интерьерам^[13]. Плоские антенны могут иметь подставку или крепиться на стену или окно^[14]. Внутри тонкой плоской пластины находится петлевая антенна с металлическим проводом, встроенным в проводящий пластик.

Когда требуется большее усиление для надёжного приёма в пригородных или отдалённых районах, обычно используется наружная направленная антенна. Хотя у большинства простых антенн есть направления нулевого приёма, направления полезного усиления очень широки. В отличие от них, направленные антенны могут иметь почти одностороннюю диаграмму излучения, поэтому антенну необходимо направлять на телевизионную станцию. По мере увеличения усиления (по сравнению с диполем) главный лепесток диаграммы становится уже. Наружные антенны обеспечивают до 15 дБ усиления сигнала и на 15-20 дБ лучшее подавление призраков в аналоговом ТВ^[6]. В сочетании с увеличением сигнала на 14 дБ за счёт высоты и 11 дБ за счёт отсутствия экранирующих стен, наружная антенна может дать прирост сигнала до 40 дБ на входе телевизора.^[6]

Конструкции наружных антенн часто основаны на антенне Яги-Уда^[15]. или логопериодическом дипольном массиве (LPDA)^[16]. Они состоят из нескольких полуволновых дипольных элементов — металлических стержней длиной примерно половина длины волны телевизионного сигнала, установленных в линию на несущей штанге. Эти элементы действуют как резонаторы; электрическое поле входящей радиоволны заставляет электроны в стержнях двигаться взад-вперёд, создавая стоячие волны напряжения. Антенна может иметь разное количество элементов; в целом, чем их больше, тем выше усиление и уже диаграмма направленности. Другой вариант, используемый в основном для приёма UHF, — рефлекторная антенна, состоящая из вертикального металлического экрана с несколькими дипольными элементами перед ним.

Телевизионные диапазоны слишком широки по частоте, чтобы их могла покрыть одна антенна, поэтому используются либо отдельные антенны для VHF и UHF, либо комбинированная (комбо) VHF/UHF-антенна^[6]. Комбинированная антенна объединяет две антенны, подключённые к одному фидеру и установленные на одной штанге. Более длинные элементы, принимающие VHF, расположены сзади и часто работают как логопериодическая антенна. Более короткие элементы для UHF находятся спереди и часто работают как антенна Яги.

Поскольку направленные антенны должны быть ориентированы на передающую антенну, это становится проблемой, если телевизионные станции расположены в разных направлениях. В этом случае часто устанавливают две или более направленных антенн на одной мачте, каждая из которых направлена на свой передатчик и подключена к одному приёмнику; для оптимальной работы используются фильтры или согласующие цепи, чтобы антенны не мешали друг другу. Альтернативой является использование одной антенны на поворотном устройстве — дистанционно управляемом серво-приводе, который поворачивает антенну при вращении ручки рядом с телевизором.

Иногда телевизионные передатчики специально размещают так, чтобы приёмники в данном регионе принимали передачи в относительно узком диапазоне всего UHF-диапазона и из одного направления, что позволяет использовать антенну с более высоким усилением, рассчитанную на группу каналов.

Антенны обычно размещают на крышах домов, иногда на чердаках. Установка антенны внутри помещения значительно ослабляет уровень доступного сигнала.^[17][18] Направленные антенны должны быть ориентированы на передатчик, который они принимают; в большинстве случаев высокая точность не требуется. В некоторых регионах все телевизионные передатчики располагаются примерно в одном направлении и используют близкие по частоте каналы, так что одной антенны достаточно для всех. С одного передающего пункта может транслироваться несколько каналов. CABD (система коллективного приёма и распределения телевизионных сигналов) — это система, устанавливаемая внутри здания для приёма бесплатных ТВ/ФМ-сигналов, передаваемых по радио, и их распределения среди пользователей^[19].

Аналоговое телевидение подвержено призрачным изображениям — нескольким близко расположенным копиям изображения, создающим эффект размытости и повторения контуров. Это происходит из-за отражения сигнала от близлежащих объектов (зданий, деревьев, гор); несколько копий сигнала разной силы и с разными задержками принимаются одновременно. Для других видов передачи это не характерно. Тщательный выбор положения антенны позволяет найти компромисс, минимизирующий призраки на разных каналах. Призрачные изображения также возможны, если несколько антенн, подключённых к одному приёмнику, принимают одну и ту же станцию, особенно если длины кабелей до делителя/сумматора различаются или антенны расположены слишком близко друг к другу^[20]. Аналоговое телевидение заменяется цифровым, которое не подвержено призрачным изображениям; тот же отражённый сигнал, который вызывает призраки в аналоговом сигнале, в цифровом не даёт видимого изображения. Однако в этом случае помехи приводят к гораздо более сильному ухудшению качества изображения.

Антенны крепятся к крышам различными способами, обычно на мачте для подъёма над крышей. В большинстве случаев этого достаточно. Однако в некоторых местах, например в глубокой долине или рядом с высокими зданиями, антенну приходится устанавливать значительно выше, используя оттяжную мачту или мачту. Провод, соединяющий антенну с помещением, называется фидер или спуск; чем длиннее фидер, тем больше потери сигнала в кабеле. Некоторые кабели позволяют уменьшить эти потери.

Чем выше установлена антенна, тем лучше она работает. Антенна с большим усилением способна принимать более слабые сигналы из выбранного направления. Препятствия (здания, рельеф, густой лес) ослабляют сигнал; во многих случаях сигнал отражается так, что приём всё же возможен. Высокие или сложные антенны сопряжены с физическими опасностями, такими как падение конструкции или её разрушение из-за погодных условий. Существуют также различные местные нормы, ограничивающие, например, высоту конструкции без получения разрешения. Например, в США Закон о телекоммуникациях 1996 года (правило Over-the-Air Reception Devices, OTARD) позволяет «любому владельцу или арендатору»^[21] устанавливать «антенну, предназначенную для приёма местных телевизионных сигналов»^[22].

Как уже отмечалось, антенны могут устанавливаться внутри помещений, если сигнал достаточно сильный, чтобы компенсировать недостатки антенны. Антенна просто подключается к телевизору и размещается в удобном месте, часто на верхней панели («set-top»). Иногда положение приходится подбирать опытным путём для получения наилучшего изображения. Комнатные антенны могут использовать усилитель радиочастоты, называемый ТВ-бустером. В зонах слабого сигнала приём с комнатных антенн может быть проблематичен.

Иногда антенну не хотят устанавливать на крыше; в таких случаях наружные антенны часто монтируют на чердаке, хотя существуют и специальные антенны для чердачного размещения. Установка антенны внутри помещения значительно снижает её эффективность из-за меньшей высоты и наличия стен; однако в зонах сильного сигнала приём может быть удовлетворительным^[18]. Один слой битумной черепицы, рубероида и фанерного настила крыши ослабляет сигнал примерно вдвое^[23].

Иногда требуется принимать сигналы от передатчиков, расположенных в разных направлениях. Это можно реализовать для одной станции за раз с помощью поворотного устройства, управляемого электродвигателем. Можно использовать две или более антенн, каждая из которых направлена на нужный передатчик и соединена соответствующей схемой. Чтобы антенны не мешали друг другу, вертикальное расстояние между штангами должно быть не менее половины длины волны самой низкой частоты (Расстояние = λ2)^[20]. Важно, чтобы кабели, соединяющие антенны с делителем/сумматором, были точно одинаковой длины, чтобы избежать фазовых проблем, вызывающих призраки в аналоговом приёме. То есть обе антенны могут принимать одну и ту же станцию; сигнал от антенны с более коротким кабелем поступит к приёмнику чуть раньше, что даст два слегка смещённых изображения. Фазовые проблемы возможны даже при одинаковой длине кабеля. Полосовой фильтр или ловушки сигнала могут помочь уменьшить эту проблему.

При боковом размещении нескольких антенн, что часто встречается при ограниченной высоте (например, на чердаке), их следует разносить минимум на одну полную длину волны самой низкой частоты.

Часто одна из антенн используется для группы станций, расположенных вместе, а другая — для отдельного передатчика в другом направлении.

• ТВ-антенны хорошо проводят электричество и притягивают молнии, действуя как грозозащитный стержень. Обычно для защиты используется разрядник. Необходим заземляющий стержень, соединённый с антенной и мачтой^[24].
• Правильно установленные мачты, особенно высокие, закрепляются оттяжками из оцинкованного троса; изоляторы не требуются. Они рассчитаны на экстремальные погодные условия и размещаются так, чтобы при падении не задевать линии электропередачи.
• Монтаж или регулировка антенны на крыше сопряжены с опасностью падения.