电视接收天线(television receiving antenna)是一种向空间辐射电磁波能量或从空间接收电磁波能量的装置。由电磁波理论知,导线载有高频交变电流时,就可以形成电磁波的辐射。辐射的能力与导线的形状和长度有关。当导线的长度增大到可与波长相比拟时,导线上的电流就大大增加,因而形成较强的辐射。
电视接收天线按结构形式分类,分为八木天线、环形天线、对数周期天线和抛物面天线等。电视接收天线按其接收频段可分为三类:高频(VHF)、特高频(UHF)和超高频(SHF)。电视接收天线的主要性能有以下4项:1、增益。2、半功率角。3、前后比。4、驻波比。
1864年,电磁波的数学和物理基础是由詹姆斯·麦克斯韦提出的。1887~1888年,赫兹验证电磁波存在的实验完成。1897年,古列尔莫·马可尼在伦敦成立了自己的无线电报公司,很快,无线电报被应用于远洋航海业。1906年,广播实验成功,但在美、苏、法、德、意等国相继正式建立无线电广播电台还是20年代初期的事。30年代,由于雷达和微波技术的发展,喇叭天线、抛物面天线、介质天线、隙缝天线等超短波和微波天线相继诞生。而八木天线于1926年研制成功后,在这一时期开始推广使用。1927年,贝尔德通过电话线在相距640多公里的伦敦与格拉斯哥之间进行了图像传输的机械式电视试播。1928年,英国科学家约翰·贝尔德在伦敦与纽约间成功进行了无线电视收发试验。
简史
天线在通信领域的应用最为广泛,但包括无线通信在内的电子通信才发展了200年。在这个历史进程中,有三位先驱者:詹姆斯·麦克斯韦,赫兹和马可尼。电磁波的数学和物理基础是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1864年提出的,现在称为麦克斯韦方程组。麦克斯韦正是从公式中预言了电磁波的存在,1879年,48岁时的他死于胃癌。赫兹验证电磁波存在的实验是在1887~1888年间完成的。他根据麦克斯韦理论电扰动能辐射电磁波和电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器。
第一个完整的无线电系统,由赫兹于1886年建造和测试。它包括偶极子天线和环形接收天线,为了探测电磁波的存在,他将一根铜丝弯成环状,其两端各连一个金属小球,然后将装置靠近电磁波发射器摆放。经过反复地调整环的位置以及小球的间距,终于在两个小球间闪出电火花。1894年,赫兹因为败血症在波恩去世,享年37岁。赫兹去世的同年,古列尔莫·马可尼刚满20岁。有一天,他偶然读到了电气杂志上赫兹的实验介绍和论文。“电磁波可以用于通信”,这个想法如同发现新大陆般让他激动不已。于是,他马上回到家中进行相关实践操作。短短两年时间,马可尼如愿在1896年6月2日申请到了自己的无线电专利,当时名为“发射电脉冲和信号及其设备的改进”。前文三大先驱者合图中最右边那张就是马可尼与自己的发明合影。1897年,马可尼在伦敦成立了自己的无线电报公司,很快,无线电报被应用于远洋航海业。1909年,古列尔莫·马可尼荣获了诺贝尔物理学,此后的马可尼又陆续在短波通信、远距离定向通信、微波无线通信及雷达领域取得了不少的成就,因此后人给马可尼冠以“无线电通信之父”这个称谓。
1906年广播实验成功,但在美、苏、法、德、意等国相继正式建立无线电广播电台还是20年代初期的事。中波广播天线型式,初期采用T型、г型和伞型天线,后来采用拉线式或自立式铁塔天线以加强沿地面的辐射,以后又增加顶负荷以降低铁塔的高度,在短波广播方面,引入了短波通信天线,采用水平同相天线阵,适应电离层随昼夜、季节、太阳黑子数周期变化的要求,研制了宽带水平天线阵和行波天线。30年代,由于雷达和微波技术的发展,喇叭天线、抛物面天线、介质天线、隙缝天线等超短波和微波天线相继诞生。而八木天线于1926年研制成功后,在这一时期开始推广使用。1927年,贝尔德通过电话线在相距640多公里的伦敦与格拉斯哥之间进行了图像传输的机械式电视试播。1928年,英国科学家约翰·贝尔德在伦敦与纽约间成功进行了无线电视收发试验。第二次世界大战后,以及50年代,电视广播和微波中继等有较大发展,蝙蝠翼天线、带有反射面的各种偶极子天线、潜望镜天线、大功率隙缝天线等诞生。而中、短波天线基本定型。
60年代、70年代,天线技术又有大发展。研制成功双反射面天线、新馈源、波束波导股份。调频和电视天线也基本定型。微带天线、隙缝天线、有源天线等有所发展。反射面天线的频率复用、正交极化、近场测量、多波束引起的偏焦偏置得到了重视。80年代,广播电视天线方面出现的新型式不多,而是在匹配装置和方向图控制方面有些新技术问世,特别是在分米波电视发射天线方面的垂直方向图赋形设计,不但能够把辐射能量更合理地覆盖于服务区,且可抑制对邻近地区产生干扰的辐射。在计算方法上,由于计算机技术的发展,出现了适用于天线电参数计算的数值计算方法。用于卫星广播接收的微带阵平面天线开始有商品供应。
功能原理
电视接收天线是无线电进入系统的大门,它将电视信号反馈给前端,然后进行处理和传输。电视信号传输质量的好坏,与接收天线有着很大的关系。电视接收天线的功能如下:
1、将空间的电视信号转换为电路中传输的高频电流。即空间的电磁波在接收天线中感应电动势,通过馈线形成载有电视信号的高频电流,馈送给前端设备。
2、增加接收电视信号的距离。电视广播的频段通常主要由空间波传播。
3、提高接收电视信号的质量。例如:利用接收天线的方向性来避开建筑物等的反射波的干扰,防止屏幕上出现雪花或重影;利用提高天线增益的办法,来提高电视机的灵敏度,改善电视图像质量等。
在电波计算中,接收点的场强(Er)与发射机功率(Pt)、发射天线方向系数(Dt)、接收天线方向系数(Dr)的乘积开方成正比。因而Dt增加一倍或Dr增加一倍,皆相当Pt增加一倍。而在电视及调频广播天线工作时,除了服从以上规律外,接收点场强(Er)还与发射天线高度Ht与接收天线高度(Hr)之乘积成正比。即Ht增为二倍或Hr增为二倍时,皆可相当Pt增为四倍。
结构
以八木天线为例:电视接收天线最常用的是八木天线。八木天线又称引向天线,它是由有源振子及其前后放置一定期定数量的无源振子组成的。(1)有源振子。有源振子就是能输出信号的谐振器,不输出信号的振子称为无源振子。八木天线的有源振子可以是半波对称振子,也可以是半波折合振子或复合振子。(2)引向体。引向体安装在有源振子的前面,引向体起着凸透镜的作用。增加引向体数目,能显著提高天线的增益,但会使接收天线的频带变窄,阻抗变低,所以要兼顾各方面的性能。(3)反射体。反射体安装在有源振子的后面,反射体起着凹面反光镜的作用。八木天线各振子一般采用直径为10~20mm的铜管或铝管制成。
主要分类
电视接收天线的种类很多,有以下两种不同的分类方法:
1、按结构形式分类。分为八木天线、环形天线、对数周期天线和抛物面天线等。电视接收天线广泛采用八木天线及其复合天线,对于卫星电视接收天线则多使用抛物面天线。
2、电视接收天线按其接收频段可分为三类:高频(VHF)、特高频(UHF)和超高频(SHF)。VHF天线,按接收带宽可分为单频道、分频道和全频道三种。单频道接收天线又称专用频道天线,适合于中、近程距离接收,其增益高、方向性强、驻波比好,并且可以针对每一个频道选择场强电平高、传播电波方向好的地方来设置,故被普遍采用。UHF天线,由于频率很高,一般都做成宽频带天线。例如:分成13~24频道和25~68频道,两个频段的天线。UHF接收天线目前多采用20单元或50单元的八木天线。
主要特点
电视接收天线的主要特性有以下4项:
1、增益。接收天线的增益是指在相同场强的条件下,天线所接到的信号功率与标准半波振子接收信号功率之比,并以分贝表示。增益表示了天线主轴方向的灵敏度。该项指标表征了接收天线截获电磁波能量的能力,在相同的接收条件下,增益越高,天线输出的电平也越高。例如:八木天线的振子数越多,则增益越高。
2、半功率角。半功率角又称半功率波宽度,半功率角可以用来表示天线的方向性。天线的方向性表示接收不同方向传来的信号电波所具有的能力。半功率角越小,方向性越好。天线单元数越多,方向性也越强。半功率角表征了接收天线对电磁波的方向性选择性。它对于具有反射波或同频干扰等非常重要,它能最大限度地排除无用信号,提高天线的选择性,保证良好的电视图像。半功率角又分为水平方向和垂直方向,水平方向半功率比垂直方向角更具有意义,通常水平方向半功率角在70°~22°之间。
3、前后比。前后比是指天线主瓣最大增益与天线后方最大副瓣增益之比,用分贝表示。该指标表征天线抗拒来自反方向电磁波干扰的能力。一般前后比为12~30dB。最大增益越高,则前后比越好,从而有利于抑制从后方来的干扰波,改善接收效果。
4、驻波比。驻波比表示天线中产生驻波时的最大电压与最小电压之比,它反映天线与负载的阻抗匹配程度。当天线射频信号向负载100%传输时,驻波比=1,即阻抗匹配;当不匹配时驻波比\u003e1,比值越大,传输效率越低。
影响效率因素
1、天空噪声。天空噪声是由星体中的能量变换和某些大气层活动造成的大宽带辐射。这种噪声主要通过主瓣输入,与仰角的大小无关。
2、大地噪声。大地噪声是温暖的地面中激发造成的噪声。在高纬度的低仰角中,它对天线噪声的作用最大。
3、人为噪声。机器和设备发出的噪声也会增大天线噪声。例如汽车的打火系统、荧光灯的开和关。天空噪声和人为噪声比起噪声的主要成分大地噪声的作用更小。一般来说,在仰角低于30°左右时,天线噪声温度会迅速增加。
材质和工艺
电视接收天线的机械结构是要考虑的一个重要因,市售的商品天线都是拆装式的,连接节点很众多的小螺丝小连接片暴露在恶劣的大气环境中自然寿命不长。而专业用天线则有条件为保证高可靠性而采用坚固耐久的机械结构。一般天线支架采用耐腐蚀材料制作外,结构上应尽量使各部件连接简单、牢固,不用小零件,且做好节点防腐处理。馈电部分要有可靠的密封,杜绝水、汽侵入。
标准规范
1995年4月22日,行业标准《30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线:第1部分:电和机械特性》(SJ/T 10612.1-1995)《30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线;第2部分:电性能参数的测量方法》(SJ/T 10612.2-1995)《30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线:第3部分:机械性能测试方法、振动试验和环境试验方法》(SJ/T 10612.3-1995)《30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线;第4部分:天线性能规范的编制导则详细规范表格式》(SJ/T 10612.4-1995)发布,1995年10月1日实施,主管部门为电子工业部。
参考资料
电视发展百年史:15岁小伙成第一个真人图像.北京日报.2025-04-08
天线和通信简史.重庆信息通信研究院.2025-03-30
30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线:第1部分:电和机械特性.全国标准信息公共服务平台.2025-03-30
30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线;第2部分:电性能参数的测量方法.全国标准信息公共服务平台.2025-03-30
30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线:第3部分:机械性能测试方法、振动试验和环境试验方法.全国标准信息公共服务平台.2025-03-30
30MHz~1GHz声音和电视广播接收天线;第4部分:天线性能规范的编制导则详细规范表格式.全国标准信息公共服务平台.2025-03-30