電視接收天線(television receiving antenna)是一種向空間輻射電磁波能量或從空間接收電磁波能量的裝置。由電磁波理論知,導線載有高頻交變電流時,就可以形成電磁波的輻射。輻射的能力與導線的形狀和長度有關。當導線的長度增大到可與波長相比擬時,導線上的電流就大大增加,因而形成較強的輻射。
電視接收天線按結構形式分類,分為八木天線、環形天線、對數周期天線和拋物面天線等。電視接收天線按其接收頻段可分為三類:高頻(VHF)、特高頻(UHF)和超高頻(SHF)。電視接收天線的主要性能有以下4項:1、增益。2、半功率角。3、前后比。4、駐波比。
1864年,電磁波的數學和物理基礎是由詹姆斯·麥克斯韋提出的。1887~1888年,赫茲驗證電磁波存在的實驗完成。1897年,古列爾莫·馬可尼在倫敦成立了自己的無線電報公司,很快,無線電報被應用于遠洋航海業。1906年,廣播實驗成功,但在美、蘇、法、德、意等國相繼正式建立無線電廣播電臺還是20年代初期的事。30年代,由于雷達和微波技術的發展,喇叭天線、拋物面天線、介質天線、隙縫天線等超短波和微波天線相繼誕生。而八木天線于1926年研制成功后,在這一時期開始推廣使用。1927年,貝爾德通過電話線在相距640多公里的倫敦與格拉斯哥之間進行了圖像傳輸的機械式電視試播。1928年,英國科學家約翰·貝爾德在倫敦與紐約間成功進行了無線電視收發試驗。
簡史
天線在通信領域的應用最為廣泛,但包括無線通信在內的電子通信才發展了200年。在這個歷史進程中,有三位先驅者:詹姆斯·麥克斯韋,赫茲和馬可尼。電磁波的數學和物理基礎是由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在1864年提出的,現在稱為麥克斯韋方程組。麥克斯韋正是從公式中預言了電磁波的存在,1879年,48歲時的他死于胃癌。赫茲驗證電磁波存在的實驗是在1887~1888年間完成的。他根據麥克斯韋理論電擾動能輻射電磁波和電容器經由電火花隙會產生振蕩原理,設計了一套電磁波發生器。
第一個完整的無線電系統,由赫茲于1886年建造和測試。它包括偶極子天線和環形接收天線,為了探測電磁波的存在,他將一根銅絲彎成環狀,其兩端各連一個金屬小球,然后將裝置靠近電磁波發射器擺放。經過反復地調整環的位置以及小球的間距,終于在兩個小球間閃出電火花。1894年,赫茲因為敗血癥在波恩去世,享年37歲。赫茲去世的同年,古列爾莫·馬可尼剛滿20歲。有一天,他偶然讀到了電氣雜志上赫茲的實驗介紹和論文?!半姶挪梢杂糜谕ㄐ拧保@個想法如同發現新大陸般讓他激動不已。于是,他馬上回到家中進行相關實踐操作。短短兩年時間,馬可尼如愿在1896年6月2日申請到了自己的無線電專利,當時名為“發射電脈沖和信號及其設備的改進”。前文三大先驅者合圖中最右邊那張就是馬可尼與自己的發明合影。1897年,馬可尼在倫敦成立了自己的無線電報公司,很快,無線電報被應用于遠洋航海業。1909年,古列爾莫·馬可尼榮獲了諾貝爾物理學,此后的馬可尼又陸續在短波通信、遠距離定向通信、微波無線通信及雷達領域取得了不少的成就,因此后人給馬可尼冠以“無線電通信之父”這個稱謂。
1906年廣播實驗成功,但在美、蘇、法、德、意等國相繼正式建立無線電廣播電臺還是20年代初期的事。中波廣播天線型式,初期采用T型、г型和傘型天線,后來采用拉線式或自立式鐵塔天線以加強沿地面的輻射,以后又增加頂負荷以降低鐵塔的高度,在短波廣播方面,引入了短波通信天線,采用水平同相天線陣,適應電離層隨晝夜、季節、太陽黑子數周期變化的要求,研制了寬帶水平天線陣和行波天線。30年代,由于雷達和微波技術的發展,喇叭天線、拋物面天線、介質天線、隙縫天線等超短波和微波天線相繼誕生。而八木天線于1926年研制成功后,在這一時期開始推廣使用。1927年,貝爾德通過電話線在相距640多公里的倫敦與格拉斯哥之間進行了圖像傳輸的機械式電視試播。1928年,英國科學家約翰·貝爾德在倫敦與紐約間成功進行了無線電視收發試驗。第二次世界大戰后,以及50年代,電視廣播和微波中繼等有較大發展,蝙蝠翼天線、帶有反射面的各種偶極子天線、潛望鏡天線、大功率隙縫天線等誕生。而中、短波天線基本定型。
60年代、70年代,天線技術又有大發展。研制成功雙反射面天線、新饋源、波束波導股份。調頻和電視天線也基本定型。微帶天線、隙縫天線、有源天線等有所發展。反射面天線的頻率復用、正交極化、近場測量、多波束引起的偏焦偏置得到了重視。80年代,廣播電視天線方面出現的新型式不多,而是在匹配裝置和方向圖控制方面有些新技術問世,特別是在分米波電視發射天線方面的垂直方向圖賦形設計,不但能夠把輻射能量更合理地覆蓋于服務區,且可抑制對鄰近地區產生干擾的輻射。在計算方法上,由于計算機技術的發展,出現了適用于天線電參數計算的數值計算方法。用于衛星廣播接收的微帶陣平面天線開始有商品供應。
功能原理
電視接收天線是無線電進入系統的大門,它將電視信號反饋給前端,然后進行處理和傳輸。電視信號傳輸質量的好壞,與接收天線有著很大的關系。電視接收天線的功能如下:
1、將空間的電視信號轉換為電路中傳輸的高頻電流。即空間的電磁波在接收天線中感應電動勢,通過饋線形成載有電視信號的高頻電流,饋送給前端設備。
2、增加接收電視信號的距離。電視廣播的頻段通常主要由空間波傳播。
3、提高接收電視信號的質量。例如:利用接收天線的方向性來避開建筑物等的反射波的干擾,防止屏幕上出現雪花或重影;利用提高天線增益的辦法,來提高電視機的靈敏度,改善電視圖像質量等。
在電波計算中,接收點的場強(Er)與發射機功率(Pt)、發射天線方向系數(Dt)、接收天線方向系數(Dr)的乘積開方成正比。因而Dt增加一倍或Dr增加一倍,皆相當Pt增加一倍。而在電視及調頻廣播天線工作時,除了服從以上規律外,接收點場強(Er)還與發射天線高度Ht與接收天線高度(Hr)之乘積成正比。即Ht增為二倍或Hr增為二倍時,皆可相當Pt增為四倍。
結構
以八木天線為例:電視接收天線最常用的是八木天線。八木天線又稱引向天線,它是由有源振子及其前后放置一定期定數量的無源振子組成的。(1)有源振子。有源振子就是能輸出信號的諧振器,不輸出信號的振子稱為無源振子。八木天線的有源振子可以是半波對稱振子,也可以是半波折合振子或復合振子。(2)引向體。引向體安裝在有源振子的前面,引向體起著凸透鏡的作用。增加引向體數目,能顯著提高天線的增益,但會使接收天線的頻帶變窄,阻抗變低,所以要兼顧各方面的性能。(3)反射體。反射體安裝在有源振子的后面,反射體起著凹面反光鏡的作用。八木天線各振子一般采用直徑為10~20mm的銅管或鋁管制成。
主要分類
電視接收天線的種類很多,有以下兩種不同的分類方法:
1、按結構形式分類。分為八木天線、環形天線、對數周期天線和拋物面天線等。電視接收天線廣泛采用八木天線及其復合天線,對于衛星電視接收天線則多使用拋物面天線。
2、電視接收天線按其接收頻段可分為三類:高頻(VHF)、特高頻(UHF)和超高頻(SHF)。VHF天線,按接收帶寬可分為單頻道、分頻道和全頻道三種。單頻道接收天線又稱專用頻道天線,適合于中、近程距離接收,其增益高、方向性強、駐波比好,并且可以針對每一個頻道選擇場強電平高、傳播電波方向好的地方來設置,故被普遍采用。UHF天線,由于頻率很高,一般都做成寬頻帶天線。例如:分成13~24頻道和25~68頻道,兩個頻段的天線。UHF接收天線目前多采用20單元或50單元的八木天線。
主要特點
電視接收天線的主要特性有以下4項:
1、增益。接收天線的增益是指在相同場強的條件下,天線所接到的信號功率與標準半波振子接收信號功率之比,并以分貝表示。增益表示了天線主軸方向的靈敏度。該項指標表征了接收天線截獲電磁波能量的能力,在相同的接收條件下,增益越高,天線輸出的電平也越高。例如:八木天線的振子數越多,則增益越高。
2、半功率角。半功率角又稱半功率波寬度,半功率角可以用來表示天線的方向性。天線的方向性表示接收不同方向傳來的信號電波所具有的能力。半功率角越小,方向性越好。天線單元數越多,方向性也越強。半功率角表征了接收天線對電磁波的方向性選擇性。它對于具有反射波或同頻干擾等非常重要,它能最大限度地排除無用信號,提高天線的選擇性,保證良好的電視圖像。半功率角又分為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義,通常水平方向半功率角在70°~22°之間。
3、前后比。前后比是指天線主瓣最大增益與天線后方最大副瓣增益之比,用分貝表示。該指標表征天線抗拒來自反方向電磁波干擾的能力。一般前后比為12~30dB。最大增益越高,則前后比越好,從而有利于抑制從后方來的干擾波,改善接收效果。
4、駐波比。駐波比表示天線中產生駐波時的最大電壓與最小電壓之比,它反映天線與負載的阻抗匹配程度。當天線射頻信號向負載100%傳輸時,駐波比=1,即阻抗匹配;當不匹配時駐波比>1,比值越大,傳輸效率越低。
影響效率因素
1、天空噪聲。天空噪聲是由星體中的能量變換和某些大氣層活動造成的大寬帶輻射。這種噪聲主要通過主瓣輸入,與仰角的大小無關。
2、大地噪聲。大地噪聲是溫暖的地面中激發造成的噪聲。在高緯度的低仰角中,它對天線噪聲的作用最大。
3、人為噪聲。機器和設備發出的噪聲也會增大天線噪聲。例如汽車的打火系統、熒光燈的開和關。天空噪聲和人為噪聲比起噪聲的主要成分大地噪聲的作用更小。一般來說,在仰角低于30°左右時,天線噪聲溫度會迅速增加。
材質和工藝
電視接收天線的機械結構是要考慮的一個重要因,市售的商品天線都是拆裝式的,連接節點很眾多的小螺絲小連接片暴露在惡劣的大氣環境中自然壽命不長。而專業用天線則有條件為保證高可靠性而采用堅固耐久的機械結構。一般天線支架采用耐腐蝕材料制作外,結構上應盡量使各部件連接簡單、牢固,不用小零件,且做好節點防腐處理。饋電部分要有可靠的密封,杜絕水、汽侵入。
標準規范
1995年4月22日,行業標準《30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線:第1部分:電和機械特性》(SJ/T 10612.1-1995)《30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線;第2部分:電性能參數的測量方法》(SJ/T 10612.2-1995)《30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線:第3部分:機械性能測試方法、振動試驗和環境試驗方法》(SJ/T 10612.3-1995)《30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線;第4部分:天線性能規范的編制導則詳細規范表格式》(SJ/T 10612.4-1995)發布,1995年10月1日實施,主管部門為電子工業部。
參考資料 >
電視發展百年史:15歲小伙成第一個真人圖像.北京日報.2025-04-08
天線和通信簡史.重慶信息通信研究院.2025-03-30
30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線:第1部分:電和機械特性.全國標準信息公共服務平臺.2025-03-30
30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線;第2部分:電性能參數的測量方法.全國標準信息公共服務平臺.2025-03-30
30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線:第3部分:機械性能測試方法、振動試驗和環境試驗方法.全國標準信息公共服務平臺.2025-03-30
30MHz~1GHz聲音和電視廣播接收天線;第4部分:天線性能規范的編制導則詳細規范表格式.全國標準信息公共服務平臺.2025-03-30