Антенна с усилителем: устройство и применение¶

Антенна с усилителем — это приёмное или приёмно-передающее радиотехническое устройство, в состав которого входит антенна (как правило, слабонаправленная или направленная) и электронный усилитель сигнала, размещённый непосредственно вблизи антенны или встроенный в её конструкцию. Такое объединение применяется для компенсации потерь сигнала в фидерном тракте (кабеле снижения) и для повышения уровня принимаемого сигнала на входе приёмника — телевизора, радиоприёмника, модема, базовой станции или измерительного прибора.

¶Назначение и принцип работы

Основная задача усилителя в составе антенны — повысить отношение сигнал/шум на входе приёмного устройства. Ключевой особенностью является размещение усилителя как можно ближе к антенне: если сначала подать слабый сигнал по длинному кабелю, а усилить его у приёмника, то вместе с сигналом усилится и шум, накопленный в фидере, а полезный уровень уже будет частично потерян. Поэтому первый каскад усиления ставят в точке съёма сигнала с антенны.

Типовая структурная схема включает:

• антенный элемент (вибратор, петлевой вибратор, волновой канал, логопериодическая структура, спираль, рупор);
• согласующее устройство (симметрирующее, трансформатор сопротивлений);
• малошумящий усилитель (МШУ) с коэффициентом шума обычно от 0,5 до 3 дБ;
• фильтр (полосовой, режекторный) для подавления помех и сигналов соседних диапазонов;
• линию питания усилителя (часто совмещённую с фидером — питание подаётся по тому же кабелю, что и сигнал).

¶Виды и классификация

По назначению различают:

По схеме питания усилители делятся на устройства с отдельным проводом питания и с дистанционным питанием по коаксиальному кабелю через разделитель (инжектор). По элементной базе — на транзисторные (биполярные, полевые), микросхемные и ламповые (исторически, в СВЧ-технике).

¶История

Развитие активных антенн связано с прогрессом полупроводниковой электроники. В 1950–1960-е годы появились первые малошумящие транзисторные усилители, что позволило размещать их непосредственно у антенных элементов. В радиолюбительской и телевизионной практике в СССР и России с 1970–1980-х годов получили распространение антенные усилители на микросхемах серий К174, а позднее — на специализированных СВЧ-микросхемах. Массовое спутниковое телевидение в 1990-е годы сделало стандартом конвертер с встроенным МШУ.

¶Характеристики

Основные параметры, по которым оценивают антенну с усилителем:

• коэффициент усиления — обычно от 10 до 40 дБ, складывается из усиления антенны и усилителя;
• коэффициент шума — определяет чувствительность, критичен для СВЧ-диапазона;
• динамический диапазон — способность работать при сильных сигналах без перегрузки;
• полоса пропускания — соответствие рабочему диапазону частот;
• точка компрессии и интермодуляционные искажения — важны при наличии мощных мешающих сигналов;
• напряжение и ток питания.

¶Применение

Антенны с усилителем используются в коллективных и индивидуальных телевизионных системах, в спутниковом приёме, в системах радиомониторинга, в любительской радиосвязи, в Wi-Fi и сотовой связи (активные антенны, remote radio head), в радиолокации и радиоастрономии. В условиях слабого сигнала — на удалении от передатчика, в сложном рельефе, в железобетонных зданиях — активная антенна позволяет получить устойчивый приём там, где пассивная неэффективна.

¶Ограничения и критика

Усилитель не создаёт сигнал, а лишь повышает его уровень вместе с шумом. Если на входе сигнал отсутствует или подавлен помехой, усиление не поможет. При близком расположении мощного передатчика возможна перегрузка усилителя и интермодуляционные искажения, приводящие к ухудшению приёма. Дешёвые бытовые усилители нередко имеют высокий коэффициент шума и узкий динамический диапазон, что сводит пользу от их применения к нулю. Также активная антенна требует питания, что усложняет конструкцию и снижает надёжность по сравнению с пассивной.

¶Интересные факты

• В телевизионных антеннах питание усилителя часто подаётся по тому же коаксиальному кабелю, что и сигнал, через разделитель в помещении.
• Малошумящие усилители в радиоастрономии охлаждают до криогенных температур для снижения собственных шумов.
• Термин «активная антенна» иногда применяют именно к антеннам со встроенным усилителем, подчёркивая наличие активных элементов.

Источники: учебники по антеннам и СВЧ-технике, справочники по радиоприёмным устройствам, техническая документация производителей антенно-фидерных устройств.