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1、第2章 电视信号的接收,2.1 电视信号的开路接收 2.2 卫星电视接收 2.3 CATV系统中的微波电视接收,2.1 电视信号的开路接收 2.1.1 开路接收天线的基本原理 1.天线的工作原理 天线本身就是一个振荡器,但它又与普通的LC振荡回路不同,是普通LC振荡回路的变形, 图21画出了它们的演变过程。图中LC是发射机的振荡回路，此时电场集中在电容的两个极板中，而磁场则分布在电感线圈周围的有限空间里。显然在这种情况下，要想向广大空间辐射电磁波是不可能的。如果将振荡回路展开，使电磁场分布于空间很大的范围，就创造了辐射的条件。在发射台中，已调制(调辐、调频、调相等)的高频信号电流由传输线从发射
2、机输送到天线上，该天线便把高频信号电流能量转变为相应的电磁波能量,并向空间辐射,其辐射传播过程如图22所示。,图21 闭路振荡回路及天线开路发射,图22 电磁波的辐射与传播,电磁波的能量从发射天线辐射出去以后,将沿地表面所有方向往前传播。若在离发射天 线的某一点置放一导线,由于磁力线切割了导线,就在导线两端激起了一定的交变电压电动势,其频率与发射的振荡频率相同。若将该导线通过传输线与接收机相连接,在接收机中就可以获得高频已调信号的电流。因此这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用,所以称此导线为接收天线。,无论是发射天线或是接收天线,它们都属于能量变换器。“可逆性”是一般能量
3、变换器的特性,例如一部电机既可作为电动机使用,也可作为发电机使用。电动机把电能转换为机械能,而发电机则是将机械能转换为电能。同样,一部天线,它既可作为发射天线使用,也可作为接收天线使用。电机和天线同是可逆的能量变换器。 天线的可逆性不仅表现在发射天线可以用作接收天线,或接收天线可以用作发射天线, 并且表现在天线用作发射天线时的参数与作接收时的参数保持不变,这就是天线互易原理。,2.天线的主要参数 1)输入阻抗 发射天线的基本任务,就是要尽可能地降低高频电能由发射机传送到天线上时的损失和降低能量转变中的损失。为保证高频电能的传输效率,就必须知道天线输入阻抗,以选择适当的馈电设备与正确地选择发射机
4、输出回路的元件,使之获得最好的匹配。对于接收天线来说,也存在匹配问题。 天线馈电点高频电压UA与高频电流IA的比值,称为天线输入阻抗Rin ,即,或,(2-1),式中：R为输入阻抗的有功分量,即电阻部分；X为输入阻抗的无功分量,即电抗部分。,2)天线效率 天线效率为有用功率(即辐射功率P)与消耗在天线上的总功率(辐射功率P和天线内所损耗的功率Pn之和)之比,即,(22),式中：R为天线有用电阻(即辐射等效电阻)；Rn为天线无用电阻(即损耗等效电阻)。,3)方向图 天线的方向图用以说明天线辐射能量在空间的分布。 在指定平面上以天线振子的中心为原点,绘出许多射径方向的向量,取其长度正比于各射径方向
5、上等距离各点处的场强,将所有向量的末端连接成一条曲线,该曲线就是天线在这指定平面上的方向图。通常以场强的最大值为1,其他各方向按最大的值的百分数来标注。当用等距离点上的平均功率密度来描绘时,由于功率密度正比于场强值的平方,因此天线方向图将比用场强绘制的图形稍微窄一些。 对于接收天线而言,方向图表征它所感应的电动势与接收方向的对应关系。 图23所示为对称振子天线的水平方向图。,图23天线方向图,4)方向系数 尽管方向图具有方便醒目的特点,但即使和有效高度结合起来,也不足以全面评定天线的方向特性。精确地评价天线的方向特性需用数量来表示。这个数量称为方向系数。 保持电场强度不变,将定向天线变为非定向
6、天线时发射功率需要增加的倍数,称为天线的方向系数D。 若以分贝表示方向系数D,则可用下式换算：,D(dB)=10lgD,(23),5)增益系数 增益系数(G)等于天线效率(A)与其方向系数(D)的乘积，即,G=DA,(24),天线增益比天线方向系数更全面地反映了天线的性质,天线的增益考虑了方向性引起的场强变化，还考虑了天线效率对场强的影响。若以分贝表示时,G(dB)=10 lg G,(25),通常，天线增益分为功率增益和电压增益,在数值上,功率增益等于电压增益的平方。,6)频率特性 实际的天线并不是只工作在一个频率上,而是工作在某一频带内。为使整个天线系统对高频信号各频谱间的能量分配不引起显著
7、的畸变,因此对天线的通频带有一定的要求。 取天线的最大输出功率为100%,在其两侧各小于3dB的频率范围被定义为天线的通频带B,它可表示为,(26),式中LA，CA分别为天线电感和天线电容。,另外,为使发射天线不产生过压危险,应有最大电压(或天线导体表面上的最大电场强度)这一指标。,UA=EefLef,(27),对于接收天线,我们感兴趣的是在空间电场强度Eef的作用下,接收天线所感应的电动势UA,在接收天线中天线有效面积是另一个重要参数。设在接收点有一平面垂直于电磁波的传播方向,该平面将电磁波能量全部吸收,并转变为等于接收天线的输出功率,此平面的大小称为接收天线的有效面积Aef。在数值上可用下
8、式计算:,(28),接收天线的最大吸收功率Popt与天线的有效面积密切相关，即,(29),3.对电视接收天线的要求 对电视接收天线的要求应当考虑下列因素:接收电视信号的频率范围、极化状态，接收点离电视发射天线的距离或所在的接收点处的场强，接收点的电磁环境、生态环境和气候状况，以及安全保护等。 通常人们衡量一个商品的好坏是用“物美价廉”来表达。对天线而言，不仅要求外观美,并要求电气性能好和结构性能好,同时还要求使用方便,易维护,并且希望价格便宜。 在使用中还要求寿命长,有防雷之类的安全保护。 电视接收天线有室内、室外和半室外等使用状态,对其要求是不同的。,对室外使用的电视接收天线的要求可归纳为下
9、列几个方面: 1）接收天线要有足够的增益 如果电视接收点离电视台较近,那么就要求电视接收天线的增益并不高,通常只有几个分贝 (dB)。但是,如果接收点离电视台较远，那么就要求电视接收天线的增益应达到10dB左右。 此外,还要求在使用频带内,天线增益无明显跌落。对卫星直播电视接收天线增益的要求比较高,这与卫星发射功率及所在接收点位置有关,增益高达30dB多。 如果接收天线增益不够,电视机接收的图像质量就差,可能会出现对比度不够,彩色画面不能上色,有“雨点”和“雪花”式干扰,图像扭曲和不稳定,伴音音质差,甚至会收不到图像。,2）频带要宽 通常要求共用天线的带宽不小于8MHz;要求卫星直播电视接收天
10、线的带宽是工作频率的10%。对接收电视台的家用接收天线则要求全频道工作,即48.5958MHz的频率范围。如果天线的频率特性不好,则会导致水平清晰度下降,甚至会导致彩色副载波受到抑制,使电视机屏幕无法重现画面。,3）方向性要好或接收方向可变 在市区接收电视信号时,由于电视信号较强,不希望接收天线增益过高;又由于电视台数目多,各个频道的发射点位于接收点的不同方位,因此希望在水平面内接收天线的方向性不要过强,尽可能捕捉各个频道的电视信号,在俯仰面内希望方向性要强。此外,市区楼房高而多,形成干扰的电气设备也多,电磁环境复杂,为了避开干扰又往往要求接收天线有较强的方向性。,4）极化状态要与发射天线一致
11、 所谓电磁波的极化方向就是指电磁波的电场分量的指向。电磁波的极化状态通常有3种:线极化(见图24)、圆极化和椭圆极化(见图25)。 这3种状态是指电场矢量(即幅度和相位)的端点随时间变化的轨迹有3种图形。在视距范围内接收电视信号时,要求接收天线的极化方向与发射天线的极化方向一致。例如,发射天线为水平线极化,即图24(a)中电场方向平行地面,接收天线也为水平线极化,此时接收的信号最强；如果接收天线为垂直线极化,即图24(b)中的电场方向垂直地面,此时接收的信号最弱。两者信号电平可相差30dB以上。应当指出的是,在视距以远接收电磁波时,由于电磁波经电离层传输而受影响,使其极化方向产生变化。例如,发
12、射水平极化波,经电离层传输后被反射, 使接收处的电波可能有两种极化分量,既有水平极化分量,又有垂直极化分量。另外,在卫星直播电视接收中,由于卫星上的发射天线采用圆极化,以提高抗干扰能力,因此电视接收天线也应为圆极化,如果用线极化接收时,信号能量将被衰减一半。不难看出,电视接收天线只对与自身极化方向一致的极化波敏感,对与其本身极化方向垂直的电磁波不敏感。,图24 线极化示意图,图25 圆极化波及传播方向,5）强度要高,刚性要好 室外天线均应能承受一定风载。例如,接收电视台的八木天线,其风载承受能力为(30200)N左右,对VHF频段,因振子长,天线承受风载大；对UHF频段,天线承受风载就小；对卫
13、星电视接收天线,由于体积大,风载也大,更要考虑强度和刚性指标。在沿海地区使用时, 还要考虑能承受台风和暴雨的袭击。,6）“三防”(防水、防霉菌、防盐雾腐蚀)性能要好 水、霉菌和盐雾会导致天线工作表面损坏,使天线与馈线之间接触不良。 7）尺寸应尽可能小,质量要轻,制作要简单,安装维护要容易,外表要美观在满足天线增益和方向性要求的前提下,总希望天线尺寸尽可能小,特别是卫星直播电视接收天线,这个方面的要求更为突出。,8）要有防雷和避雷等安全保护措施 这是架高室外天线必须采取的措施，否则会导致机毁人亡。 室内接收天线与室外天线的要求是不同的。对其要求可归纳如下: (1)天线尺寸小、质量轻或尺寸及接收方
14、向可调整; (2)天线的频带要宽,能兼容接收VHF/UHF两个频段; (3)造型美观或兼作室内装饰品； (4)天线放置应避开房内过道,尽可能远离电灯线、暖气管道和铁窗等； (5)室内天线大都在电视台附近使用,对天线增益要求较低,通常为3dB左右,方向性也较弱。,应当指出,如果电视机用户安装的室内天线正好朝着几个电视台的方向，前方又无高大建筑物遮挡,那么室内天线增高时其接收效果就比较理想。如果电视机用户安装的接收天线的前方被自身房屋或其他建筑物遮挡时,即使天线增益较高,其接收效果也不一定好。这时需要将接收天线架设在无遮挡处。,2.1.2 各种常用天线及其形式 自1888年以来,由赫兹首创的偶极子
15、天线,已发展成许多类型的金属线天线及其天线阵列。此外,还有一些天线,例如,缝隙天线、螺旋天线,平面或锥形螺旋天线、对数周期天线等,它们的基本原理都是相似的。 同样,由赫兹首创的抛物面天线也已发展成许多种金属反射面天线及其阵列。 这许许多多种天线,从形状到尺寸,从结构到机理各不相同。人们为了区分起见,人为地按功能、频段、方向性(或增益高低)、使用场所、天线形状、尺寸大小、制作的材料和结构、发明者的名字、工作机理等一系列因素来划分天线类型。通常,电视接收天线可以按下列情况来分类:,（1）由线状或管状导体制成的天线; （2）由板状导体制成的天线; （3）由电介质材料制成的天线; （4）由线状、板状导
16、体和介质材料组合而成的天线; （5）上述各类天线组成的阵列。 偶极子(又称振子)天线和圆环天线都是常见的室内电视接收天线。因偶极子的长度不同, 又可分为半波偶极子、电小偶极子(即偶极子长度远小于波长)、全波偶极子。因偶极子的形状不同,可分为X形偶极子、V形极子、曲线偶极子等。由于其长度可变，偶极子天线被取名为拉杆天线。,环天线也是由线状和管状导体构成的,它由振子弯曲而成。由于弯曲的形式和激励状况不同,它可分为:折合振子、异形三折合振子、W形振子、U形振子、S形振子、H形振子、菱形振子、矩形振子和圆形振子。在分析这类天线时,也常将环天线分成很多小的直线单元,每个单元看成一个电小偶极子天线,然后综合这些单元,求出总的特性。 螺旋天线可以看成是由偶极子天线或环天线演变而成的。因为螺旋拉直以后即变成线状,可看成偶极子天线。对于波长很长的天线,为了缩小体积,人们曾试图将导线制成的天线缠绕在一个物体上,这种天线
