Jak działa antena telewizyjna? Dlaczego jej kształt i budowa mają znaczenie

Antena telewizyjna na pierwszy rzut oka może wyglądać jak odpowiednio ułożony zestaw aluminiowych prętów. W rzeczywistości jej kształt, długość elementów, wzajemne odległości i sposób połączenia są bezpośrednio związane z częstotliwościami, które ma odbierać.

Antena nie odbiera jednego programu ani jednej częstotliwości.
Pracuje w określonym zakresie częstotliwości, a jej parametry zmieniają się w obrębie tego zakresu. Dlatego dwie anteny ustawione
w dokładnie tym samym miejscu mogą zachowywać się zupełnie inaczej.

I właśnie dlatego przy wyborze anteny nie warto kierować się wyłącznie jej wielkością, liczbą elementów albo informacją
o „gigantycznym zysku” umieszczoną na opakowaniu.

Antena nie odbiera kanału telewizyjnego. Odbiera fale radiowe

Zacznijmy od rzeczy podstawowej.

Nadajnik telewizyjny emituje fale elektromagnetyczne.
Antena odbiorcza znajdująca się w polu tej fali powoduje powstawanie bardzo małych napięć i prądów w swoich elementach.
Sygnał ten trafia następnie przewodem koncentrycznym do tunera telewizora albo dekodera.

Dopiero odbiornik wybiera konkretny kanał częstotliwościowy,
demoduluje sygnał DVB-T lub DVB-T2 i wydobywa z multipleksu poszczególne programy telewizyjne.

Sama antena nie wie więc, czy odbiera TVP, Polsat, TVN czy inny program. Dla anteny są to fale radiowe znajdujące się
w określonym zakresie częstotliwości.

Jedna antena odbiera wiele częstotliwości jednocześnie

To jedna z rzeczy, które często są źle rozumiane.

Antena nie jest dostrojona wyłącznie do jednej konkretnej częstotliwości. Każda konstrukcja ma pewne pasmo pracy, w którym może skutecznie odbierać sygnały.

W przypadku naziemnej telewizji cyfrowej w Polsce podstawowe znaczenie ma obecnie pasmo UHF od około
470 do 694 MHz. W tym zakresie pracuje większość multipleksów DVB-T2.

Osobnym przypadkiem jest MUX-8 wykorzystujący pasmo VHF 174–230 MHz.

Oznacza to, że antena przeznaczona wyłącznie do UHF nie musi prawidłowo odbierać transmisji VHF. I odwrotnie – antena
zaprojektowana dla VHF ma zupełnie inne wymiary elementów niż typowa antena UHF.

Dlaczego częstotliwość wpływa na wielkość anteny?

Częstotliwość fali radiowej jest bezpośrednio związana z jej długością.

Zależność tę opisuje proste równanie:

gdzie λ oznacza długość fali,
c – prędkość światła,
a f – częstotliwość.

Im wyższa częstotliwość, tym krótsza fala. Dlatego elementy anten pracujących w wyższych częstotliwościach mogą być krótsze.

To nie przypadek, że antena VHF ma zazwyczaj znacznie dłuższe elementy niż antena UHF.

Najważniejszy element – dipol

Sercem wielu anten odbiorczych jest dipol.

To właśnie w nim pod wpływem odbieranej fali powstaje sygnał, który następnie przekazywany jest do instalacji antenowej.

W najprostszym przypadku można mówić o dipolu zbliżonym
długością do połowy długości odbieranej fali. W rzeczywistych
antenach sytuacja jest bardziej skomplikowana, ponieważ wpływ
mają między innymi średnica elementów, ich kształt, sposób
zasilania, otoczenie oraz pozostałe elementy anteny.

Dlatego nie wystarczy przypadkowo przyciąć dwóch kawałków
aluminium i oczekiwać, że powstanie dobra szerokopasmowa
antena telewizyjna.

Po co antenie tyle dodatkowych prętów?

Bardzo dobrze widać to na klasycznej antenie typu Yagi-Uda.

Oprócz elementu aktywnego – dipola – znajdują się w niej
dodatkowe elementy, które nie są elektrycznie połączone
z przewodem antenowym.

Mimo to mają ogromne znaczenie.

Reflektor

Za dipolem znajduje się zazwyczaj reflektor.

Jego zadaniem jest między innymi poprawienie kierunkowości
anteny i ograniczenie odbioru sygnałów dochodzących od tyłu.

W praktyce może to być szczególnie ważne tam, gdzie za anteną
znajduje się inne źródło sygnału, odbicie albo zakłócenie.

Direktory

Po stronie nadajnika umieszczane są
direktory.

Odpowiednio dobrane długości i odległości między nimi wpływają
na charakterystykę anteny, jej kierunkowość oraz uzyskiwany
zysk energetyczny.

Dlatego charakterystyczny „las prętów” w antenie kierunkowej
nie jest ozdobą.

Każdy z tych elementów uczestniczy w kształtowaniu sposobu,
w jaki cała antena reaguje na fale radiowe.

Więcej elementów nie zawsze oznacza lepszą antenę

Łatwo dojść do wniosku, że skoro direktory pomagają uzyskać
większą kierunkowość, to im więcej prętów, tym lepiej.

Nie jest to takie proste.

Antena jest układem, którego elementy wzajemnie na siebie
oddziałują. Znaczenie ma ich długość, średnica, odległość,
położenie względem dipola oraz wiele innych parametrów.

Dobrze zaprojektowana antena z mniejszą liczbą elementów
może w określonych warunkach pracować lepiej od dużej
konstrukcji posiadającej ich znacznie więcej.

Anteny nie ocenia się liczbą prętów. Ocenia się parametry
całej konstrukcji w zakresie częstotliwości, w którym ma pracować.

Co właściwie oznacza zysk anteny?

Jeden z najczęściej wykorzystywanych parametrów to
zysk anteny.

Nie oznacza on jednak, że antena produkuje dodatkową energię
albo wzmacnia sygnał w taki sposób jak wzmacniacz elektroniczny.

Antena pasywna nie posiada własnego źródła energii.

Jej zysk wynika przede wszystkim z tego, że odpowiednia
konstrukcja pozwala skoncentrować czułość w określonych
kierunkach kosztem innych kierunków.

Można to porównać do latarki. Źródło światła może mieć
tę samą moc, ale odpowiednio ukształtowany reflektor
koncentruje światło w konkretnym kierunku.

Podobnie antena kierunkowa może skuteczniej odbierać sygnał
nadchodzący od strony nadajnika i słabiej reagować na sygnały
docierające z innych kierunków.

Kierunkowość bywa ważniejsza niż ogromny „zysk” z reklamy

W trudnym środowisku odbiorczym bardzo istotna jest
charakterystyka kierunkowa anteny.

Jeżeli właściwy sygnał dochodzi z jednego kierunku,
a z pozostałych docierają odbicia i zakłócenia, dobra antena
kierunkowa może znacząco poprawić warunki odbioru.

Nie chodzi wtedy wyłącznie o uzyskanie większego poziomu
sygnału.

Równie ważne może być
odrzucenie tego, czego nie chcemy odbierać.

Stosunek przód/tył – często niedoceniany parametr

Jedną z cech anteny jest stosunek odbioru od strony głównego
kierunku do odbioru od strony przeciwnej.

W praktyce dobra separacja przód/tył może ograniczać wpływ
sygnałów i odbić znajdujących się za anteną.

W mieście, między budynkami albo w instalacjach znajdujących
się pomiędzy kilkoma nadajnikami może być to bardzo istotne.

Antena szerokopasmowa zawsze jest pewnym kompromisem

Jeżeli antena ma pracować w szerokim zakresie częstotliwości,
jej konstruktor musi uzyskać odpowiednie parametry
nie dla jednego punktu częstotliwości, ale dla całego pasma.

Zysk, dopasowanie, kierunkowość i charakterystyka promieniowania
nie są idealnie takie same na początku, środku i końcu pasma.

Dlatego informacja typu
„zysk anteny 17 dBi”
bez wykresu pokazującego zachowanie konstrukcji w całym
interesującym zakresie częstotliwości mówi znacznie mniej,
niż mogłoby się wydawać.

Dlaczego antena logarytmiczno-periodyczna wygląda tak charakterystycznie?

Anteny logarytmiczno-periodyczne można łatwo rozpoznać
po elementach stopniowo zmieniających swoją długość.

Nie jest to zabieg stylistyczny.

Poszczególne części konstrukcji stają się najbardziej aktywne
dla różnych fragmentów pasma.

Dzięki temu antena może zachowywać stosunkowo przewidywalne
parametry w szerokim zakresie częstotliwości.

Anteny Yagi – kierunkowość i starannie dobrana geometria

Klasyczna Yagi-Uda wykorzystuje dipol, reflektor oraz zestaw
direktorów.

Taka konstrukcja pozwala uzyskać wyraźną kierunkowość
i dobre parametry przy prawidłowym zaprojektowaniu.

W instalacji oznacza to również konieczność odpowiedniego
ustawienia anteny.

Antena o węższej charakterystyce może świetnie eliminować
sygnały z niepożądanych kierunków, ale jednocześnie jest
bardziej wrażliwa na błędne ustawienie.

A co z popularną anteną „siatkową”?

Antena siatkowa jest konstrukcją szerokopasmową, która przez
lata stała się w Polsce niezwykle popularna.

Charakterystyczna metalowa siatka pełni funkcję reflektora,
a przed nią znajduje się układ elementów odbiorczych.

Tego typu anteny mogą sprawdzać się bardzo dobrze w określonych
warunkach, zwłaszcza gdy nie jest potrzebna bardzo wąska
charakterystyka kierunkowa.

Problem zaczyna się wtedy, gdy do każdej instalacji stosuje się
dokładnie ten sam zestaw, często dodatkowo wyposażony
w bardzo silny wzmacniacz, niezależnie od rzeczywistych
warunków odbioru.

„Antena cyfrowa DVB-T2” – co naprawdę oznacza ten napis?

To jeden z najbardziej utrwalonych marketingowych skrótów.

Antena sama w sobie nie jest cyfrowa ani analogowa.

Odbiera energię fali elektromagnetycznej.

Ta sama prawidłowo zaprojektowana antena pracująca
w odpowiednim paśmie mogła dawniej odbierać telewizję
analogową, później DVB-T, a obecnie DVB-T2.

Zmienił się sposób modulacji i kodowania informacji
przesyłanych przez nadajnik, a nie prawa fizyki rządzące
działaniem anteny.

UHF i VHF – dlaczego jedna antena nie zawsze wystarczy?

W Polsce większość naziemnej telewizji cyfrowej pracuje
w paśmie UHF 470–694 MHz.

MUX-8 wykorzystuje natomiast pasmo VHF 174–230 MHz.

Różnica jest duża, dlatego elementy optymalne dla tych dwóch
zakresów mają inne wymiary.

Istnieją oczywiście anteny typu COMBO, które zawierają
sekcję VHF i UHF w jednej konstrukcji.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch oddzielnych anten
i odpowiednie ich połączenie.

Wybór zależy od konkretnej lokalizacji, nadajnika,
polaryzacji, poziomów sygnałów i całej instalacji.

Polaryzacja – antena może być dobra, ale ustawiona źle

Fala elektromagnetyczna może być nadawana między innymi
w polaryzacji poziomej albo pionowej.

Antena odbiorcza powinna być ustawiona zgodnie z polaryzacją
wykorzystywaną przez daną emisję.

W uproszczeniu oznacza to odpowiednie ułożenie jej elementów.

Obrócenie anteny o 90 stopni może więc spowodować bardzo dużą
różnicę w poziomie odbieranego sygnału.

Symetryzator nie jest przypadkowym dodatkiem

Antena i kabel koncentryczny nie zawsze tworzą układ,
który można bezpośrednio ze sobą połączyć.

W wielu konstrukcjach stosuje się więc
symetryzator, którego zadaniem jest właściwe
dopasowanie anteny do niesymetrycznej linii koncentrycznej.

Prawidłowe dopasowanie jest ważne, ponieważ część energii
może zostać odbita zamiast przekazana do odbiornika.

Dlatego jakość puszki antenowej, symetryzatora, złączy
i przewodu również ma znaczenie.

Wzmacniacz antenowy nie poprawia anteny

To chyba najważniejszy praktyczny mit.

Jeżeli odbiór jest słaby, bardzo często pierwszą reakcją jest:

„Założymy mocniejszy wzmacniacz”.

Tymczasem wzmacniacz nie potrafi odtworzyć informacji,
która została już utracona.

Jeżeli do anteny dociera sygnał bardzo złej jakości,
z dużą ilością zakłóceń lub niekorzystnych odbić,
wzmacniacz powiększy również to, czego w instalacji
wcale nie chcemy.

Co więcej, zbyt silny sygnał może doprowadzić do przesterowania
wzmacniacza albo wejścia odbiornika.

Efekt może być paradoksalny:
po zastosowaniu „mocniejszego” wzmacniacza telewizja
zaczyna działać gorzej.

Najpierw należy uzyskać możliwie dobry sygnał z anteny.
Dopiero później podejmować decyzję, czy instalacja
rzeczywiście wymaga dodatkowego wzmocnienia.

Poziom sygnału to nie wszystko

W telewizji cyfrowej bardzo łatwo wpaść w pułapkę patrzenia
wyłącznie na procentowy wskaźnik „siły” wyświetlany przez
telewizor.

Profesjonalna ocena instalacji obejmuje również parametry
opisujące jakość sygnału.

Instalator przy pomiarach zwraca uwagę między innymi
na MER, błędy transmisji oraz zachowanie sygnału na
poszczególnych kanałach.

Można mieć wysoki poziom sygnału, który jednocześnie
charakteryzuje się złą jakością.

Dlatego „100% siły” na ekranie telewizora nie oznacza
automatycznie prawidłowo wykonanej instalacji.

Dlaczego antenę trzeba dobierać do miejsca montażu?

Nie istnieje jedna antena, która będzie najlepsza
w każdym miejscu.

Na odbiór wpływają między innymi:

• odległość od nadajnika,
• moc i charakterystyka obiektu nadawczego,
• częstotliwości wykorzystywanych multipleksów,
• polaryzacja sygnału,
• ukształtowanie terenu,
• budynki, drzewa i inne przeszkody,
• odbicia sygnału,
• inne nadajniki znajdujące się w pobliżu,
• zakłócenia radiowe,
• wysokość zawieszenia anteny,
• długość i jakość przewodu,
• liczba odbiorników oraz sposób podziału sygnału.

Antena świetnie sprawdzająca się na jednym domu może więc
kilkaset metrów dalej nie być rozwiązaniem optymalnym.

Większa antena nie zawsze jest lepsza

Duża antena kierunkowa ma swoje zalety, ale montowanie jej
bez potrzeby również nie ma sensu.

Bardzo blisko nadajnika problemem może być wręcz zbyt wysoki
poziom sygnału.

W innym miejscu ważniejsze od maksymalnego zysku może być
szerokie pasmo pracy.

Jeszcze gdzie indziej najważniejsza okaże się bardzo dobra
kierunkowość pozwalająca odseparować niepożądany sygnał.

Dlatego profesjonalny dobór anteny zaczyna się od warunków
odbiorczych, a nie od katalogu producenta.

Antena jest pierwszym i jednym z najważniejszych elementów instalacji

Można zastosować doskonały przewód, markowe rozgałęźniki,
wzmacniacz i najlepszy telewizor.

Jeżeli jednak na początku instalacji antena dostarczy
sygnał złej jakości, kolejne urządzenia mają bardzo
ograniczone możliwości jego poprawy.

Dlatego odpowiedni dobór, miejsce montażu i prawidłowe
ustawienie anteny są tak istotne.

Podsumowanie – antena to precyzyjny układ, a nie kawałek metalu