Система из двух диполей. Антенна Уда-Яги. Телеприем на дачном участке, далеко за городом
Простейшим примером такой системы является антенна, состоящая из набора полуволновых диполей, расположенных в одной плоскости. Антенну такого типа описал в 1926 г. С. Уда (Япония) и популяризировал его коллега X. Яги. Поэтому ее и называют антенной Уда - Яги или антенной Яги.
В диполе, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется ток, амплитуда которого зависит от электрической длины диполя. Часть энергии, излученной одним диполем и перехваченной другим диполем, не имеющим потерь, вновь переизлучается. Таким образом, результирующее поле состоит из поля прямого излучения и поля переизлучения.
Если диполь нагружен на сопротивление R 0 , равное сопротивлению излучения, то половина энергии передается в нагрузку, а половина излучается. Такой диполь называют вибратором. Любой диполь имеет собственное сопротивление потерь. Поэтому мощность, как передаваемая в нагрузку, так и переизлучаемая, меньше половины мощности, перехваченной диполем.
Основные принципы построения пассивных элементов целесообразно рассмотреть с позиции приема электромагнитной волны. Предположим, что электромагнитная волна, возбужденная отдаленным источником (рис. 5.84), достигает сначала пассивного диполя и индуцирует в нем ток. Волна, вызвавшая появление тока в пассивном диполе, распространяется дальше и, достигнув вибратора, также наводит в нем ток. Ток, наведенный в вибраторе, будет протекать через сопротивление нагрузки. Ток, который протекает в пассивном элементе, создает собственное поле, называемое вторичным (рис. 5.84б ). Вторичное поле распространяется точно так же, как поле излучения обычного диполя. Это поле также достигает вибратора, размещенного на расстоянии S от пассивного элемента, и так же, как и первичное поле, наводит в нем ток.
Если оба поля приходят к вибратору в фазе, то наведенные ими токи складываются алгебраически, что эквивалентно увеличению усиления принятого сигнала.
Если вторичное поле имеет сдвиг по фазе на угол φ относительно первичного поля, то и токи, наведенные этими полями, также будут иметь между собой фазовый сдвиг φ . Следовательно, оба тока складываются геометрически. В этом случае усиление будет меньше, чем в случае, когда фазы токов совпадали между собой.
Таким образом, усиление зависит от фазовых соотношений между токами, которые, в свою очередь, определяются как длиной элементов, так и их взаимным расположением. Чем ближе к вибратору находится пассивный элемент, тем сильнее его влияние на результирующее поле и наведенный в вибраторе ток. Однако существует граничное расстояние, при переходе через которое сближение пассивного элемента и вибратора приводит к падению усиления, что иллюстрируется графиком на рис. 5.85. Из этого графика следует, что дополнительное усиление антенны, состоящей из вибратора и пассивного элемента, длина которого подобрана так, чтобы первичное и вторичное ноля совпадали по фазе, зависит от расстояния между элементами. Теоретически дополнительное усиление может достигать 6 дБ, но из-за наличия потерь практически удается получить несколько меньший выигрыш в усилении.
В рассмотренном случае дополнительное усиление антенны было получено за счет размещения пассивного элемента, называемого директором, перед вибратором относительно источника излучения Если же теперь пассивный элемент (директор) будет находиться за вибратором, то результирующее поле в месте расположения вибратора уменьшится, что эквивалентно падению усиления антенны. Диаграммы, приведенные на рис. 2.52, иллюстрируют однонаправленность характеристики излучения такой антенной системы Эффективность подавления излучения в обратном направлении характеризуется параметром F/B .
Теперь рассмотрим возможность повышения усиления антенны при расположении пассивного элемента (рефлектора) за вибратором относительно источника излучения (рис. 5.86а и б ). Электромагнитная волна после прохождения «через» вибратор достигает рефлектора и наводит в нем ток. Этот ток наводит вторичное поле. Если определенным образом подобрать длину рефлектора, то можно добиться совпадения фаз токов, наведенных в вибраторе как прямой, так и вторичной волнами. Отметим, что в данном случае в направлении от вибратора к рефлектору оба поля будут взаимно компенсировать друг друга.
Так как длина директора несколько меньше половины длины волны, то его можно рассматривать как емкостный контур, в котором ток опережает напряжение. Рефлектор же несколько длиннее половины длины волны и поэтому его можно рассматривать как индуктивный контур, в котором ток отстает от напряжения.
Необходимо иметь в виду, что приближение пассивного элемента к активному изменяет сопротивление излучения последнего R изл и, следовательно, его входное сопротивление R A . Влияние сближения диполей на входное сопротивление показано на рис. 5.87. Отметим, что приведенные данные соответствуют оптимальной длине пассивного элемента. Одновременное использование двух пассивных элементов - и директора, и рефлектора - в еще большей степени скажется на изменении входного сопротивления вибратора.
Сопротивление потерь вибратора R пот , который выполнен в виде тонкого провода, в диапазоне достаточно длинных волн (более 40 м) может составлять несколько Ом, что уже сравнимо с сопротивлением R изл . Так, например, при S = 0,1λ R изл составляет примерно 14 Ом. Поэтому КПД такой антенны не очень велик. Для его повышения следует использовать провода с большим сечением. Для диапазонов 20; 15 и 10 м с этой целью с успехом используют алюминиевые трубки диаметром 20...50 мм. Диполи, выполненные из таких трубок, можно крепить к несущим конструкциям в их центре, что позволяет избежать применения концевых изоляторов, которые приводят к дополнительным потерям и должны сохранять работоспособность при достаточно высоком уровне напряжения на сравнительно высоких частотах.
Взаимное влияние элементов приводит к изменению не только сопротивления излучения, но и резонансной частоты.
Если вибратор, длина которого выбрана так, чтобы он находился в резонансе, приблизить к директору, длина которого несколько меньше λ/2 , то получим эффект укорочения вибратора. В этом случае, чтобы восстановить резонанс, следует несколько удлинить вибратор. Противоположный эффект наблюдается при приближении к вибратору рефлектора, длина которого превышает λ/2 . В этом случае для получения резонанса следует несколько укоротить вибратор.
Влияние изменения расстояния между элементами на усиление антенны, ее характеристики направленности и сопротивление излучения рассмотрим на относительно простом примере, когда пассивный элемент имеет ту же длину, что и вибратор. Выводы, вытекающие из данного рассмотрения, пригодны и для анализа более сложной антенны.
На рис. 5.88а приведены графики изменения дополнительного усиления по направлениям А и В при изменении расстояния между активным и пассивным элементами. Эти данные приведены для случая, когда длины обоих элементов одинаковы, а сами элементы не имеют потерь. Из графика, соответствующего направлению А , видно, что наибольшее усиление достигается, когда расстояние между вибратором и директором S = 0,1λ . Дополнительный выигрыш в усилении составляет около 5,8 дБ. При увеличении расстояния между вибратором и директором дополнительное усиление падает, а потом становится отрицательным, что свидетельствует об уменьшении усиления антенны по сравнению с усилением одиночного вибратора.
Если пассивный элемент рассматривать как рефлектор (направление В ), то при малых расстояниях между элементами (S < 0,1λ ) дополнительное усиление падает, при больших расстояниях (S > 0,1λ ) увеличивается. Чтобы избежать падения усиления при больших значениях расстояния S , необходимо пассивный элемент, выступающий в роли директора, несколько укоротить, а пассивный элемент, выступающий в роли рефлектора, удлинить.
Отметим, что увеличение расстояния S между элементами антенны приводит к росту сопротивления излучения R изл , что, в свою очередь, обусловливает рост КПД антенны.
Необходимую длину директора и рефлектора при заданном расстоянии между данным пассивным элементом и вибратором можно определить, пользуясь графиками, приведенными на рис. 5.88б и в . Эти графики соответствуют двухэлементной антенне, реализующей наибольшее усиление.
Отметим, что длины пассивных элементов можно выбирать с позиций оптимизации по другим параметрам антенны, например с целью получения максимального отношения F/B , требуемого усиления в основном и противоположном направлениях или достижения большей широкополосности антенны. Как правило, конструируют антенну, в которой достигается компромисс между этими достаточно противоречивыми требованиями.
Из графиков на рис. 5.88а следует, что при расстоянии S = 0,14λ и одинаковой длине вибратора и пассивного элемента антенна является двунаправленной, но имеет повышенное значение усиления (около 4 дБ). Уменьшая расстояние S до 0,1λ , получаем в одном направлении (A ) выигрыш в усилении, а отношение F/B в этом случае составляет 5 дБ. При дальнейшем уменьшении расстояния S до 0,05λ усиление в направлении А уменьшается и составляет только 2 дБ, зато существенно падает усиление антенны в направлении В . В этом случае отношение F/B = 19 дБ .
На практике двухэлементной антенне расстояние S обычно выбирается равным 0,1λ , а длину пассивного элемента подбирают так, чтобы максимально подавить прием антенны с заднего направления. Отметим, что КПД такой антенны в значительной степени определяется толщиной используемых диполей.
Если же отношение F/B не является самым важным параметром разрабатываемой антенны, то расстояние S выбирают в пределах 0,15...0,25λ . Максимизация усиления антенны в этом случае достигается подбором длины пассивного элемента. Такой подход к выбору параметров антенны продиктован следующими соображениями: при достаточно большом расстоянии между активным и пассивным элементами входное сопротивление антенны достаточно велико, что приводит к росту КПД разрабатываемой антенны. Надо иметь в виду, что увеличение расстояния между элементами антенны приводит к увеличению ее габаритных размеров. Так, например, для диапазона 40 м, для которого длина элементов составляет около 20 м, расстояние S , при котором реализуется максимальное значение КПД, равно 10 м, тогда как расстояние S , которое соответствует отношению F/B = 19 дБ , равняется лишь 2 м. Поэтому изготовить антенну с большим отношением F/B легче, чем антенну с меньшими потерями. Следует еще отметить, что подбор длины пассивного элемента для регулировки отношения F/B очень легко осуществляется на практике, так как зависимость отношения F/B от длины пассивного элемента имеет ярко выраженный резонансный характер.
Схема двухэлементной антенны, выполненной в виде вибратора и директора, дает несколько лучшие результаты, чем схема антенны с пассивным элементом в виде рефлектора. Поэтому на практике первая из схем получила большее распространение Настройка директора на максимум усиления позволяет получить в этой антенне усиление около 5 дБ по сравнению с полуволновым диполем, а отношение F/B составляет только 5,5 дБ. Незначительное укорочение директора приводит к незначительному падению усиления (до 4 дБ), а отношение F/B увеличивается до 17 дБ. В этой антенне подбором расстояния S можно получить или максимальное значение усиления, или максимальное отношение F/B (рис. 5.89).
Диаграмма направленности двухэлементной антенны достаточно существенно зависит от расстояния S и длины пассивного элемента, что иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 5.90. Эти диаграммы сняты радиолюбителем с позывными W3GAU как для горизонтальной, так и для вертикальной плоскостей. В частности, из приведенных диаграмм (рис. 5.90а ) видно, что при увеличении длины пассивного элемента направление максимального излучения антенны может измениться на противоположное (кривые А и D ).
Широкополосность антенн типа Уда-Яги может быть рассмотрена с самых различных позиций, например с точки зрения:
- полосы частот, в которой усиление будет больше некоторого условного уровня;
- полосы частот, в которой отношение F/B будет не ниже некоторого заданного уровня;
- полосы частот, в которой коэффициент стоячей волны в питающем тракте будет не больше заданного значения.
Последний критерий достаточно часто используют при определении широкополосности антенны. График изменения входного сопротивления при изменении частоты для некоторой антенны приведен на рис. 5.91. Надо сказать, что широкополосность антенны, задаваемая уровнем коэффициента стоячей волны, зависит от добротности антенны Q . Добротность антенны, у которой расстояние между элементами мало, велика, и поэтому ширина рабочей полосы, в которой уровень коэффициента стоячей волны сравнительно невысок, весьма мала. Так, например, для двухэлементной антенны, расстояние между элементами которой S = 0,075λ , ширина рабочей полосы на уровне К стU < 3 составляет только 3%. Отметим, что в данном случае во всем диапазоне отношение F/B не хуже, чем 10 дБ. При увеличении расстояния S до 0,25λ добротность антенны уменьшается, ширина полосы увеличивается, а отношение F/B уменьшается (см. рис. 5.89).
Двухэлементная антенна с пассивным элементом в виде рефлектора обладает несколько иными свойствами. Наибольшее отношение F/B = 16 дБ достигается при S = 0,2λ . Одновременно в данном случае входное сопротивление возрастает до 72 Ом, а добротность антенны Q равна 4,7. Эти данные относятся к антенне, элементы которой характеризуются отношением l/d = 300 . Уменьшая это отношение, например, за счет увеличения диаметра диполей, можно еще несколько снизить добротность антенны и тем самым увеличить ее широкополосность.
4.2. Универсальные антенны типа «волновой канал»
Четырехэлементная антенна типа «волновой канал»
(рис. 4.1) предназначена для приема телепередач на одном выбранном канале на расстоянии 50-60 км от ТЦ или ретранслятора. Антенна обеспечивает получение высокого качества изображения и звука при высоком уровне помех и отраженных сигналов, имеет повышенные электрические параметры и технические характеристики.
Четырехэлементная антенна имеет диаграмму направленности, расположенную в трех координатах в виде вытянутой сигары в сторону ТЦ. Такая диаграмма образуется в результате сложения полей активного вибратора, рефлектора и двух директоров. При настройке антенны путем подбора размеров деталей антенны и расстояния между ними добиваются такого соотношения фаз всех
полей, чтобы они в направлении директора складывались, а в направлении рефлектора - вычитались, как бы образуя волновой канал, вдоль которого проходит поток ЭДС. Диаграмма направленности четырехэлементной антенны значительно уже, чем у трехэлементной.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления................. 2,5-2,8 дБ
КБВ............................... 0,58-0,85
входное сопротивление................. 40 Ом
переходное сопротивление в деталях
крепления, между стрелой и
вибраторами, не более. . ............. 0,1 Ом
коэффициент затухания в кабеле
снижения на частоте 50-200 МГЦ.... 0,76-2 дБ
кпд................................ 0,97
неравномерность коэффициента усиления. . 0,8 дБ помехозащищенность.................. -(14...20) дБ
ширина главного лепестка диаграммы
плоскости. ......................... 60
При выборе конструкции антенны типа «волновой канал» необходимо учитывать как качественные характеристики, так и обращать внимание на настройку антенны на частоту передающей телестанции. На садовых участках обычно нет необходимых измерительных приборов, и поэтому настройку производят непосредственно при приеме сигналов - по контрастности изображения на экране телевизора. Сначала антенну точно по азимуту устанавливают в направлении передающего ТЦ или ретранслятора. Это положение фиксируют. Но ecли нет карты и компаса и по азимуту втравить антенну не представляется возможным, это делают, медленно поворачивая антенну влево до тех пор, пока на экране телевизора изображение не начнет исчезать. Затем проделывают то же самое, поворачивая антенну вправо. После этого антенну устанавливают посредине между двумя зафиксированными положениями.
Подстройку и настройку производят только в том случае, если при изготовлении антенны были использованы трубки нерекомендованного диаметра и длины. При этом необходимо иметь в виду, что если вибраторы изготовлены большего диаметра, то длина их должна быть несколько меньше, а при уменьшении диаметра - больше. Настройка антенны заключается в установлении оптимальной длины рефлектора и директоров.
В четырехэлементной антенне расстояние между рефлектором и активным вибратором регулируется в пределах (0,15...0,25)lдл длина рефлектора больше активного вибратора на 10-20 %; расстояние между активным вибратором и первым директором и между директорами равно (0,1...0,2)lдл.
У антенн типа «волновой канал» входное сопротивление находится в пределах от 32 до 40 Ом, а это значит, что для УСС можно использовать любой коаксиальный кабель, имеющий волновое сопротивление 50 или 75 Ом. На практике необходимо длину кабеля снижения установить опытным путем. Выходное сопротивление антенн типа «волновой канал» в большой степени зависит от расстояния между первым директором и активным вибратором, а также от расстояния между активным вибратором и рефлектором. При увеличении этих расстояний выходное сопротивление антенн типа «волновой канал» возрастает. При этом необходимо иметь в виду, что входное сопротивление антенн типа «волновой канал» указано при условии применения петлевых вибраторов. Если же вместо петлевых вибраторов применяются обычные симметричные (разрезные) вибраторы, то приведенные в тексте значения входных сопротивлений антенн должны быть уменьшены в четыре раза.
Коэффициент усиления антенны, состоящей из четырех элементов, выше, чем у трехэлементной антенны, почти в полтора раза и во многом зависит от конструктивных размеров вибраторов.
Изготавливается антенна из металлических трубок одинакового диаметра в пределах определенной частоты телевещания. Можно рекомендовать к применению тонкостенные трубки диаметром 18 мм для 1-5-го каналов, диаметром 12 мм - для 6-12-го и 8 мм - для 21-10-го.
Конструктивные размеры данной антенны приведены в табл. 4.3.
Четырехэлементная антенна состоит из активного петлевого вибратора 4, рефлектора 3, двух директоров 1 и 2, укрепленных на одной несущей стреле, и УСС. Стрела устанавливается на мачте в точке равновесия (центре тяжести). Подключение кабеля снижения 7 к активному вибратору 4 производится с помощью УСС 6. Варианты соединения элементов антенны с помощью специальных крепежных деталей и пайки см. на рис. 3.11. Но наиболее надежной конструкцией является сварная: она долго выдерживает постоянное воздействие климатических и механических нагрузок (ветра, дождя, снега, инея, росы, грибков и т. д.). Такая антенна наиболее технологична.
При распайке коаксиального кабеля в монтажной коробке, а также при монтаже и разделке оплетку кабеля нельзя разрезать. Ее всегда расплетают и паяют, предварительно скрутив проволочки в одну или две косички. При разделке коаксиального кабеля необходимо следить за тем, чтобы случайно не подрезать проволочки центральной жилы и чтобы на нес не замкнулись проволочки оплетки. Токоведущие провода и жилы коаксиального кабеля к вибраторам антенны и в распределительных коробках лучше припаивать или прикреплять винтами с гайками, тщательно зачищая места соединения. В соединениях не должно быть ржавчины.
Применение четырехэлементной антенны с узкой диаграммой направленности целесообразно в условиях города, поселков, вблизи высоких сооружений. Кроме того, в районах сильных помех даже при небольших расстояниях от ТЦ использование этой антенны может оказаться полезным, если только источник помех не находится со стороны ТЦ на линии, проходящей через ТЦ и приемную антенну.
Пятиэлементная антенна типа «волновой канал» (рис. 4.2) предназначена для приема телепередач на расстояниях свыше 50 км от ТЦ в неблагоприятных условиях (при наличии помех и отраженных сигналов).
Техническая характеристика:
коэффициент усиления. ... ............ 6,5-7,8 дБ
рабочая частота...................... 48,5-230 МГц
входное сопротивление антенны......... 32 Ом
волновое сопротивление фидера......... 75 Ом
на один типоразмер антенны......... 1
неравномерность коэффициента усиления. . 1 дБ КБВ............................... 0,6-0.7
помехозащищенность.................. -(15...26) дБ
оптимальное расстояние от ТЦ......... 50-60 км
угол раствора диаграммы направленности
в горизонтальной плоскости. .......... 50
Антенна состоит из рефлектора 1, он же основной пассивный вибратор, активного вибратора 3 и трех директоров 4, 7 и 8, которые являются пассивными элементами. Все вибраторы расположены в одной плоскости параллельно друг другу. Закрепляются они в центре тяжести на общей стреле, в качестве которой используется тонкостенная трубка.
Для соединения элементов антенны со стрелой применена деталь крепления, показанная на рис. 3.10, а. Трубки
пассивных вибраторов устанавливаются в паз детали 2 и закрепляются двумя винтами М4 или Мб (их размеры определяются диаметром имеющейся трубки). К общей стреле эта сборка прикрепляется также с помощью двух винтов и гаек М4 или Мб. Эта конструкция обладает достаточной жесткостью, легко противостоит ветровым нагрузкам и удобна при сборке и настройке антенны. Узел крепления вибраторов показан на рис. 4.2.
Наиболее простым и надежным вариантом пятиэлементной антенны является сварной вариант. Все вибраторы в данном случае привариваются к центральной стреле в точках, соответствующих центрам тяжести. Стрела после установки заземляется. Крепление стрелы с вибра-
торами к мачте производится в центре тяжести стрелы. Рефлектор и директоры изготавливаются из тонкостенных трубок одинакового диаметра (10-30 мм). Стрела с мачтой соединяется с помощью хомута и скобы произвольной конструкции. Для удобства настройки антенны в стреле просверливаются дополнительные отверстия, необходимые для перестановки пассивных вибраторов. После сборки вибраторы и детали крепления покрываются морозостойкой краской.
В этой антенне активный вибратор, рефлектор и директоры изготавливаются из металлических трубок, наружные диаметры которых зависят от частоты принимаемого сигнала: 16-22 мм для 1-5-го каналов; 10-11 мм для 6-12-го;
8-10 мм для. 21-41-го. Оптимальная толщина этих трубок 1-1,5 мм. Основная несущая стрела антенны изготавливается из трубки наружным диаметром 35 мм для 1-5-го каналов;
диаметром 18-25 мм для 6-12-го; диаметром 16-20 мм для 21-41-го и толщиной 2-2,5 мм.
В качестве активного элемента антенны применяется петлевой вибратор, выполненный из коаксиального кабеля (см. гл. 1). Петлевой вибратор подключается к коаксиальному кабелю с помощью УСС типа «полуволновое U-образное колено», размеры которого зависят от частоты принимаемого канала.
В табл. 4.4 даны конструктивные размеры пятиэлементной антенны, необходимые для изготовления ее в домашней мастерской. В технической литературе приводятся сведения о размерах подобных антенн, несколько отличающиеся от приведенных в данной таблице. Это объясняется тем, что многоэлементная антенна типа «волновой канал», собранная по размерам на максимальный коэффициент усиления, всегда имеет узкую полосу пропускания частот. Поэтому при настройке и регулировке многоэлементных антенн приходится изменять размеры как самых вибраторов, так и расстоянии между ними, чтобы наилучшим образом удовлетворить достаточно противоречивые требования одновременного получения широкой полосы пропускания частот и высокого коэффициента усиления. Пятиэлементная антенна рассчитана на получение возможно большего коэффициента усиления при минимально необходимой полосе пропускания.
Антенна имеет увеличенное количество пассивных вибраторов, чем обеспечивается хорошее качество изображения на экране телевизора в местах, отстоящих от ТЦ на дальних расстояниях. Как отмечалось ранее, рефлектор обеспечивает получение однолепестковой диаграммы направленности. Длина рефлектора и его расстояние от активного вибратора рассчитаны таким образом, чтобы поля, создаваемые рефлектором и активным вибратором в главном направлении, складывались.
Система директоров, состоящая их трех вибраторов, значительно сужает ширину диаграммы направленности. Длины директоров и расстояния между ними и от них до активного вибратора рассчитываются с таким условием,
чтобы обеспечить сложение электромагнитных полей, создаваемых директорами и активным вибратором в главном направлении.
Сложение электромагнитных полей активного вибратора, рефлектора и трех директоров образует объемную диаграмму направленности пятиэлементной антенны, которая вытянута в сторону главного направления. Чем больше количество директоров, тем уже диаграмма направленности. Для того чтобы данная антенна могла обеспечить устойчивую работу в месте приема сигналов, необходимо тщательно выдержать все основные размеры.
При изготовлении антенны размеры ее элементов выбираются из указанной выше таблицы, но они могут быть и пересчитаны исходя из следующих соображений. Пассивный вибратор (рефлектор) делается всегда длиннее активного на 10-20 %, а пассивные вибраторы (директоры) изготавливаются на 10-15 % короче активного вибратора. Расстояние между активным вибратором и реф-
лектором устанавливается в пределах (0,15...0,25)lдл.р, где lдл.p - рабочая частота принимаемого канала телевидения. Расчетное расстояние между активным вибратором и первым директором, а также между директорами устанавливается равным (0,1 ...0,2)lдл.р.
Необходимо иметь в виду, что с уменьшением расстояния между активным и пассивными вибраторами входное сопротивление антенны резко уменьшается. Если надо немного расширить полосу пропускания, то можно увеличить расстояние между элементами на величину, лежащую в пределах (0,16...0,2)lдл.р, но при этом уменьшится коэффициент усиления.
При определении размеров антенны в формулах учас-
твует не cpеднне значение длины волны, а только ее расчетное значение lдл.р, лежащее между двумя несущими частотами, ближе к несущей частоте сигналов изображения, чем к сигналам звукового сопровождения.
Если при постройке антенны окажется, что произошло ослабление несущей частоты сигнала звука, то необходимо укоротить длину первого директора на 8- 10 %.
На рис. 4.3 приведены схемы конструктивных исполнений наружных антенн типа «волновой канал, рассчитанных на прием телесигналов в диапазоне частот от 48,5 до 230 MГцi и более. Они относятся к антеннам направленного действия многоэлементной конструкции с высокими электрическими параметрами, позволяющими осуществлять прием телепередач на первых 12 каналах на границе зоны прямой видимости или в полутени, где напряженность электромагнитного поля значительно ослаблена.
В радиолюбительской практике антенны сложной конструкции не изготавливаются. На первых 5 каналах к антеннам предъявляются повышенные требования к электрическим параметрам - коэффициенту усиления и отношению сигнал - шум на входе телевизора, а это, и свою очередь, вызывает необходимость применять от 5 до 11 вибраторов. Все это приводит к усложнению конструкции, увеличению массогабаритных характеристик и к резкому сужению полосы пропускания.
Эти антенны наиболее эффективны на высоких частотах (от 100 МГц и выше).
Различные варианты многоэлементных антенн типа «волновой канал» имеют свои положительные и отрицательные стороны, проявляющиеся в конкретных условия\ применения.
Трехэлементная антенна типа «волновой канал» с двойным рефлектором (рис. 4.3, а).
Техническая характеристика:
коэффициент усиления............ 5,3 дБ
КБВ........................... 0.55-0,8
рабочая частота.................. 48,5-66 МГц
неравномерность коэффициента
усиления...................... 0,5 дБ
количество принимаемых программ
помехозащищенность.............. -(12...18) дБ
угол раствора диаграммы
направленности в горизонтальной
плоскости...................... 75
Рефлектор обеспечивает значительное расширение рабочей полосы пропускания частот и коррекцию диаграммы направленности в части уменьшения боковых лепестков. Двойной рефлектор состоит из двух параллельных трубок, симметрично размещенных в вертикальной плоскости относительно несущей стрелы. В качестве активного вибратора применяется шлейфибратор Пистолькорса, имеющий входное сопротивление 292 Ом.
Применение антенны по схеме (рис. 4.3, а) на границе уверенного приема увеличивает шумы, проявляющиеся на экране телевизора, например, в виде штрихов и черточек. Используется антенна для приема телевизионных программ на 6-12-м каналах и реже на 1-5-м каналах.
Конструктивные размеры антенны с двойным рефлектором приведены в табл. 4.5. При анализе размеров между элементами антенны легко увидеть, что расстояние между активным вибратором и первым директором меньше, чем у трехэлементной антенны с 6-го по 12-й канал, а это приводит к снижению входного сопротивления и требует более точного изготовления антенны и тщательного согласования ее с кабелем снижения.
На садовых участках трехэлементную антенну с двойным рефлектором можно рекомендовать только в тех случаях, когда есть необходимость значительно уменьшить влияние помех и отраженных сигналов.
Пятиэлементная антенна типа «волновой канал» с двойным рефлектором (рис. 4.3, б).
Техническая характеристика:
коэффициент усиления............ 8.0-9,0 дБ
КБВ, не менее................... 0,6
рабочая частота.................. 48.5-230 МГц
входное сопротивление антенны..... 32 Ом
волноное сопротивление фидера..... 75 Ом неравномерность коэффициента
усиления, не более.............. 9,5 дБ
количество принимаемых программ
на один типоразмер антенны..... 1
помехозащищенность.............. -(14...18) дБ
угол раствора диаграммы
направленности в горизонтальной
плоскости...................... 48-56
При настройке пятиэлементной антенны (рис. 4.2), предназначенной для эксплуатации в условиях сильных помех и отраженных сигналов, особое внимание уделяется уменьшению величины задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Применение двойного рефлектора вместо одиночного вибратора позволяет улучшить помехозащищённость антенны за счет изменения размеров задних и боковых лепестков до минус 18-24 дБ в сложных условиях приема телепередач.
Подключение антенны к телевизору производится с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом через УСС, подключенное к петлевому вибратору. Конструкция данной антенны отличается от пятиэлементной типа «волновой канал» (см. рис. 4.2) только наличием двойного рефлектора. Для крепления вибраторов к стреле и стрелы к мачте используются детали, показанные на рис. 3.10, и крепежные винты с гайками М4, М5 или Мб.
Конструктивные размеры данной антенны приведены в табл. 4.6.
Пятиэлементная антенна типа «волновой канал» с двойным первым директором (рис. 4.3, в) предназначена для приема телесигналов в диапазоне частот 1-5-го каналов в зоне полутени на расстоянии свыше 50 км от ТЦ. Эта антенна относится к группе широкополосных многоканальных антенн с высокими электрическими параметрами. Ширину пропускания обычных пятиэлементных антенн типа «волновой канал» определяют пассивные вибраторы, их конструкция и размеры. На практике можно увеличить ширину пропускания антенны почти на 40 % за счет подбора размеров вибраторов и расстояний между ними. При этом коэффициент усиления антенны, как правило, уменьшается.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления............. 6,5-8.0 дБ
КПД.......................... 10-11
КБВ, не менее................... 0,65
рабочая частота.................. 48,5-230 МГц
входное сопротивление антенны.... 292 Ом
волновое сопротивление фидера..... 50-75 Ом
неравномерность коэффициента
усиления, не более.............. 9 дБ
количество принимаемых программ
на один типоразмер антенны..... 2
кпд........................0.95
полоса пропускания частот......... ± 4 %
помехозащищенность..............-(15. .17) дБ
угол раствора диаграммы
направленности в горизонтальной
плоскости...................... 60-66
Главный лепесток диаграммы направленности данной антенны представляет собой вытянутый вперед эллипс правильной формы с некоторым сужением в сторону директоров.
Пятиэлементная антенна с двойным директором в зависимости от размеров вибраторов может принимать телесигналы в следующих сочетаниях каналов: 1-й и 3-й, 1-й и 4-й, 2-й и 4-й, 2-й и 5-и, 1-й и 5-й, 3-й и 5-й. Конструктивные размеры антенн для каждого из этих сочетаний каналов приведены в табл. 4.7.
Антенна подключается к телевизору с помощью фидерной линии, изготовленной из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, и подсоединяется к петлевому вибратору через проволочный симметрирующе-согласующий трансформатор (см. рис. 1.16). Проволочный трансформатор используется для согласования любых широкополосных антенн с входным сопротивлением 300 Ом.
Четыре катушки ССТ намотаны на двух диэлектрических каркасах диаметром 8 мм двойным изолированным проводом. Каждая катушка трансформатора содержит 12 витков провода марки ПЭЛШО диаметром 0,3 мм или ПЭВ-2 диаметром 0,31 мм. Намотка рядовая - виток к витку в два провода. Оба каркаса с намотанными проводами устанавливаются на общем основании, при этом между каркасами должно быть не менее 18 мм.
Активный вибратор, рефлектор и директоры изготавливаются из тонкостенных латунных (дюралюминиевых или стальных) трубок диаметром 16-22 мм Для 1-5-го каналов, 10-14 мм - .для 6-12-го. Двойной директор жестко соединяется со стрелой антенны без изоляторов и между собой отрезком трубки такого же диаметра. Наиболее прочной и надежной в эксплуатации является антенна сварной конструкции, в которой все трубки привариваются непосредственно к стреле. К мачте стрела с вибраторами крепится с помощью хомутов, скоб и крепежных соединений.
На рис. 4.3, г изображена сварная пятиэлементная антенна типа «волновой канал» с конструктивными размерами, обеспечивающими прием телесигналов на 3-м и 5-м каналах. Расчетные значения размеров вибраторов и расстояний между ними обеспечивают устойчивую работу телевизора на расстоянии свыше 50 км от ТЦ и в зоне полутени. Отличается данная антенна от рассмотренной ранее такой же антенны (рис. 4.3, в) только точностью изготовления ее отдельных элементов и аккуратностью сборки.
Конструктивные размеры сварной пятиэлементной антенны, рассчитанной на прием передач 3-го и 5-го каналов, даны в табл. 4.6.
Шестиэлементная антенна типа «волновой канал» с двумя рефлекторами и двойным первым директором (рис. 4.3, д) предназначена для установки в зоне предельной видимости радиосигнала с ослабленной напряженностью электромагнитного поля. Конструкция этой антенны отличается от ранее рассмотренных тем, что после основного активного вибратора включено два рефлектора (вместо одного), а первый директор антенны выполнен в виде двух параллельных вибраторов. Это позволяет изменить электрические параметры антенны в части расширения полосы пропускания частот за счет некоторого снижения коэффициента усиления.
Конструктивные размеры шестиэлементной антенны, рассчитанной на прием 1-го и 5-го каналов, приведены в табл. 4.6.
Пятиэлементная антенна с тройным рефлектором (рис. 4.3, е) предназначена для установки в зоне за пределами прямой видимости, в условиях действия сильных помех и отраженных сигналов на расстоянии более 50 км от ТЦ. Рефлектор, выполненный из трех вибраторов, обеспечивает образование узконаправленных лепестков диа-
граммы направленности антенны и ее устойчивую работу в полосе частот 1-12-го каналов.
Конструктивные размеры пятиэлементной антенны с тронным рефлектором приведены в табл. 4.8.
В качестве активного вибратора применен шлейф-вибратор Пистолькорса, имеющий большое входное сопротивление - 292 Ом. Активный вибратор создает вокруг себя в плоскости, перпендикулярной к его оси, электромагнитное поле, которое наводит токи в тройном рефлекторе и директорах. В результате этого они сами излучают электромагнитные поля. Размеры вибраторов и расстояния между ними рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить сложение полей в главном направлении. Рефлекторы позволяют получить однолепестковую диаграмму направленности - однонаправленной характеристики излучения. Директоры способствуют обострению главного лепестка диаграммы направленности. Все вибраторы этой антенны образуют объемную диаграмму направленности, вытянутую в сторону главного направления, т. е. в сторону директоров.
Главными условиями хорошей работы этой антенны являются высокая точность изготовления ее элементов, скрупулезная выдержка размеров при сборке и тщательная настройка. В некоторых случаях для юстировки антенны применяются подстроечные наконечники, которые после окончательной настройки жестко закрепляются.
На отдаленных садово-огородных участках пятиэлемент
ная антенна с тремя рефлекторами практически не используется из-за сложности ее изготовления в домашних условиях.
Семиэлементная антенна типа «волновой канал» (рис. 4.3, ж) предназначена для приема телесигналов в радиусе действия мощной передающей станции до 100 км (оптимальное расстояние 60-70 км). Устанавливается антенна в местности, где много индустриальных и других электромагнитных помех, а также отраженных сигналов.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления............ 8 дБ
КБВ. .......................... 0,6-0,75
рабочая частота................. 50-230 МГц
входное сопротивление антенны... 32 Ом входное сопротивление активного
вибратора антенны............. 292 Ом
волновое сопротивление фидера. .... 75 Ом
неравномерность коэффициента
усиления...................... 1 дб
номера рабочих каналов.......... 1-12-й, 6-12-и
количество принимаемых программ
на один типоразмер антенны. .... 1 или 6
помехозащищенность. ............. -(16...26) дБ
угол раствора главного лепестка
диаграммы направленности...... 45°
Антенна имеет один вибратор, расположенный на конце стрелы (рефлектор), активный вибратор Пистолькорса и
пять неразрезных вибраторов (директоров). Все вибраторы укрепляются параллельно друг другу на горизонтальной стреле, создавая антенную систему «волновой канал». Петлевой вибратор Пистолькорса крепится в точке нулевого потенциала. В качестве согласующе-симметрирующей системы применен отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом в виде полуволнового U-образного колена. Входное сопротивление петлевого вибратора 292 Ом. Схема подключения U-образного колена к вибратору показана на рис. 1.10.
Изготавливается антенна, как правило, из металлических трубок с тонкими стенками диаметром 8-30 мм. Мачта и стрела могут быть сделаны из металлической трубки или из деревянного бруска (рейки). Сечение бруска должно обеспечивать прочность конструкции и жесткость. Наилучшее конструктивное решение достигается в сварном варианте, когда все вибраторы жестко приварены к центральной несущей стреле в точках равновесия, а стрела с вибраторами приварена к вертикальной мачте в точке тяжести.
Можно рекомендовать применение этой антенны на каналах высоких частот (свыше 6-го канала). На первых пяти каналах семиэлементные антенны почти не используют из-за больших габаритных размеров и массы, но главным образом из-за недопустимо узкой полосы пропускания, ухудшающей качество изображения и звука. Но в некоторых случаях с этим приходится мириться.
Настройка и регулировка семиэлементной антенны является сложным делом, их не всегда удается качественно выполнить. Одновременно надо знать, что изготовление элементов антенны и ее сборка должны осуществляться с учетом повышенных требований к настройке антенны и ее ориентации на ТЦ или ретранслятор. Требования к точности подстройки антенны обусловлены теми недостатками, которые присущи в основном семиэлементным антеннам, но являются общими для всех антенн типа «волновой канал».
Во-первых, эти антенны очень зависят от конструктивных размеров элементов, от точности их изготовления и настройки. Увеличение количества активных и пассивных элементов антенны, а также конструктивные ошибки приводят, как правило, к отрицательному результату. Несоблюдение требований тщательной настройки и регулировки антенны после изготовления может привести к серьезному ухудшению се направленных свойств.
Во-вторых, антенны типа «волновой канал» всегда требуют подключения их к телевизору с помощью коаксиального кабеля и УСС, что значительно усложняет их конструкцию и затрудняет настройку.
В-третьих, так как семиэлементные антенны узкополосные, это затрудняет их использование не только в диапазонах частот нескольких каналов, но даже для приема телесигналов по одному из первых каналов, в которых относительная полоса частот достаточно велика.
Здесь необходимо заметить, что имеются и другие многоканальные антенны типа «волновой канал», однако их коэффициент усиления существенно хуже.
Конструктивные размеры семиэлементной антенны типа «волновой канал» приведены в табл. 4.9.
Размеры антенны рассчитаны таким образом, чтобы можно было получить достаточно широкую полосу пропускания при возможно большем коэффициенте усиления и принимать телепередачи многих каналов.
Семиэлементная антенна типа «волновой канал» с двойным рефлектором и пятью директорами (рис. 4.3, з) имеет более расширенную полосу пропускания по сравнению с предыдущей антенной (рис. 4.3, ж), высокий коэффициент усиления и поэтому применяется для приема
телепередач на всех каналах в зависимости от расстояния до ТЦ: 1-5-й каналы - 70-80 км, 6-12-й - 60-70 км, 21-41-й - 50-60 км.
Конструктивные размеры семиэлементной антенны с двойным рефлектором и пятью директорами приведены в табл. 4.10 В качестве активного вибратора применен петлевой вибратор с УСС типа «полуволновое U-образное колено».
ВОЛНОВАЯ АНТЕННА , известная также под названием антенны Бевереджа (по имени предложившего ее американского инженера) и антенны бегущей волны, применяется в радиотехнике для целей направленного радиоприема. Волновая антенна (фиг. 1) состоит из провода, натянутого горизонтально на расстоянии 3-7 м над землей, длиной порядка длины принимаемой волны. Оба конца этого провода заземлены, причем с одним снижающимся концом связан при помощи катушки приемник, а в другой конец, ближайший к принимаемой станции, включается сопротивление Z 1 , величина которого подбирается равной волновому сопротивлению Z провода, для устранения отражения волны от точки заземления. При Z 1 = Z антенна дает одностороннее действие, при Z 1 = 0 (снижение коротко замкнуто на землю) становится замкнутой антенной и дает двустороннее действие, при Z 1 = ∞ (снижение отсутствует) становится горизонтальной антенной почти с таким же двусторонним действием. Действие волновой антенны обусловливается горизонтальной составляющей поля волны.
Благодаря разнице в скорости движения волны в пространстве и вдоль провода, горизонтальная составляющая увеличивается по мере движения волны по направлению провода. Направленные свойства волновой антенны с достаточной для практики точностью определяются уравнением:
l - длина провода в м, h - высота подвеса провода в м, Е - амплитуда индуктирующейся в волновой антенне ЭДС в V, напряженность поля в V/м, α - азимутальный угол. Т. о. направленные свойства волновой антенны растут с увеличением l, но до известного предела, определяемого тем, что сдвиг фазы между волной в пространстве и волной в проводе становится слишком большим. На фиг. 2 кривая I (пунктир) изображает направленную характеристику, снятую экспериментальным путем при l = λ, кривая II - вычисленную характеристику и кривая III - характеристику, вычисленную для l = 2λ. Для сравнения а полагается равным 1.
По направленным свойствам волновая антенна в 2-3 раза выше простой замкнутой антенны и аналогична устройству, состоящему из комбинации двух гониометров или двух рамок. В отношении действующей высоты она превосходит замкнутые антенны, обычно находящие применение в практике. Недостаток волновой антенны, изображенной на фиг. 1, состоит в том, что сопротивление Z 1 находится на большом расстоянии от приемника, что зна-чительно затрудняет регулировку устрой-ства. Этот недостаток был устранен Келлогом, предложившим волновую антенну в варианте, показанном на фиг. 3.
Здесь прием ведется на двух параллельных проводах; принятые токи имеют направление, показанное сплошными стрелками; на конце провода II они проходят к земле. Ток в заземляющем проводе с помощью трансформатора Т 2 , называемого отражающим трансформатором, индуктирует ток в проводах с направлением, показанным пунктирными стрелками. Этот ток, распространяясь по проводам антенны, индуктирует уже ток в катушке приемника. Т. о. здесь одни и те же провода служат и для приема и для передачи принятой энергии от одного конца антенны к другому, где сосредоточены все регулировки. Волновая антенна позволяет иметь многократный прием, но, в отличие от гониометра, такой прием при помощи волновой антенны возможен только с одного направления.
Волновая антенна нашла широкое распространение в Америке, так как здесь прием очень многих европейских корреспондентов производится как раз с одного направления. В Европе волновые антенны используется в приемных узлах Варшавы и Карлсборга, построенных «Американской радиокорпорацией».
В качестве проводов волновой антенны могут быть использованы провода телеграфной линии. Схема такого устройства изображена на фиг. 4.
В этом случае дросселя используются для получения приема только от желаемой длины линии, а блокировочные конденсаторы - для беспрепятственного прохождения постоянных телеграфных токов.
Направленные свойства волновой антенны могут быть значит, повышены увеличением ее длины или, что лучше, осуществлением приема от ряда параллельно расположенных волновых антенн. Если площадь полярной характеристики волновой антенны при l = λ принять за 1, то площади характеристик для приведенных максимумов (а = 1), определяющие направленные свойства различных комбинаций, выразятся следующими величинами:
В самое последнее время американцы применили для приема европейских станций устройство, состоящее из трех параллельных волновых антенн, которое позволило значительно уменьшить эффект атмосферных разрядов на прием. Это устройство является самым направленным в мире на длинных волнах. С большим успехом волновые антенны могут найти применение и для приема коротких волн; в этом случае длина проводов антенны, порядка длины волны, позволяет устанавливать волновые антенны на небольших площадях и очень низко от земли; например, для приема волн длиной 50-100 м можно выбрать волновую антенну длиной около 75 м, на высоте 5-6 м, а сопротивление Z 1 = 200-300 Ом. В СССР, при его больших незаселенных пространствах, волновая антенна, безусловно, может найти широкое распространение.
