Антенна диапазона ДЦВ

Прием телевизионных передач на радиочастотах 470...622 МГц (21—39 каналы) диапазона дециметровых волн (ДЦВ) требует соответствующего подхода к расчету и конструированию антенных устройств. Некоторые радиолюбители пытаются решить эту задачу простым пересчетом, основанным на принципах электродинамического подобия антенн, параметров имеющихся конструкций телевизионных антенн метрового диапазона (1 —12 каналы). При этом они неизбежно сталкиваются с трудностями самого пересчета и зачастую не получают желаемых результатов.

Каковы же основные принципы подхода к решению этой задачи?

В свободном пространстве радиоволны, излученные антенной, имеют сферическую расходимость, в результате чего электрическая напряженность поля Е убывает обратно пропорционально расстоянию r от антенны. Ненаправленная антенна, излучающая мощность P_{Σ 0} равномерно во все стороны (изотропный излучатель), создает на расстоянии г плотность потока энергии, характеризуемого вектором Пойнтинга ;

Знаменатель этого выражения численно представляет собой площадь сферы, через которую проходит энергия излученных волн.

Вектор П связан с действующим значением напряженности поля Е линейной поляризации соотношением

Приравнивая выражения (1) и (2), получаем, что

Напряженность поля Е уменьшается пропорционально удалению приемной антенны от источника излучения.

— полярный угол, а φ — азимутальный.

Направленная антенна благодаря меньшему расходу энергии на излучение в боковые лепестки диаграммы направленности создает в главном ее лепестке на расстоянии r такую же напряженность поля, как и ненаправленная, излучающая при этом мощность P_Σ меньшую, чем P_{Σ 0} Отношение

называют коэффициентом направленного действия (КНД) данной антенны.

Таким образом, направленная антенна создает в направлении максимума излучения такую же напряженность поля, как и ненаправленная при большем уровне мощности: P_{Σ 0} = ДР_Σ. Поэтому

связана с подводимой к антенне мощностью РА соотношением

Где η_А — КПД антенны, определяющий эффективность преобразования высокочастотной энергии в энергию радиоволн и обратно.

Для одновременного учета потерь в антенне и выигрыша по мощности при направленном излучении служит коэффициент усиления антенны, который определяется таким выражением:

В реальных условиях распространяющиеся радиоволны претерпевают большее затухание, чем существующее в свободном пространстве. Для учета этого затухания вводят множитель ослабления F (r ) = Е/Есв , который характеризует отношение напряженности поля для реальных условий, к напряженности поля свободного пространства при равных расстояниях, одинаковых антеннах и подводимых к ним мощностях и т. д. С помощью множителя ослабления напряженность поля, создаваемая передающей антенной в реальных условиях на расстоянии r , может быть выражена как

Приемная антенна преобразует энергию электромагнитной волны в электрический сигнал. Количественно эту способность антенны характеризуют ее эффективной площадью S эфф . Она соответствует той площади фронта волны, из которой поглощается вся содержащаяся в ней энергия. С КНД эта площадь связана соотношением:

Изложенное здесь позволяет написать уравнение радиопередачи, которое связывает параметры аппаратуры связи (передатчика и приемника) и антенн и определяет уровень сигнала на трассе: при мощности передатчика Р 1 мощность Р2 сигнала на входе приемника будет равна

Где η1 и η2— КПД передающего и приемного фидеров соответственно,

У 1 и У2 — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, λ — длина волны излучения. Множитель в этом выражении, заключенный в скобки, определяет основные потери при распространении радиоволн (основные потери передачи). При этом предполагается, что антенна согласована с фидером, а фидер с телевизионным приемником и, кроме того, антенна согласована по поляризации с полем сигнала.

Рассмотрим подробнее выражение (11). Допустим вполне реальную ситуацию, когда длина волны λ1 излучения телевизионной передачи уменьшена до 50 см (попадает в диапазон частот 21—39 каналов), т. е. уменьшена по сравнению с λ2= 500 см в 10 раз, где λ2 — длина волны излучения, оказывающаяся в диапазоне 1—5 каналов. Рассуждая далее, будем полагать, что произведениеР1У1η1 мощности передатчика, коэффициента усиления передающей антенны и КПД передающего фидера на волне λ1 и на волне λ2 осталось неизменным. Неизменным остался и множитель У 2 — коэффициент усиления приемной антенны. Объясняется это тем, что радиолюбитель-конструктор скопировал антенну диапазона метровых волн и использует ее для приема телепередач диапазона ДЦВ.

= 50 см, по сравнению с такой же мощностью сигнала, но на волне λ2 = 500 см.

множитель, учитывающий потери мощности из-за рассогласования.

Подобный эффект получается и при параллельном соединении трех элементов (рис. 1,в). Продолжая такие рассуждения, можно получить зависимость, которую иллюстрирует рис. 2. Здесь эффективная площадь антенны прямо пропорциональна числу п излучателей в решетке, равно как и поглощаемая антенной мощность РΣ Мощность же Рпр .

подводимая к приемнику, с увеличением числа и асимптотически приближается к 4Р0. Этот пример показывает бесплодность попыток увеличить коэффициент усиления антенной решетки без учета согласования ее элементов с фидером. Трудности, связанные с согласованием, преодолевают либо применением специальных согласующих устройств, либо выбором специальных типов антенн.

Например, в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн применяют, как правило, так называемые апертурные антенны, т. е. рупорные или параболические. Особенность таких антенн заключена в том, что они имеют простой, небольших размеров облучатель, и большой, сравнительно сложный рефлектор. Большой рефлектор и обусловливает направленные свойства антенны, определяет ее КНД.

Выполнить в любительских условиях антенны апертурного типа на диапазон ДЦВ не представляется возможным, так как они громоздки и сложны. Но некоторое подобие апертурной антенны сконструировать можно, положив в основу облучатель в виде известной зигзагообразной антенны (з-антенны ). Полотно такой антенны состоит из восьми замкнутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные ячейки (рис. 3). Для формирования диаграммы направленности антенны, в частности, необходимо, чтобы излучатели были сфазированы и разнесены относительно друг друга. 3-антенна имеет одну пару точек питания (а—б), к которой непосредственно подключают фидер. Благодаря такой конструкции антенны ее проводники возбуждаются так (частный случай направления токов на проводниках антенны на рис. 3 показан стрелками), что образуется своеобразная синфазная решетка из четырех вибраторов. В точках П—П прозодники полотна антенны замкнуты между собой и здесь всегда имеется пучность тока. Антенна имеет линейную поляризацию. Ориентация вектора электрического поля Е на рис. 3 показана стрелками.

Ее КНД мало зависит от изменения угла а, так как с увеличением его уменьшение направленности антенны в плоскости Н компенсируется увеличением направленности в плоскости Е , и наоборот. Характеристика направленности з-антенны симметрична относительно плоскости, в которой расположены проводники ее полотна.

В связи с тем, что в точках П—П нет разрыва проводников полотна антенны, то здесь имеются точки нулевого потенциала (нули напряжения и максимумы тока) независимо от длины волны. Это обстоятельство позволяет обойтись без специального симметрирующего устройства при питании коаксиальным кабелем. Кабель прокладывают через точку нулевого потенциала П и по двум проводникам полотна антенны подводят к точкам ее питания (рис. 4). Здесь оплетку кабеля соединяют с одной из точек питания антенны, а центральный проводник — с другой. Принципиально оплетку кабеля в точке П тоже нужно замкнуть накоротко на полотно антенны, однако, как показала практика, делать эта не обязательно. Достаточно кабель подвязать к проводам полотна антенны в точке П , не нарушая его полихлорвиниловой оболочки.

Зигзагообразная антенна широкополосна и удобна тем, что ее конструкция сравнительно проста. Это ее свойство позволяет допускать значительные отклонения (неизбежные при изготовлении) в ту или иную сторону от расчетных размеров ее элементов практически без нарушения электрических параметров.

Кривая 1, показанная на рис. 5, характеризует зависимость КБВ от отношения l /λ в 75-омном фидере для з-антенны , приведенной на рис. 4, а кривая 2 — аналогичную зависимость для значений ее КНД. С увеличением отношения l /λ КНД з-антенны вначале растет а достиг нув некоторого максимума — уменьшается. Начальный рост КНД объясняется увеличением (в длинах волн) размеров полотна з-антенны , а спад — расфазировкой ее элементов после прохождения оптимального соотношения l /λ

Пользуясь графиками рис. 5, можно построить з-антенну , имеющую максимально возможный КНД для данного типа полотна антенны. Ее входное сопротивление в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено полотно. Чем толще (шире) проводники, тем лучше согласование антенны с фидером. Вообще же для полотна з-антенны пригодны проводники самого различного профиля — трубки, пластины, уголки и т. п.

Рабочий диапазон з-антенны можно расширить в сторону более низких частот без увеличения размера l путем образования дополнительной распределенной емкости проводников ее полотна, а общие размеры, выраженные в длинах максимальной волны рабочего диапазона, уменьшить. Достигается это перемыканием части проводников 8-антенны, например, дополнительными проводниками (рис. 6), которые и создают дополнительную распределенную емкость.

Диаграммы направленности такой антенны в плоскости Е аналогичны диаграммам симметричного вибратора. В плоскости Н диаграммы направленности с увеличением частоты претерпезают значительные изменения. Так, в начале рабочего диапазона частот они лишь слегка сжаты под углами, близкими к 90°, а в конце рабочего диапазона поле практически отсутствует в секторе углов ±40... 140°.

Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский экран-рефлектор, который часть высокочастотной энергии, падающей на экран, отражает в сторону полотна антенны. В плоскости полотна фаза высокочастотного поля, отраженного рефлектором, должна быть близка к фазе поля, создаваемого самим полотном. В этом случае происходит требуемое сложение полей и экран-рефлектор примерно удваивает первоначальный коэффициент усиления антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, а также от расстояния S между ним и полотном антенны.

Как правило, размеры экрана значительные и фаза отраженного поля зависит, главным образом, от расстояния S. На практике редко выполняют рефлектор в виде единого металлического листа. Чаще он представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости параллельно вектору поля Ё ,

Длина проводников зависит от максимальной длины волны λ_макс рабочего диапазона и размеров активного полотна антенны, которое не должно выступать за пределы экрана, В плоскости Е рефлектор обязательно должен быть несколько больше половины λ_макс Чем толще проводники, из которых делают рефлектор, и ближе они расположены друг к другу, тем меньшая часть энергии, падающей на него, просачивается в заднее полупространство.

По конструктивным соображениям экран не следует делать очень плотным. Достаточно, чтобы расстояния между проводниками диаметром 3...5 мм не превышали 0,05…0,1 λ_мин — ми нимальной волны рабочего диапазона. Проводники, образующие экран, можно соединить между собой в любом месте и даже приваривать или припаивать к металлической раме. Если они расположены в плоскости самого рефлектора или за ним, то их влиянием на работу рефлектора можно пренебречь.

Во избежание дополнительных помех не следует допускать, чтобы проводники (полотна антенны или рефлектора) от ветра терлись касались друг друга.

Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 7. Ее активное полотно состоит из плоских проводников — планок, а рефлектор — из трубок. Но она может быть полностью металлической. В местах соединений элементоз антенны должен быть надежный электрический контакт.

На значение КБВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом в значительной мере влияют как ширина планки d пл (или радиус провода) активного полотна антенны, так и расстояние S, на которое оно удалено от экрана. Максимум КБВ будет при l /λ_макс = 0,25 и почти

С увеличением расстояния S КНД антенны снижается и сужается диапазон частот, в пределах которого направленные свойства з-антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, с точки зрения улучшения КНД антенны расстояние S желательно уменьшать, а с точки зрения согласования — увеличивать.

Для крепления полотна антенны к плоскому рефлектору используют стойки, В точках П—П (рис. 6 и 7) стойки могут быть как металлическими, так и диэлектрическими, а в точках У—У— об язательно диэлектрическими.

В ряде практических случаев приема сигналов по 21—39 каналам телевидения имеющегося коэффициента усиления (КУ) з-антенны с плоским экраном может оказаться недостаточным. Увеличить КУ, как уже говорилось, можно построением антенной решетки, например, из двух или четырех з-антенп с плоским экраном. Есть, однако, другой путь увеличения КУ — усложнение формы рефлектора з-ангенны . Приводим пример, каким должен быть рефлектор з-антенны , чтобы ее КУ соответствовал значению КУ антенной синфазной решетки, построенной из четырех з-аитенп . Этот путь наиболее простой и доступный в любительской практике, чем построение антенной решетки.

На рисунках антенны размеры всех ее элементов указаны применительно к приему телепрограмм по 21—39 каналам.

Активное полотно антенны, показанной на рис. 6, выполнено из плоских металлических пластин толщиной 1...2 мм, наложенных друг на друга внахлест и скрепленных винтами с гайками. В точках соприкосновения пластин должен быть надежный электрический контакт. Конструктивно активное полотно антенны имеет осевую симметрию. ч то позволяет прочно закрепить его на плоском экране. Для этого используют стойки-опоры, располагая их в вершинах П—П и У—У квадрата, образуемого пластинами полотна антенны. Точки П—П имеют нулевой потенциал по отношению к земле, поэтому стойки в этих точках могут быть из любого материала, в том числе металлическими. Точки У—У имеют некоторый потенциал по отношению к земле, поэтому стойки в этих точках должны быть только из диэлектрика (например, из оргстекла). Кабель (фидер) к точкам а—б питания прокладывают по металлической опоре к одной (нижней) точке П и далее по сторонам полотна антенны (см. рис. 6). Особое внимание следует обратить на ориентацию вектора Е, характеризующего поляризационные свойства антенны. Направление вектора Е совпадаете направлением, соединяющим точки а—б питания антенны. Зазор между точками а—б должен быть около 15 мм без зазубрин и прочих следов небрежной обработки пластин.

Основой плоского экрана-рефлектора служит металлическая крестовина, на которой, как на каркасе, размещают активное полотно антенны и проводники экрана. За крестовину антенну в сборе надежно прикрепляют к мачте с таким расчетом, чтобы поднятая она была выше местных мешающих предметоз (рис. 8).

При изготовлении рефлектора типа усеченный рупор все стороны плоского рефлектора удлиняют створками и загибают их так, чтобы образовать фигуру по типу полуразвалившейся коробки, у которой дно — плоский экран, а стенки — створки. На рис. 9 такой объемный рефлектор показан в трех проекциях со всеми размерами. Сделать его можно из металлических трубок, пластин, проката различного профиля. В точках пересечения металлические стержни должны быть сварены или спаяны.

На том же рис. 9 показано и место размещения активного полотна антенны с точками П—П, У—У. Полотно удалено от плоского рефлектора — донышка усеченного рупора — на 128 мм. Стрелка символизирует ориентацию вектора Е. Почти все проекции стержней рефлектора на фронтальную плоскость параллельны вектору Е. Исключением являются лишь часть силовых стержней, образующих каркас рефлектора. Если рефлектор выполнен из трубок, диаметр трубок силовых стержней может быть 12...14 мм, а остальных — 4...5 мм.

КНД антенны с рефлектором типа усеченный рупор при заданных размерах соизмерим с КНД объемного ромба (1) и изменяется по диапазону частот в пределах 40...65. Это означает, что на верхних частотах рабочего диапазона антенны половина угла раскрыва ее диаграммы направленности составляет около 17°.

Форма диаграммы направленности антенны, показанной на рис. 9, примерно одинакова для обеих плоскостей поляризации. При установке антенны на местности ее ориентируют на телецентр. Конструкция антенны осесимметрична по отношению к направлению на телецентр, что может стать источником поляризационной ошибки при ее установке на мачту. Здесь надо учитывать, какую поляризацию имеют сигналы, приходящие от телецентра. При их горизонтальной поляризации точки питания а—б антенны должны быть расположены в горизонтальной плоскости, а при вертикальной поляризации — в вертикальной плоскости.