Широкополосные антенны
4.3. Широкополосные антенны
В загородной местности очень распространены широкополосные антенны веерного типа разнообразных конструктивных исполнении. Большинство таких антенн изготавливаются кустарным способом без соблюдения конструктивных требований, и поэтому они не обеспечивают контрастного изображения на телеэкранах. Как все прочие антенны, рассмотренные выше, веерные антенны требуют точности изготовления и тщательной настройки.
Некоторые антенны подключаются к фидеру без УСС простым электрическим проводом, без необходимого раствора вибраторов и правильной ориентации на ТЦ. Отличительными особенностями веерных антенн являются простота их конструкции и хорошее согласование электрических параметров с современными моделями телевизоров.
Веерные антенны применяются в тех случаях, когда необходимо вести прием телепередач с различных направлений, в тех районах, где садово-огородные участки расположены на равном удалении от передающих телестанций. Это относится в первую очередь к центральной части России, где сосредоточено наибольшее количество мощных и средних ТЦ, ретрансляторов и станций регионального назначения. Поэтому дальность приема телесигналов может лежать в пределах как прямой видимости, так и в полутени. Пользуясь классификацией распределения частот метрового диапазона волн для передачи программ телевидения, можно рекомендовать данную группу антенн для работы в III диапазоне. (Напомним, диапазон I имеет два телеканала и занимает полосу частот, лежащую в пределах 48,5—66 МГц, диапазон II занимает три канала телевидения с полосой частот от 76 до 100 МГц и диапазон III — семь каналов с полосой частот от 174 до 230 МГц.)
Двенадцатиканальная веерная антенна малой направленности (рис. 4.4) относится к многопрограммным антеннам, работающим в диапазоне частот от 48,5 до 100 МГц
и обеспечивающим прием телепрограмм на 1—5-м каналах. Использование антенны на более высоких частотах не дает положительных результатов. Электрические параметры рассчитаны на среднюю частоту — 72 МГц, при которой входное сопротивление антенны согласовано с сопротивлением нагрузки.
На более высоких частотах происходит незначительное рассогласование и изменение направленных свойств этой антенны. Техническая характеристика: коэффициент усиления ............. 1 КБВ ........................... 0,4—0,7 КНД ........................... 8—10 дБ входное сопротивление антенны ..... 90 Oм волновое сопротивление фидера ..... 75 Ом. рабочая частота .................. 48,5—230 МГц помехозащищённость ........... . . —(9...16) дБ неравномерность коэффициента усиления, не более .............. 0,5 дБ количество принимаемых каналов без перестройки ................ 12 угол раствора главного лепестка диаграммы направленности ....... 80—95 Диаграмма направленности веерной антенны на частотах 48,5—100 МГц имеет вид правильной восьмерки при растворе трубок вибратора так же, как у линейного вибратора. Для повышения качества изображения на экранах телевизоров и сохранения главного направления приема во всем диапазоне частот обе половины веерного вибратора располагаются под углом 120° и, таким образом, не лежат в одной вертикальной плоскости. Такая веерная антенна обладает малой направленностью действия во всем диапазоне принимаемых частот на первых 12 каналах. Антенна состоит из четырех металлических трубок, развернутых в двух координатах вертикальной плоскости. Антенну можно изготовить из дюралюминиевых (латунных или стальных) тонкостенных трубок диаметром 12—25 мм или из металлических полосок толщиной 3—4 мм и шириной 25—50 мм как более технологичный вариант, но с большей материалоемкостью. В качестве УСС применяется полуволновое U-образное колено или четвертьволновой короткозамкнутый мостик из трубок такого же диаметра, что и вибраторы. (Подключение УСС см. на рис. 1.7.) На рис. 4.4 показан симметрирующий мостик, который соединяет антенну с 75-омным коаксиальным кабелем через ВЧ-трансформатор, выполненный из куска коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 90 Ом. Длина мостика и трансформатора равна 1/4lдл. на частоте 68 МГц и 3/4lдл. на частоте 204 МГц. Длина трансформатора (700 мм) взята с учетом укорочения длины волны в кабеле в 1,5 раза.
В большинстве веерных антенн длина трансформатора принимается равной длине мостика до короткозамкнутой перемычки. Конструктивные размеры антенны рассчитаны по средней длине волны, основные из которых показаны на рис. 4.4. Изготавливаются вибраторы из тонкостенных трубок такого же диаметра, как и симметрирующий мостик. Все трубки антенны и мостика соединяются в узлах питания антенны с помощью накладок и резьбовых соединений. Основная деталь в узле питания — плата 9, сделанная из толстого листа оргстекла и изогнутая под углом 120°. Эта плата является несущей конструкцией антенны. Края платы 9 укреплены с обеих сторон изогнутыми металлическими полосками 2, которые свинчены между собой винтами и гайками МЗ. Трубки вибраторов попарно крепятся к плате 9 с помощью накладок 6, имеющих пазы, расположенные под углом 40°, и крепежного болта 7. Под этот же болт Мб крепится скоба 8, удерживающая трубку короткозамкнутого мостика 5 и лепесток, к которому припаивается центральная жила согласующего трансформатора. Дополнительно все трубки антенны прикреплены к плате 9 с помощью винтов М4, расположенных на расстоянии 60—70 мм от узла питания. Мачта антенны изготавливается из трубки диаметром 35—40 мм с толщиной стенки 1,5—2 мм. К мачте с помощью скоб и крепежных деталей прикрепляется плата 9 с собранными на ней платой питания и вибраторами, а также дополнительно короткозамкнутый мостик с помощью диэлектрических накладок 10 и винта Мб. Короткозамкнутая перемычка 11 закрепляется на трубках мостика таким образом, чтобы сохранялась возможность ее перестановки при настройке антенны. Внутри одной из трубок мостика проходит трансформатор 13 и соединенный с ним центральной жилой кабель снижения 12. Наиболее надежной конструкцией будет та, в которой все трубки антенны в точках нулевого потенциала соединены между собой газовой сваркой, а потом прикреплены к диэлектрической плате 9. Широкополосная веерная антенна (рис. 4.5) предназначена для установки в зоне уверенного приема телепрограмм на 1—12-м каналах, где есть возможность принимать сигнал с разных направлений в радиусе действия мощных и средних ТЦ.
Эксплуатация данной антенны на приусадебных участках дает хорошие результаты. Кстати, эта антенна имеет несколько названий: уголковая, двенадцатиканальная с малой направленностью, веерная. Широкополосная веерная антенна используется в районах, где нет сильных радиопомех, а телевизионные передающие станции расположены в разных направлениях на расстоянии до 50—80 км от ТЦ. Поворотом антенны на более мощную станцию можно добиться наибольшего уровня сигналя на входе телевизора и минимального уровня помех. Коли при этом на экране телевизора будут наблюдаться значительные повторные контуры, то антенну нужно повернуть в ту или иную сторону до положения, в котором контуры не будут существенно ухудшать качество изображения. В тех случаях, когда ослабить повторные контуры не удается, нужно применить антенну с более острой диаграммой направленности или антенну с повышенной помехозащищенностью.
Техническая характеристика: коэффициент усиления: на частоте 72 МГц. ................ 1 (0 дБ) на частоте 200 МГц. ............... 1,18 (1,5 дБ) КБВ .............................. 0,3—0,7 рабочая частота ..................... 48,5—230 МГц входное сопротивление антенны .... .... 90 Ом волновое сопротивление фидера ........ 75 Ом количество принимаемых программ ...... 12 длина вибратора (полная): на частоте 72 МГц ........... ..... 1/2lдл на частоте 200 МГц. ............... 3lдл/2 коэффициент укорочения длины вибратора 1,54 помехозащищенность ................... (9...15) дБ угол раствора главного лепестка диаграммы направленности, более ..... 75 диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. .......... эллипс с задним лепестком Многие радиолюбители пытаются принимать программы телевидения на самодельные и кустарные антенны, изготавливаемые некоторыми кооперативами, без УСС, и, естественно, не получают контрастного изображения, а на дальних расстояниях работает только один канал. Антенна состоит из широкополосного вибратора и УСС, которые изготавливаются из металлических трубок диаметром 10—20 мм или из металлической полосы толщиной 3—5 мм.
Ширина полосы берется равной двум диаметрам. На рисунке показан технологически совершенный вариант сварной конструкции, обеспечивающий полную унификацию при массовом производстве и возможность легкой и точной настройки и регулировки. Три трубки, образующие половину веера вибратора, привариваются встык газовой сваркой к одной из трубок короткозамкнутого мостика. Перед сваркой трубки вибратора необходимо разделать так, чтобы было плотное прилегание торца трубки к боковой поверхности, при этом между двумя крайними трубками вибратора должен быть установлен угол в 45°. После сварки и рихтовки трубок просверливаются отверстия для крепления жил коаксиального кабеля и стопорения после сборки. Вибраторы с мостиком прикрепляются к мачте антенны с помощью резьбовых соединений через диэлектрические планки 4 и скобы 8 Мачту 2 изготавливают либо из тонкостенной трубки диаметром 35—45 мм, либо из деревянного бруска и устанавливают на высоте не менее 7—10 м. К мачте при крепляются две диэлектрические планки 4 с помощью болтовых соединений. Несущая конструкция антенны должна обеспечивать достаточную жесткость и прочность, чтобы противостоять ветровым нагрузкам. Перед установкой антенны на место ее необходимо оснастить заземляющим проводом и покрасить. Все места паек также надо закрасить масляной краской и закрыть крышками. Узел питания антенны вместе с выводами коаксиального кабеля необходимо закрыть общей пластмассовой крышкой. Многопрограммная направленная двенадцатиканальная антенна, выполненная в виде развернутого веера (рис. 4.6), предназначена для приема телесигналов на одном из первых 12 каналов. Эту антенну еще называют по-другому — антенной Кузнецова, по имени ее создателя.
Техническая характеристика: коэффициент усиления: на 1-м и 2-м каналах ..... ... 1,5 на 3—5-м .................... 1,7 на 6—12-м. ................. 2,5 КБВ .................... ... 0,6—0.7 рабочая частота ............... 48,5—230 МГц входное сопротивление ............. 40 Ом (переменное) волновое сопротивление фидера .... 75 Ом количество принимаемых программ . . 12 длина основного вибратора беа учета коэффициента укорочения ........ 1/2lдл. помехозащищенность .............
—(11...16) дБ угол раствора главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, более 50 Антенна относится к многопрограммным широкополосным системам, которые работают как единый вибратор по принципу антенны бегущей волны. В качестве собирательной линии используются две трубки, расходящиеся под углом 5°, к которым на равном расстоянии друг от друга приварены по шесть трубок такого же диаметра. Длина трубок вибраторов равномерно изменяется, создавая переменное волновое сопротивление. Сварная конструкция антенны обеспечивает необходимую прочность и противостоит механическим нагрузкам. Решетка из трубок создает минимальное сопротивление ветровым нагрузкам, и антенна меньше подвергается вибрациям и раскачиванию, что особенно важно для получения четкого изображения на экране телевизора. Для согласования входного сопротивления антенны с телеприемником используется УСС типа «четвертьволновой короткозамкнутый мостик». Фидер из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом подсоединяется к точкам И и Б, расстояние между которыми 1,5—2 мм. Также можно использовать УСС, примененное в антенне, изображенной на рис. 4.4. Данная антенна редко эксплуатируется на приусадебных участках из-за своих повышенных массогабаритных характеристик и материалоемкости. При сборке антенны особое внимание необходимо обратить на точность размеров собирательной линии. Детали крепления антенны к мачте и вибраторов между собой выбираются по месту, и регламентировать их нет необходимости. Направленная веерная антенна из металлических полос (рис. 4.7) относится к группе многопрограммных антенн, работающих на одной из выбранных программ без перестройки. Используется антенна в сложных условиях приема на местности, где возможен прием с различных направлений при минимальных отраженных сигналах и помехах. Антенна позволяет вести уверенный прием на расстоянии прямой видимости и в районе полутени от мощной передающей телестанции. При эксплуатации данной антенны на приусадебном участке необходимо знать, что широкополосная и широкодиапазонная антенна восприимчива ко всякого рода помехам, имеет недостаточную пространственную избирательность и меньшее усиление, чем такие же антенны, рассчитанные для работы на одном канале Поэтому чаще всего данная антенна применяется при многопрограммном телевещании в зоне уверенного приема. Техническая характеристика: коэффициент усиления: на 1—5-м каналах .................. 1,0 (0 дБ) на 6—12-м ........................ 1,2 (1,55 дБ) КБВ ............................... 0,55—0,8 входное резистивное сопротивление антенны ........................... 60 Ом волновое сопротивление фидера ......... 75 Ом средняя частота программы: на 1—5-м каналах .................. 72 МГц на 6—12-м ........................ 202 МГц полная длина вибраторов на средней частоте: на 1—5-м каналах .................. 1/2lдл.ср на 6—12-м ........................ 3/2lдл.ср тип антенны .........................
направленная количество принимаемых программ без перестройки .................... 12 помехозащищенность ..................— (12...17) дБ угол раствора диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. ......................... > 60 В антенне вместо традиционных трубок применены металлические полосы длиной 1080 мм, рассчитанные с учетом укорочения на прием первых 12 программ телевидения. Полосы раскрыты между собой под углом 45°. В вертикальной плоскости обе половины антенны развернуты под углом 120°. Точность установки указанных выше углов должна быть максимально возможной. Изготавливается антенна из металлических полос-шин (дюралюминиевых, латунных или стальных) любой толщи ны. Ширина металлических полос колеблется в пределах от 20 до 50 мм. Основным узлом конструкции является плата питания, сделанная из прочного диэлектрика, на которой собираются и монтируются лепестки ,вибраторов, фидерная линия и согласующее устройство. Металлические полосы-шины попарно укрепляются на плате 7 тремя винтами 9, к одному из которых присоединяется трансформатор 4. Схема подключения трансформатора приведена на рисунке. Кабель снижения антенны перед распайкой прикрепляется к диэлектрической плате с помощью скобы. После сборки узла питания с вибраторами он прикрепляется к мачте 3 с помощью специальной скобы 8 в верхней и нижней частях платы, еще более укрепляя ее. Если плата изготавливается из толстого оргстекла, то ее боковины можно изогнуть под углом 120°, нагревая над паром. Узел питания антенны закрыт пластмассовым корпусом 5 с крышкой 6, которая крепится двумя винтами. Антенна может быть закреплена на мачте, сделанной из любого материала. Если мачта изготавливается из деревянного бруска, то перед ее установкой на место необходимо проложить заземляющий проводник из стального или алюминиевого провода диаметром не менее 5 мм. Вибраторы, развернутые под углом 120, обеспечивают получение качественного изображения на экране телевизора не только на первых 5 каналах, но и, главным образом, на 6—12-м каналах. При установке антенны необходимо помнить, что расстояние от конька крыши до антенны должно быть не менее 2 м, а точная ориентация на ТЦ осуществлена по максимальной контрастности изображения на экране телевизора.
Перед установкой антенны ее надо покрасить масляной краской. Наружная веерная антенна с одним вибратором (рис. 4.8) относится к числу наиболее простых веерных антенн, которые очень часто встречаются в загородной местности. Такие антенны имеют очень малую металлоемкость, состоят из небольшого количества конструктивных элементов и легко устанавливаются на крышах домов. Рассматриваемая веерная антенна предназначена для приема телесигналов в диапазоне частот от 45 до 250 МГц в зоне прямой видимости, где обеспечивается уверенный прием телепрограмм на 1—12-м каналах и имеется возможность принимать радиосигналы с разных направлений в радиусе действия мощных или средних по мощности
ТЦ. При этом веерный раствор антенны направляется точно на выбранный ТЦ или ретранслятор. Следует заметить, что если в створе «антенна — ТЦ» работают другие радиоизлучатели, то их сигналы такж9 будут приниматься этой антенной и искажать изображение на экране телевизионного приемника. К достоинствам данной антенны можно отнести малую парусность и хорошее противостояние внешним воздействующим факторам — климатическим, механическим, биологическим и радиационным. Результаты практической эксплуатации одновибраторной веерной антенны на садовых участках дают основание рекомендовать ее для широкого повторения в условиях домашней мастерской. Однако следует отметить, что эта антенна требует достаточно точного изготовления деталей конструкции, соблюдения правил подключения УСС и в некоторых случаях применения специальных усилительных устройств. Последнее условие необходимо выполнять в обязательном порядке, если садовый участок расположен на границе прямой видимости или в зоне полутени. Выбор усилительного устройства зависит от марки используемого телеприемника, величины напряженности электромагнитного поля в месте приема радиосигналов и необходимого коэффициента усиления. При установки антенны следует руководствоваться общими правилами, изложенными далее в гл. 7, и условиями эксплуатации в данном макроклиматическом районе страны.
Поворотом антенны на более мощную станцию можно добиться наибольшего уровня сигнала на входе телеприемника и минимального уровня отраженных помех. При этом прием телесигналов должен производиться без применения усилителя, который подключается только после предварительной настройки. Если на экране телевизора наблюдаются повторы и отраженные сигналы в виде вторичных контуров, то антенну следует повернуть в ту или иную сторону до такого положения, в котором изображение будет наилучшим. Здесь также необходимо знать, что в тех случаях, когда ослабить повторные изображения не удается, надо применить антенну с более острой диаграммой направленности или другую антенну с улучшенными электромагнитными параметрами и повышенными техническими характеристиками. В некоторых районах прием на данную антенну не обеспечивается из-за слабого сигнала, рельефа местности, а также из-за неправильного выбора высоты установки антенны. Правильно изготовленная антенна в большинстве случаев дает хороший результат. Техническая характеристика: коэффициент усиления ................ 1,55 дБ КНД ............................... 4,5—7,8 КБВ ............................... 0,6—0,7 КСВ ............................... 1,67—1,43 входное сопротивление ................. 73 Ом волновое сопротивление фидера ......... 75 Ом коэффициент укорочения длины вибратора 1,54 помехозащищенность ................... (8...12) дБ рабочая частота ...................... 48,5—230 МГц количество принимаемых программ ...... 12 диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. .......... эллипс угол раствора главного лепестка диаграммы направленности, не менее. . . 48 угол раствора трубок вибратора ........ 120 Условия эксплуатации: температура окружающей среды, С. ... - 40...+ 40 относительная влажность воздуха при температуре 20 С, %. не более... 95 атмосферное давление, кПа (мм рт. ст.): повышенное ........................ 120 (900) пониженное ........................ 26,7 (200) климатическое исполнение. ............. В ветровые нагрузки при скорости ветра до 25 м/с, кг/см , не более .......... 5 иней, роса, дождь, мокрый снег, плесневые грибы, обледеневшие при герметизации узла питания ...........
по КД Конструкция антенны включает в свои состав широкополосный вибратор, состоящий из двух трубок, УСС, детали крепления и защиты от атмосферных осадков, а. также стакан для крепления к мачте. Вибратор изготавливается из металлических трубок диаметром от 12 до 20 мм или из металлических полос, ширина которых должна быть вдвое больше выбранного диаметра трубки, а толщина может колебаться в пределах от 2,5 до 5,5 мм. На рис. 4.8 показан вариант широкополосной веерной антенны, изготавливаемой из трубок диаметром 15 мм с УСС типа ССТФ, рассчитанной для приема телесигналов на 1—5-м каналах. Если возникает необходимость принимать сигналы на 6—12-м каналах или использовать имеющиеся в наличии трубки другого диаметра, то надо выполнить новый эскизный рисунок с измененными конструктивными размерами. Как следует из основных элек тромагнитных параметров, длина вибратора определяется по среднему значению частоты выбранного телеканала или группы каналов. Например, для 8-го канала эта частота равна 194 МГц, а для указанной группы каналов — 202,2 МГц. При этом должна обеспечиваться повышенная точность сборки антенны. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет форму вытянутого эллипса, в котором ЭДС действует во всех направлениях прихода сигнала. Наибольшая ЭДС на выходе антенны развивается в том случае, если сигнал поступает с направления, перпендикулярного вибратору. Если телесигнал поступает на антенну под углом 45, то его величина уменьшается до 0,5 максимального значения и соответственно уменьшается ЭДС. В диаграмме направленности данной антенны не выделяются ни боковые, ни задний лепестки. Наличие почти круговой направленности антенны определяет ее применение в месте приема телесигналов. Рассматриваемая антенна с вибратором, расположенным в двух плоскостях, в большей степени воспринимает боковые электромагнитные сигналы, помехи и отраженные волны. Это необходимо учитывать при ориентации антенны на садовых участках. Конструкция антенны определяет ее установку и крепление на мачте.
Мачта антенны должна оканчиваться металлическим наконечником, изготовленным из отрезка трубы с наружным диаметром 30 мм. Стопорение антенны осуществляется с помощью штифта или резьбового соединения так, как показано на рис. 4.8. Конструкция антенны имеет специальную втулку, изготовленную из тонкостенной трубы с внутренним диаметром 30,5 мм и приваренную к основанию герметичной коробки антенны. Мачту антенны рекомендуется изготовить из металлической трубы. В качестве материала этой трубы могут быть использованы дюралюминий, латунь, медь, сплавы на основе меди, сталь и любые железоуглеродистые сплавы, но предпочтение следует отдать легким сплавам на основе алюминия. Мачту можно изготовить также и из деревянного бруска. УСС изготавливается в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 1.5. Схема подключения УСС к вибраторам антенны показана на рис. 1.14 и 4.8. Уверенный прием телепрограмм обеспечивает применение в качестве УСС трансформатора типа ССТФ. В качестве ферритовых сердечников используются следующие типоразмеры колец: К7 х 4 х 2 из феррита марки М1000ВН, К7 х 4 х 2 из феррита марки М50ВЧ, К8.4 х3,2х 2 из феррита марки М100ВЧ, К16 х 104,5 из феррита марки М1000НМ-3. Необходимо отметить, что конструкции ССТФ определяется количеством применяемых ферритовых колец. В самодельных конструкциях можно использовать два ферритовых кольца, на каждом из которых наматывается по две обмотки или одно ферритовое кольца с четырьмя обмотками. Для намотки можно использовать обмоточные провода следующих марок: ПЭЛ, ПЭВ-1 ПЭВ-20,ПЭВТЛ,ЛЭШ012х0,07,ЛЭ111024х0,1, ПЭЛШО. а также другие марки литцендратов с изоляцией. Основным элементом конструкции ТЛ можно считать монтажную плату, выполненную из диэлектрического материала, на которой распаивается согласующим трансформатор. Эта монтажная плата, выполняющая роль платы питания, устанавливается в цилиндрическом пластмассовом корпусе так, как показано на рис. 4.8. Цилиндрический пластмассовый корпус устанавливается на металлическое основание, к которому, в свою очередь, крепится опорная металлическая втулка из отрезка трубы с внутренним диаметром 30,5 мм.Крепление фланца с при варенной к ней втулкой к пластмассовому корпусу осуществляется с помощью винтовых соединений. При этом необходимо обеспечить полную электрическую изоляцию трубок вибратора между собой и металлическим корпусом антенны. Это сравнительно легко достигается соблюдением технологической дисциплины при изготовлении детален конструкции, сборке и монтаже.
