ШИРОКОДИАПАЗОННАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННА
А. КНЯЗЕВ, Б. МЕДНИКОВ, Л. АНДРЕЕВА
Освоение отечественным телевидением дециметрового диапазона волн (частотные каналы № 21—39) делает целесообразным создание конструкций антенн, обеспечивающих без каких-либо переключений прием телевизионных программ как в метровом, так и в дедиметровом диапазоне волн.
Как известно, с повышением частоты сигнала требуемый уровень напряжения на входе телевизора возрастает, а увеличение это можно осуществить путем увеличения коэффициента усиления антенны. Следовательно, чтобы широкодиапазонная антенна была бы эффективна и при значительном удалении от телевизионных станций и ретрансляторов, она должна обладать достаточно большим коэффициентом усиления как на метровых, так и на дециметровых волнах.
Вместе с тем необходимо, чтобы на всех рабочих частотах антенна удовлетворительно согласовывалась с фидером из коаксиального кабеля, имеющего волновое сопротивление 75 ом.
Применяемые в настоящее время конструкции антенн не могут удовлетворить этим условиям. Так, например, антенна типа «волновой канал» обладает высоким коэффициентом усиления лишь в узкой полосе частот
Здесь fмакс и fмин — верхняя и нижняя частоты рабочей полосы.
Коэффициент перекрытия по частоте зигзагообразной антенны Kf=fмакс/fмин=2—2,2, а ее коэффициент усиления G=6,5—10 дб (здесь и ниже указываются коэффициенты усиления относительно изотропного излучателя). Дальнейшее увеличение коэффициента усиления зигзагообразной антенны может быть осуществлено путем применения рефлекторов или решеток, что существенно усложнит конструкцию.
Логопериодическая антенна хорошо работает в широком диапазоне частот, но ее коэффициент усиления G<7—8 дб.
Ниже описывается конструкция вибраторной антенны бегущей волны [А. С. Князев, Е. Ф. Клишиов, Т. И. Новокозский, Б. М. Медников. Авторское свидетельство № 207258.], предназначенной для приема телевизионных программ, передаваемых как по каналам № 21—39 дециметрового диапазона (частоты 470— 620 Мгц), так и по каналам № 6—12 метрового диапазона (частоты 174—230 Мгц), то есть с коэффициентом перекрытия по частоте
На рисунках приведены, полученные экспериментально, характеристики этой широкодиапазонной антенны. Из этих характеристик видно, что в диапазоне частот 170—620 Мгц ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны а=34—52° (на уровне 0,7), относительный уровень приема сигнала с обратного направления составляет 0,42-0,2 (-8- 14 дб), коэффициент усиления G=10—15 дб, а коэффициент бегущей волны (КБВ) в фидере с волновым сопротивлением ZB =75 ом не ниже 0,4, причем на частотах 174—500 Мгц КБВ — не менее 0,5.
Диаграммы направленности антенны
Изготовление антенны доступно не только специализированным предприятиям, но и радиолюбителям.
1 — уголки собирательной линии;
2 — вибраторы (на изображении узла Б показан вибратор, имеющий длину плеч Lmax = L15 = 550 мм);
3 — коаксиальный кабель;
4 — симметрирующий шлейф-держатель;
5 — изоляторы из органического стекла;
6 — трубчатая опора антенны;
7 — отверстие для кабеля;
8 — вкладыш для сочленения трубчатой опоры со шлейф-держателем;
9 — проволочный бандаж на внешнем проводнике кабеля;
10 — лепесток для пайки бандажа к симметрирующему шлейфу;
11 — скоба для крепления кабеля;
12 — заклепки крепления вибраторов и симметрирующего шлйейфа;
13 — лепесток для пайки бандажа к собирательной линии;
14 — лепесток для пайки внутренней жилы кабеля к собирательной линии;
15 — винты крепления изоляторов к уголкам собирательной линии.
Принцип действия. Схема диапазонной вибраторной антенны бегущей волны приведена на рис. 1.
Антенна состоит из двух параллельных проводников l длиной L, образующих собирательную линию, к которой подключено n симметричных вибраторов 2 с длинами плеч ln. Последние линейно изменяются от lмин до lмакс. Для упрощения конструкции расстояния между соседними вибраторами d можно сделать одинаковыми, хотя лучших результатов можно достичь применением переменного шага. Длина любого n-го вибратора при этом
Фидер подключается к собирательной линии в точках аа'. Если антенна направлена на телевизионный передатчик, то высокочастотные токи, возбуждаемые электродвижущими силами вибраторов в собирательной линии, складываются оптимальным образом в точках аа' и поступают по фидеру в телевизор. При отклонении оси антенны от направления на телецентр нарушается фазирование токов, возбуждаемых вибраторами в собирательной линии, что приводит к уменьшению величины тока в фидере и уменьшению напряжения на входе телевизора. Этим и объясняются направленные свойства антенны. Следует заметить, что режим бегущей волны в антенне обеспечивается сильной связью вибраторов с собирательной линией (непосредственное подключение) и оптимальным выбором длин вибраторов.
Условия фазирования токов в точках аа' обеспечиваются выбором начальной lmin и конечной lmax длины вибраторов. Наилучшие экспериментальные результаты были получены при lmax/lmin=0,32 и lmax/lmin=0,42. Коэффициент усиления антенны в децибелах можно вычислить по формуле
Конструкция антенны. Для диапазона частот 174—620 Мгц оптимальными являются следующие размеры антенны: L=2330, lмин =200, lмакс=550, d=165 мм. Размеры плеч всех других вибраторов приведены в таблице, где n — порядковый номер вибратора, lп — длина плеча вибратора.
n ln, мм ----------- 1 200 2 225 3 250 4 275 5 300 6 325 7 350 8 375 9 400 10 425 11 450 12 475 13 500 14 525 15 550
При указанных размерах элементов антенны волновое сопротивление нагруженной вибраторами собирательной линии Zb=150 ом и с учетом влияния вибраторов модуль входного сопротивления антенны на зажимах аа' Zaa'=75 ом.
Собирательную линию проще всего изготовить из двух дюралюминиевых уголков, скрепив их тремя изоляторами из органического стекла (см. рисунки на цветной вкладке). Такая конструкция при своей простоте обладает необходимой прочностью.
Допустимо применение стального уголка с антикоррозийным покрытием (оцинковка, покраска алюминиевой краской и т. п.).
Расстояние h между полками уголков шириной b можно определить по формуле:
Так как собирательная линия должна иметь ZB =150 ом, то h=0,67 b. В рекомендуемой конструкции b=30 мм и расстояние h=20 мм. Изоляторы собирательной линии крепятся с помощью винтов или клея. Последние должны быть расположены «наискосок» и иметь минимальную длину с тем, чтобы не шунтировать линию.
Полосковые вибраторы изготовляют из дюралюминиевых или стальных пластин шириной 30—35 мм. Их крепят к уголкам собирательной линии с помощью заклепок.
В районах, где наблюдаются интенсивные гололеды, щель между уголками собирательной линии следует заполнить пенопластом небольшой плотности. Снег, застрявший в открытой щели, существенного влияния на работу антенны не оказывает.
Ввиду того, что антенна имеет симметричную структуру, она должна соединяться с коаксиальным кабелем с помощью симметрирующего шлейфа, который представляет собой отрезок линии, короткозамкнутый на нижнем конце. Шлейф располагается в точках bb' собирательной линии, совпадающих с центром тяжести антенны.
Через точку нулевого потенциала с подводится коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 ом, оболочка которого в этой точке припаивается к шлейфу. С помощью скоб кабель прокладывается под горизонтальной полкой одного из уголков собирательной линии к точкам питания антенны аа'.
Шлейф выполнен в виде прямоугольной скобы из полосовой или листовой стали толщиной 1—1,5 мм. Длина шлейфа 215 мм. Скобы с помощью заклепок крепят к вертикальным полкам собирательной линии. Ширина пластин шлейфа выбирается из соображений устойчивости антенны в целом, так как шлейф выполняет роль ее держателя. Для районов страны с не очень сильными ветрами можно ограничиться шириной шлейфа, равной 50 мм. Горизонтальная часть шлейфа с помощью винтов или сварки крепится к цилиндрическому вкладышу, который вставляется в трубчатую опору. Кабель антенны рекомендуется проложить внутри опоры.
Дальнейшего увеличения коэффициента усиления антенны можно достигнуть увеличением ее длины L. Увеличение длины в два раза приведет к возрастанию коэффициента усиления антенны на 3 дб. В этом случае во избежание прогиба собирательной линии потребуется применение двух шлейфов-держателей с упорами, образующими конструкцию в виде буквы V. Острый ее конец должен крепиться к трубе-опоре. В этом случае кабель подводят к структуре через один из шлейфов. Длины плеч крайних вибраторов lмин и lмакс берут такими же, как и для антенны с L=2,33 м. Длины промежуточных вибраторов рассчитывают по приведенной выше формуле.
Если требуется антенна с весьма высоким коэффициентом усиления, то несколько структур следует собрать в решетку. Решетка из четырех структур будет иметь коэффициент усиления на 6 дб больше, чем одиночная структура. Например, решетка, состоящая из четырех структур длиной по 4,6 м на частоте 620 Мгц будет иметь коэффициент усиления G=18+6=24 дб.
РАДИО № 2-1973 г. c.17-18