Телевизионные антенны для сложных условий приема
Доктор техн. наук В.Кузнецов, канд. техн. наук В.Парамонов, инж. А.Кунаев
Прием телевидения часто приходится вести в условиях, которые существенно отличаются от нормальных. Такие условия (назовем их сложными) имеют место на границе зоны прямой видимости, вне этой зоны, где напряженность поля телевизионного сигнала мала, а также в пределах зоны прямой видимости, где абсолютное значение напряженности поля достаточно велико, но качество приема ухудшается помехами или отраженными сигналами.
Основное требование, которое обычно предъявляют к телевизионным антеннам, предназначенным для приема в сложных условиях, — высокая эффективность. Это объясняется тем, что высокоэффективные антенны, помимо большого коэффициента усиления, особенно необходимого для приема в местах с малой напряженностью поля, обладают еще одним достоинством — узкой диаграммой направленности, позволяющей ослабить прием мешающих сигналов, приходящих с боковых направлений.
В настоящее время наиболее распространенным путем достижения большого коэффициента усиления является создание сложных антенных решеток, состоящих из нескольких секций более простых антенн, соединенных между собой таким образом, чтобы сигналы от них складывались синфазно.
Антенны, построенные по такому принцнпу, неоднократно описывались в журнале «Радио» (например, в 1963 г., №№ 3, 8; в 1965 г. № 4, и др.). Основные соображения, которыми следует руководствоваться при конструировании антенных решеток, также приводились в журнале (см. «Радио», 1965, № 2).
Однако синфазные антенные решетки, построенные по указанному принципу, имеют недостаток, который во многих случаях не позволяет достичь хороших результатов при использовании таких антенн для приема в сложных условиях. Речь идет о недостаточно высоком коэффициенте защитного действия (КЗД) таких антенн (под КЗД обычно понимают отношение уровней сигналов, принятых антенной с направления максимального приема и противоположного ему направления). Дело в том, что при группировке отдельных антенн — элементов в синфазную решетку КЗД всей решетки не увеличивается, как это происходит с коэффициентом усиления, а сохраняется примерно таким же, какой имел отдельный элемент (антенна) решетки.
Элементы, из которых обычно составляют антенную решетку (антенны «волновой канал», рамочные и другие антенны с резонансными, настроенными рефлекторами), либо в силу их естественных свойств, либо в силу невозможности достижения на практике точной настройки имеют недостаточно высокий КЗД. Применение элементов с апериодическими, ненастроенными рефлекторами (см. «Радио», 1963, № 10) приводит к чрезмерному усложнению антенной решетки, увеличению ее веса и стоимости.
Научно-исследовательским институтом радио разработаны антенны для приема телевидения в сложных условиях, собранные из элементов с настроенными рефлекторами. Эти антенны просты по конструкции и лишены указанного выше недостатка, благодаря примененному в них способу построения и соединения антенной решетки.
Для пояснения этого способа рассмотрим две одинаковых антенны, сориентированные по направлению максимального приема в одну сторону (направление А на рис. 1), но сдвинутые в этом направлении по отношению друг к другу на расстояние, равное четверти рабочей длины волны.
Рисунок 1Ради простоты рассуждений будем считать, что обе антенны работают на передачу (в силу известного принципа взаимности направленные свойства антенны не зависят от того, работает она на прием или на передачу), и предположим, что фаза напряжения, питающего антенну 2, на 90° отстает от фазы напряжения, питающего антенну 1. При таких условиях в дальней зоне напряженности полей волн, излученных каждой из двух антенн в направлении А, будут иметь одинаковую фазу и, следовательно, складываться, а волн, излученных в направлении Б, — противоположные фазы и взаимно вычитаться.
Действительно, если считать, что в точке наблюдения, взятой в дальней зоне в направлении А, напряженность поля волны, излученной антенной 1, имеет фазу, условно принятую за нулевую, то по отношению к ней в этой же точке напряженность поля волны, излученной антенной 2, будет, с одной стороны, иметь опережение по фазе на 90° из-за пространственного сдвига антенны 2 в этом направлении вперед на четверть волны, а с другой — будет опаздывать на 90° из-за отставания по фазе питающего напряжения. Результирующий сдвиг равен нулю, и следовательно, напряженности полей волн, излученных в этом направлении обеими антеннами, синфазны и суммируются. В то же время в точке наблюдения, взятой в дальней зоне в направлении Б, если снова фазу напряженности поля волны, излученной антенной 2, принять за нулевую, напряженность поля волны, излученной антенной 2, будет испытывать двойное отставание по фазе на 90°: одни раз за счет того, что в направлении данной точки наблюдения антенна 2 расположена дальше антенны 1 на четверть волны (пространственное запаздывание), а второй раз за счет запаздывания фазы питающего напряжения. Результирующий сдвиг будет равен 180°, и следовательно, напряженности полей волн, излученных антеннами 1 и 2 в направлении Б, будут взаимно вычитаться. При условии идентичности антенн теоретически можно полностью исключить излучение назад, то есть получить бесконечно большой КЗД. В реальных условиях этого, конечно, не происходит, но резкое ослабление обратного получения (приема) действительно имеет место. Описанный метод достижения высокой степени подавления заднего лепестка диаграммы направленности можно повторить в антенной решетке несколько раз, включая попарно отдельные элементы, пары элементов, целые секции или этажи и, наконец, половины всей решетки.
Как следует из приведенного выше описания способа, попарное соединение элементов или частей решетки удобно производить с помощью устройства, обеспечивающего сложение мощности двух одинаковых по уровню сигналов, сдвинутых по фазе на 90° (в передающем варианте деление мощности на две равные части, отличающиеся по фазе на 90°). Такими свойствами обладает так называемый трехдецибельный направленный ответвитель, представляющий собой отрезок двух связанных электромагнитно линий с геометрическими размерами, обеспечивающими получение требуемых характеристик: электрической длины, равной четверти рабочей длины волны, коэффициента деления мощности, равного двум, и входных сопротивлений, соответствующих волновым сопротивлениям соединительных линий.
Рисунок 2Условное изображение и схема включения направленного ответвителя в передающем варианте показана на рис. 2, где приняты обозначения: Р — полная мощность, поступающая на его вход, (ф — угол, характеризующий фазу напряжения в данной точке, R — балластное сопротивление, равное по величине волновому сопротивлению соединительных линий, подходящих к ответвителю. В правильно выполненном ответвителе, нагруженном на согласованные нагрузки, вся мощность, подводимая к выводу а, делится между выводами б и в, а в сопротивлении R не поглощается. Если же нагрузки, подключенные к выводам б и с, согласованы не полностью, то отраженные волны не переходят из одного отвода в другой, а поглощаются в балластном сопротивлении. При условии идентичности нагрузок вся мощность отраженных волн поглотится в сопротивлении R и не попадет в передатчик.
Таким образом, направленный ответвитель помимо деления мощности и получения требуемых фазовых соотношений обеспечивает хорошее согласование антенной системы с передатчиком (приемником) и развязку между отдельными элементами системы. Последнее означает высокую надежность в работе, так как при выходе из строя полотна какого-либо элемента или участка системы питания антенной решетки (обрыв, замыкание и др.) антенная система будет работать (с пониженным коэффициентом усиления). Для сравнения можно отметить, что в обычной синфазной антенной решетке такое повреждение может полностью вывести из строя всю систему из-за резонансных явлений в оборванном или законченном отрезке линии.
В соответствии с принципом работы наибольший эффект подавления заднего лепестка диаграммы может получен в ограниченном диапазоне частот, средняя частота которого соответствует рабочей длине волны. Практически, однако, даже на самых низких частотах телевизионного диапазона в пределах одного канала (48,5—56,5 Мгц) можно получить значительное (до 30 и более дб) подавление заднего лепестка диаграммы. По мере увеличения частоты абсолютная ширина полосы частот, в пределах которой имеет место значительный эффект подавления заднего лепестка, увеличивается и соответственно растет число телевизионных каналов, которые антенна может принимать с высоким КЗД.
На рисунках 3, 4 и 5 приведены общие виды трех антенн, построенных по описанному способу. Схемы соединения элементов также поясняются этими рисунками.
Рисунок 3Антенна 1 (рис. 3, а) рассчитана на работу в диапазоне частот первого телевизионного канала (48,5—56,5 Мгц). Она состоит из двух антенных полотен типа АТВК-3/1, расположенных на одной мачте со взаимным смещением 1,4 м по направлению на телецентр. Разнос между полотнами по вертикали из соображений конструктивного удобства взят равным 3 м, то есть меньше, чем длина волны — расстояние оптимальное с точки зрения получения максимального усиления антенной решетки. Полотна соединены между собой и с кабелем снижения с помощью трехдецибелыюго направленного ответвителя 2 (рис. 3, б). Соединительные кабели — 75-омные коаксиальные, одинаковой длины. Подключение кабелей с петлевым вибраторам может производиться с помощью любого из устройств для согласования и симметрирования, описанных также, как и антенны АТВК-3/1, в статье «Коллективные телевизионные антенны» («Радио», 1969, № 3, стр. 26).
Конструкция направленного ответвителя и способ его соединения с кабелями поясняются рисунком 6, где изображены общий вид ответвителя со снятой крышкой, каркас его линий с намоткой и сердечник.
Рисунок 6Как видно из этого рисунка, ответвитель состоит из двух электромагнитно связанных несимметричных линий, свернутых в спирали. Для получения требуемых волновых сопротивлений и коэффициента деления каждая из линий делается из двух проводов, концы которых соединены параллельно. Эти провода укладываются в канавки четырехзаходной резьбы, как показано на рис. 6, б.
Каркас диаметром 9 мм изготовляют из органического стекла. На внешней поверхности его наносят четырехзаходную резьбу СпМ9х (4/0,625). Намотку выполняют проводом ПЭВ-1 или ПЭЛ 0,27 мм. Число витков в каждом заходе резьбы — 24. Внутрь каркаса плотно вставляют стержень из медной или латунной трубки с наружным диаметром 7 мм и толщиной стенок 0,5—1 мм. По краям трубки с одной стороны делают прорези шириной 1,5 мм и длиной 18 мм (рис. 6, в). Между выводами а и б, а также в и г для компенсации концевых эффектов включают конденсаторы с емкостью 2-5 пф.
Изготовленный таким образом ответвитель в диапазоне первых пяти телевизионных каналов (48,5 — 100 Мгц) имеет коэффициент передачи в выводы б и в порядка 3,7 дб при неравномерности около ±0,5 дб. Потери в нем составляют около 0,7 дб.
Антенна 2 (рис. 4,а) рассчитана на работу в полосе частот 11 канала (214—222 Мгц). В ней используются антенные полотна АТВК-5/11, которые в отличие от антенны 1 разнесены не по вертикали, а по горизонтали.
Рисунок 4Величина разноса составляет 1,5 м, а сдвиг в направлении на телецентр — 0,35 м. Направленный ответвитель 2 в антенне 2 применяется такой же, как и в антенне 1 (рис. 4, б). Коэффициент передачи ответвителя, его неравномерность и величина внутренних потерь в диапазоне частот 174—230 Мгц несколько больше, чем в диапазоне 48,5—100 Мгц. Сдвиг полотен решетки и их подсоединение к ответвителю должны производиться так, как показано на рис.4.
Антенна 3 (рис. 5,а) также рассчитана на работу в полосе частот 11 канала и образована из четырех полотен типа АТВК-5/11, разнесенных по вертикали и по горизонтали на 1,5 м.
Рисунок 5В этой антенне осуществляется двукратное подавление заднего лепестка диаграммы направленности: один раз между отдельными полотнами, а второй раз между парами полотен. В антенне 3 применен блок направленных ответвителей, состоящий из трех одинаковых ответвнтелей описанного выше типа (рис. 5, б). Схема их включения также поясняется рис. 5, б. Общий вид блока показан на рис. 7.
Рисунок 7Смещение по направлению на телецентр, равное 0,35 м, может быть сделано либо так, как показано на рис. 5,а, то есть полотна 1 и 3 располагаются без взаимного сдвига, полотно 2 сдвигается назад, а полотно 4 вперед по отношению к полотнам 1 и 3, либо, что удобней с конструктивной точки зрения, также, как сказано выше, но со сдвигом полотна 2 не назад, а вперед (или полотна 4 не вперед, а назад) по отношению к полотнам 1 и 3 при одновременной перефазировке соответствующих полотен (2 или 4) на 180°. Такая перефазировка может быть легко осуществлена путем перемены местами симметрирующе-согласующих устройств 1 с симметричной стороны на этих полотнах.
Приведенные выше краткие описания трех антенн являются только примерами. По этому принципу и с помощью описанных направленных ответвителей можно выполнить антенну, рассчитанную на работу в любом канале и состоящую из любого четного числа полотен. Следует при этом отметить, что антенна, рассчитанная для работы в каком-то одном определенном канале, имеет повышенный КЗД и в полосе частот соседних каналов; при прочих равных условиях разнос по горизонтали более выгоден, чем разнос по вертикали, так как при этом диаграмма направленности антенной решетки сужается в горизонтальной плоскости, что важно в смысле уменьшения возможности приема мешающих сигналов.
Рассмотрим вопрос о выборе антенны для приема в сложных условиях. Установлено, что при современных лампах, применяемых во входных каскадах телевизоров и антенных усилителей, для получения отличного или хорошего качества изображения на вход телевизора нужно подать сигнал с уровнем 400—600 мкв. В отдельных случаях можно допустить снижение уровня сигнала до 200 мкв, что соответствует еще достаточно удовлетворительному качеству изображения. Дальнейшее понижение входного напряжения может привести к недопустимому ухудшению качества изображения так же, как и увеличение воздействия внешних помех при неизменном или даже более высоком уровне напряжения.
Во избежание недоразумения необходимо отметить, что фигурирующая обычно в паспортных данных любого телевизора чувствительность, весьма часто имеющая порядок 50—100 мкв, характеризует только усилительную способность телевизора (она численно равна напряжению, которое нужно подать на вход телевизора, чтобы при регуляторе контрастности, установленном на максимум, получить номинальное напряженно на выходе телевизора, то есть нормальную контрастность). Качество изображения при этом может быть очень низким.
Таким образом, если напряженность поля телевизионного сигнала и место приема известна (а она может быть достаточно просто определена с помощью измерительного приемника или компаратора), можно, задавшись напряжением, необходимым для обеспечения желаемого качества изображения, по известным формулам определить требуемую величину коэффициента усиления антенны. По величине коэффициента усиления и с учетом местных особенностей (наличие и направление прихода помех и отраженных сигналов) можно определить степень сложности и конструктивную схему антенны, которую следует применить в данных условиях.
В заключение необходимо отметить следующее. Наиболее характерным случаем приема телевидения в сложных условиях является так называемый дальний прием телевидения, то есть прием телевизионных станций, расположенных далеко (до нескольких сотен или даже тысяч км) за пределами зоны прямой видимости.
Известно, что волны УКВ диапазона претерпевают рассеяние на неоднородностях слоев атмосферы (тропосферы и ионосферы). Количество и степень неоднородностей, а следовательно, и возможность дальнего распространения, зависят от многих факторов: рельефа местности, состояния атмосферы, солнечной активности, времени дня и года, количества и интенсивности метеоров и др. В среднем уровень рассеянного поля в точке приема, расположенной далеко (до нескольких сотен км) за пределами зоны прямой видимости, на несколько десятков дб ниже уровня, который имел бы место при распространении на такое же расстояние в свободном пространстве. Этого уровня недостаточно для приема телевидения даже на самые сложные антенны. При резком увеличении неоднородности атмосферы из-за воздействия какого-либо фактора или при благоприятном сочетании ряда факторов условия распространения могут значительно улучшиться. Уровень поля в дальней зоне в таких случаях может резко (на несколько десятков дб) возрасти и прием дальних телевизионных станций становится возможным даже на обычные индивидуальные антенны.
Естественно, что при таких условиях дальний прием телевидения носит нерегулярный, случайный характер. Кроме этого, многочисленные источники помех, находящиеся на длинном пути распространения телевизионного сигнала, часто настолько снижают отношение сигнал помеха, что качество изображения оказывается очень плохим. Ясно, что при этом применение даже самых сложных антенн и самых совершенных антенных усилителей не может спасти положение. Кстати, относительно антенных усилителей необходимо заметить, что применение их бывает действительно оправданным в редких случаях: например, для компенсации затухания сигнала в длинном кабеле, соединяющем антенну с телевизором (в этом случае усилитель следует располагать у антенны), или при делении сигнала на несколько потребителей. В других случаях, когда отношение сигнал помеха недостаточно велико, применение антенного усилителя эффекта не даст, так как его шумы такого же порядка, что и у самого телевизора.
Хотелось бы, чтобы все, кто проявляет интерес к дальнему приему телевидения, отчетливо представляли себе возможности этого вида телевизионного приема. К сожалению, еще очень часты случаи, когда люди, услышав или прочитав что-то о дальнем приеме телевидения, приходят к ошибочному заключению, что достаточно сделать антенну посложнее, поднять ее повыше и включить антенный усилитель, чтобы регулярно и с высоким качеством принимать телецентры, находящиеся далеко за пределами зоны прямой видимости. В итоге — неудовлетворенность, вызванная несоответствием между понесенными затратами и полученными результатами, а также недоуменные письма в редакцию журнала "Радио".
Источник: PАДИO № 12 1969 г
[ На главную ] [ Антенны ]