УКВ антенна — полуволновый петлевой вибратор
К простым антеннам также относится хорошо известный радиолюбителям-ультракоротковолновикам петлевой шлейф-вибратор Пистолькорса.
Схематическое изображение шлейфа-вибратора показано на рис. 1, а конструктивное оформление антенны—на рис. 2.
В отношении передающих и приемных качеств этот вибратор ничем не отличается от описанного выше разрезного полуволнового вибратора; отличие его состоит лишь в величине входного сопротивления. Входное сопротивление шлейфового вибратора, выполненного из трубок одинакового диаметра, равно примерно 300 ом.
Рис. 1. Антенна — шлейф-вибратор Пистолькорса.
Точно такое же сопротивление имеет кабель типа КАТВ, поэтому антенна, выполненная из петлевого вибратора и кабеля КАТВ, не требует никакого дополнительного специального согласования, обычно доставляющего радиолюбителю много хлопот. Кроме того, фидер, изготовленный из кабеля типа КАТВ, стоит значительно дешевле коаксиального.
Неравномерное излучение такой антенны в горизонтальной плоскости легко устраняется вертикальной установкой вибратора. При установке надо только следить за тем, чтобы фидер был расположен перпендикулярно вибратору на длине не меньше:
Рис. 2. Конструкция антенны со шлейфом-вибратором (антенна типа петлевого вибратора).
- 1 — пластинка из изолятора;
- 2 — скобки из изолятора;
- 3 — металлическая мачта;
- 4—фидер из кабеля КАТВ;
- 5 — место приваривания вибратора к мачте.
Диаграмма направленности излучения в горизонтальной плоскости примерно такая же, как и разрезного вибратора. Несколько большая полоса пропускания не имеет существенного значения для любительской связи.
Петлевой вибратор благодаря большому входному сопротивлению получил широкое применение в сложных антеннах. Как известно, пассивные вибраторы сложной антенны сильно снижают входное сопротивление активного вибратора.
Если в качестве активного вибратора применен разрезной полуволновый вибратор, имеющий входное сопротивление 70—72 ом, то при добавлении к нему хотя бы двух пассивных вибраторов его сопротивление падает до 10—20 ом, и согласование с фидером практически становится затруднительным.
Если же для этой цели применить петлевой вибратор, то входное сопротивление антенны, хотя и падает, но остается достаточно высоким для хорошего согласования с фидером.
Второе преимущество шлейфа — удобный способ его крепления. В точке О напряжение по высокой частоте равно нулю, и, следовательно, в этой точке вибратор можно приварить к мачте— необходимость в изоляторах отпадает.
Питать шлейф-вибратор можно как при помощи симметричного кабеля, так и при помощи коаксиального кабеля. На рис. 81 дано схематическое изображение устройства шлейфа-антенны с использованием симметричного кабеля типа КАТВ, имеющего волновое сопротивление 300 ом, т. е. такое же, какое имеет вибратор.
Благодаря равенству сопротивлений надобность в согласующем устройстве отпадает. Приближенно общую длину трубки можно взять равной длине волны «лямбда»; расстояние между центрами двух половин трубок должно составлять 15— 20 мм.
Однако от антенны можно получить лучшие результаты, если произвести более точный ее расчет. Как показывает теория, входное сопротивление шлейфа-вибратора зависит от толщины трубок и расстояния между ними.
При равенстве диаметров (d1 = d2) входное сопротивление петлевого вибратора равно 292 ом и практически не зависит от расстояния между трубками при изменении последнего в пределах от 100 до 150 мм.
Обычно сопротивление шлейфа-вибратора R1 сравнивают с сопротивлением разрезного вибратора Я0, которое равно в среднем 72 ом. Из теории следует, что:
Удобнее входное сопротивление не вычислять, а определять по номограмме (рис. 82).
Номограмма дает возможность быстро определить необходимые размеры шлейфа-вибратора в зависимости от заданного волнового сопротивления и диаметров имеющихся в распоряжении трубок.
Пусть требуется изготовить антенну с более высоким волновым сопротивлением, например 430 ом (это бывает нужно для многовибраторных антенн). В этом случае вибратор должен быть выполнен из трубок различных диаметров.
Рис. 3. Номограмма для расчета антенны шлейфа-вибратора.
Задаемся диаметром нижней трубки вибратора, равным 10 мм, и отношением d1/d2 =3. Проводим на номограмме прямую через отметки 6 и 3 на шкалах К и d1/d2. На шкалах D/d2, D/d1 и в точках пересечения этих шкал с проведенной прямой читаем ответ:
Для определения D надо воспользоваться вторым равенством:
Из первого равенства определяем диаметр верхней трубки вибратора:
Соединение частей вибратора между собой можно выполнить пластинками из меди или латуни шириной, равной приблизительно среднему диаметру трубки,-—20 мм. В заключение определяем резонансную длину вибратора.
Для трубки диаметром 20 мм коэффициент укорочения k=0,483 (смотрим график). Длина вибратора l=0,483 * 7692 мм = 3715 мм.
В диапазоне 144—146 Мгц, как правило, применяются сложные, многовибраторные антенны, в которых в целях облегчения согласования с фидером в качестве активного вибратора всегда применяют шлейф-вибратор.
Расчет волнового сопротивления шлейфа-вибратора для этого диапазона производится по тем же формулам, графикам и номограммам. Длина вибратора определяется тем же способом и равна:
Иногда в сложных антеннах имеет смысл применять двойной петлевой вибратор, имеющий сопротивление 600 ом.
Схематическое изображение такого вибратора дано на рис. 83. Это позволяет в сложных антеннах повысить входное сопротивление до величины, практически пригодной для согласования с существующими фабричными кабелями.
4.1. РАЗНОВИДНОСТИ НАРУЖНЫХ АНТЕНН
Зоной ближнего приема можно назвать такую территорию, где уверенный прием достигается с помощью простейших антенн со сравнительно небольшим коэффициентом усиления. В связи с тем, что зона ближнего приема располагается внутри зоны прямой видимости, напряженность поля сигнала в пределах этой зоны в значительной мере зависит от мощности телевизионного передатчика. Поэтому радиус зоны ближнего приема на равнинной местности для мощного программного телецентра составляет примерно 50 км, для областных ретрансляторов — 30 км, а для маломощных местных ретрансляторов еще меньше: имеются ретрансляторы такой малой мощности, что для них зона ближнего приема ограничена расстоянием всего в несколько километров. Четко провести границу зоны ближнего приема, конечно, невозможно, так как она зависит и от мощности передатчика, и от номера капала, и от рельефа местности на трассе прохождения сигнала от передающей антенны к приемной, и от застройки населенного пункта, в котором необходимо осуществить прием. Все это не позволяет определить радиус зоны ближнего приема в конкретных условиях методом расчета. Поэтому в каждом конкретном случае необходимую антенну приходится выбирать опытным путем, начиная с простейшей и при отрицательном результате переходя к более сложной.
Простейшая приемная антенна — разрезной полуволновый вибратор, подобный рассмотренному в разделе о комнатных антеннах. Однако наружная антенна, как правило, не может крепиться к противоположным стенам и натягиваться таким путем, как это рекомендовалось для комнатной проволочной антенны. Поэтому такую антенну выполняют в виде жесткой конструкции из металлической трубки. Немного сложнее антенна -петлевой полуволновый вибратор, обладающий некоторыми преимуществами перед разрезными, хотя его коэффициент усиления также равен 0 дБ. Если полуволновый вибратор оказывается недостаточно эффективным в данных конкретных условиях, антенна может быть усложнена добавлением еще одного элемента — рефлектора, который значительно ослабляет прием с заднего направления и усиливает с главного. Для этого рефлектор выполняют немного длиннее вибратора и располагают сзади него на некотором расстоянии. Такая двухэлементная антенна носит название «Волновой канал». Благодаря рефлектору задний лепесток диаграммы направленности значительно уменьшается, а главный лепесток увеличивается и сужается. Поэтому коэффициент усиления антенны становится больше, чем у полуволнового вибратора. Еще больший коэффициент усиления может быть достигнут установкой дополнительных элементов впереди вибратора.
которые называются директорами. Разработано большое количество разных антенн типа «Волновой канал», отличающихся одна от другой числом директоров и расстоянием между ними. Антенны этого типа отличаются компактностью, жесткой конструкцией, малой ветровой нагрузкой, но обладают и существенными недостатками, которые ограничивают возможности их изготовления в домашних условиях.
В качестве наружных, так же как и комнатных, используют рамочные антенны — двухэлементные и трехэлементные. Хотя они конструктивно сложнее двух- и трехэлементных антенн типа «Волновой канал», но обладают значительно большим коэффициентом усиления даже по сравнению с пятизлементными антеннами и лишены их недостатков. Рамочные антенны хорошо согласуются с фидером, поэтому их рекомендуют использовать в тех случаях, когда антенна «Волновой канал» не дает достаточно хороших результатов. Рамочные антенны получили широкое распространение также в условиях дальнего приема телевидения за границей зоны прямой видимости, для чего несколько таких антенн соединяются в синфазную систему. Это приводит к еще большему коэффициенту усиления и позволяет уверенно принимать такие слабые сигналы, принять которые другими антеннами практически оказывается невозможно.
Антенны «Волновой канал» и рамочные относятся к узкополосным и способны принимать сигнал только по одному каналу, которому соответствуют размеры элементов антенны. При развитии многопрограммного телевещания возникла необходимость приема нескольких программ, передаваемых по разным каналам. Для этого разработаны широкополосные антенны, способные примерно одинаково принимать группу каналов. К таким антеннам относятся зигзагообразные, логопериодические и «бегущей волны». Там, где возможен прием нескольких программ, устанавливается широкополосная коллективная антенна или несколько антенн, рассчитанных на соответствующие частотные каналы, а также один широкополосный антенный усилитель или несколько для разных каналов. Типы антенн и усилителей подбирают так, чтобы гарантировать уверенный прием всех программ, принимаемых в данном населенном пункте, всеми абонентами, подключенными к этой коллективной антенне. Необходимо лишь отметить, что коэффициент усиления широкополосных антенн, как правило, значительно меньше, чем узкополосных, а соединить несколько широкополосных антенн в синфазную систему не удается из-за невозможности согласования такой системы во всем диапазоне частот. Это ограничивает возможности использования широкополосных антенн, допуская их применение только там, где напряженность поля сигналов по всем принимаемым каналам достаточно велика.
Большинство отечественных телецентров и ретрансляторов ведут телевизионные передачи при горизонтальной поляризации сигнала. Приводимые в дальнейшем эскизы различных антенн рассчитаны именно на горизонтальную поляризацию. Однако некоторые ретрансляторы ведут свои передачи при вертикальной поляризации сигнала. Это требует поворота антенны на 90° вокруг горизонтальной оси, направленной на передатчик.
4.2. ПРОСТЕЙШИЕ АНТЕННЫ
4.2. ПРОСТЕЙШИЕ АНТЕННЫ
Простейшей телевизионной антенной, как уже было сказано, является разрезной полуволновый вибратор. Конструкция такой антенны показана на рис. 4. 1.
Рис. 4. 1. Разрезной полуволновой вибратор
Активная часть антенны — полуволновый вибратор — образована двумя металлическими трубками диаметром 15. 20 мм. Плечи вибратора четырьмя длинными шурупами (или винтами с гайками) через изоляционные втулки из пластмассы или с помощью обычных роликов крепятся на горизонтальной перекладине, установленной на вершине металлической или деревянной мачты. Перекладина обязательно должна быть изготовлена из изоляционного материала. Может быть использовано сухое дерево с покраской в несколько слоев масляной краской. Под головки шурупов или винтов подкладывают изоляционные шайбы, а отверстия в трубках вибратора делают диаметром, немного большим диаметра шурупов или винтов, чтобы они не касались трубок. Концы трубок нужно сплющить или вложить внутрь заглушки из дерева, чтобы предотвратить попадание влаги, а также свист, возникающий при сильном ветре. В принципе, трубки вибратора могут быть выполнены из любого металла, однако предпочтительнее медь или латунь, к которым легко припаять симметрирующее устройство.
Симметрирующее устройство, показанное на том же рисунке, выполняют в виде четвертьволнового симметрирующего шлейфа из того же кабеля, из которого выполнен фидер. Расстояние между фидером и шлейфом должно быть выдержано постоянным по всей длине шлейфа. Для этого можно использовать гетинаксовые распорки. Фидер и шлейф должны подходить к концам вибратора снизу. Ниже шлейфа фидер можно изгибать в нужную сторону и крепить к мачте любым способом, но в пределах шлейфа изгибы нежелательны. Если используется металлическая мачта, она не должна оказаться в пространстве между шлейфом и фидером.
Размеры антенны (В) и симметрирующего шлейфа (Ш) для любого из 12 метровых каналов сведены в табл. 4. 1. Размеры перекладины, расстояние между ней и вибратором, а также расстояние между втулками выбирают произвольно.
Таблица 4. Размеры антенны разрезной полуволновый вибратор
Как отмечалось ранее, коэффициент усиления разрезного полуволнового вибратора равен 0 дБ, диаграмма направленности имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости (т. е. вибратор одинаково принимает сигнал и спереди, и сзади) и форму окружности в вертикальной плоскости (т. е. вибратор одинаково принимает сигнал с любых углов места).
Антенна более простои конструкции — петлевой вибратор, называемый также шлейф-вибратор Пистолькорса, показана на рис. 4. 2.
Рис. 4. 2. Петлевой вибратор
Оба плеча этого вибратора выполнены в виде коротко замкнутых шлейфов с длиной каждого, приблизительно равной 1/4 длины волны. Середина верхней неразрезанной части вибратора является точкой нулевого потенциала, что позволяет в этой точке крепить вибратор к металлической мачте без изоляции.
Петлевой вибратор выполняют из тех же материалов, что и разрезной. Радиус закругления концов петлевого вибратора не имеет значения. В точках питания концы трубок можно расплющить. Коэффициент укорочения полуволнового петлевого вибратора значительно меньше зависит от диаметра трубки, чем коэффициент укорочения разрезного вибратора. Поэтому длина петлевого вибратора, выполненного из трубок диаметром 10. 20 мм, практически остается неизменной. Механическое соединение петлевого вибратора с мачтой можно выполнять любым способом: сваркой, заклепочным или винтовым соединением без изоляции.
Входное сопротивление петлевого вибратора составляет 292 Ома, но обычно приближенно его считают равным 300 Ом. Некоторые из первых отечественных телевизионных приемников имели симметричный антенный вход с входным сопротивлением также 300 Ом, и с такими телевизорами петлевой вибратор мог соединяться симметричным высокочастотным кабелем КАТВ с волновым сопротивлением 300 Ом. Для подключения к петлевому вибратору 75-омного коаксиального кабеля необходимо симметрирующе-согласующее устройство в виде полуволновой петли, которое показано также на рис. 4. 2. Полуволновая петля уменьшает входное сопротивление антенны в 4 раза, ее выполняют из кабеля любой марки. Длина петлевого вибратора В и длина петли в развернутом. виде П для любого метрового канала приведены в табл. 4. 2.
Таблица 4. 2 Размеры антенны полуволновый петлевой вибратор
Если разрезной вибратор узкополосный и может принимать сигналы только того канала, на который рассчитана его длина, то петлевой вибратор имеет более широкую полосу пропускания. Поэтому он может удовлетворительно принимать сигналы по двум-трем каналам, соседним по частоте. При этом необходимо иметь в виду, что второй и третий, пятый и шестой каналы не являются соседними по частоте, между ними значительный частотный интервал, как видно из табл. 1. 1.
Вместо четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа симметрирование полуволнового разрезного вибратора можно осуществить с помощью устройства на ферритовом кольце, которое показано на рис. 3. 5, а. Так же симметрирование и согласование с фидером петлевого вибратора можно выполнить без полуволновой петли с помощью такого же устройства на ферритовом кольце, но подключение этого устройства произвести согласно рис. 3. 5, 6. Такое симметрирование и согласование более компактно. Однако во втором случае сложнее герметизация, необходимая для наружной антенны во избежание попадания влаги. В то же время шлейф или петля в герметизации не нуждаются.
Обе рассмотренные антенны (полуволновые разрезной и петлевой вибраторы) ориентируются по направлению на передатчик так, чтобы они располагались в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Однако ориентирование должно контролироваться по изображению на экране телевизора, которое должно иметь максимальную четкость по горизонтали и устойчивую синхронизацию, контрастность же картинки не обязательно должна получаться максимальной. Лучше всего ориентировать антенну при приеме телевизионной испытательной таблицы.
Простейшие антенны в диапазоне дециметровых волн обычно не применяют, так как в этом диапазоне требуется получить от антенны ощутимое усиление из-за меньшей напряженности поля.
Рис. 4.1. Разрезной полуволновой вибратор
Рис. 4.2. Петлевой вибратор
Таблица 4. Размеры антенны разрезной полуволновый вибратор
Таблица 4.2 Размеры антенны полуволновый петлевой вибратор
4.3. АНТЕННЫ "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ"
4.3. АНТЕННЫ «ВОЛНОВОЙ КАНАЛ»
Антенны типа «Волновой канал» получили широкое распространение в различных профессиональных устройствах радиосвязи и радиолокации. Большинство телевизионных коллективных и индивидуальных антенн
промышленного изготовления также являются антеннами типа «Волновой канал». Это связано с тем, что такие антенны достаточно компактны и обеспечивают получение большого коэффициента усиления при сравнительно небольших габаритах. Иногда антенну «Волновой канал», особенно в зарубежной литературе, называют антенной Уда — Яги по имени впервые описавших ее японских изобретателей.
Антенна «Волновой канал» представляет собой набор элементов:
активного — вибратора и пассивных — рефлектора и нескольких директоров, установленных на одной общей стреле.
Принцип действия антенны в следующем. Вибратор определенной длины, находящийся в электромагнитном поле сигнала, резонирует на частоте сигнала, и в нем наводится ЭДС. В каждом из пассивных элементов также наводится ЭДС, и они переизлучают вторичные электромагнитные поля. Эти вторичные поля, в свою очередь, наводят дополнительные ЭДС в вибраторе. Размеры пассивных элементов и их расстояния от вибратора должны быть выбраны такими, чтобы дополнительные ЭДС, наведенные в вибраторе вторичными полями, были в фазе с основной ЭДС, наведенной в нем первичным полем. Тогда все ЭДС будут складываться арифметически, обеспечив увеличение эффективности антенны по сравнению с одиночным вибратором. Для этого рефлектор делается немного длиннее вибратора, а директоры — короче.
Симметричное расположение элементов антенны относительно направления на передатчик создает условия для сложения наведенных ЭДС в вибраторе только для сигнала, приходящего с главного направления. Сигналы, приходящие под углом к главному направлению, создают в вибраторе ЭДС, сдвинутые по фазе относительно основного, и поэтому складываются алгебраически так, как складываются векторы. Их векторная сумма получается меньше арифметической. Сигнал же, приходящий с заднего направления, создает в вибраторе наведенные ЭДС, противофазные основной, и они вычитаются. Таким образом, обеспечивается направленное свойство антенны, формируется узкая диаграмма ее направленности, что соответствует увеличению коэффициента усиления.
Элементы антенн «Волновой канал», которые будут рассмотрены ниже, расположены в пространстве горизонтально, и такие антенны используют для приема сигналов с горизонтальной поляризацией, когда вектор напряженности электрического поля Е также горизонтален. Для приема сигналов с вертикальной поляризацией антенна должна быть повернута на 90° так, чтобы ее элементы стали вертикальными.
В связи с тем, что элементы антенны расположены в разных точках пространства, фазы наведенных в них первичным полем ЭДС будут зависеть от координат каждого элемента и их размеров, так как от длины элемента зависит его резонансная частота, а фаза наведенной ЭДС зависит от настройки элемента. Нужно также учесть, что телевизионный сигнал занимает сравнительно широкую полосу частотного спектра, и свойства антенны должны быть хотя бы примерно одинаковыми для всей полосы частот принятого сигнала. Наконец, для хорошего согласования антенны с фидером ее входное сопротивление должно иметь чисто активный характер. Отсюда становится ясно, насколько сложно проектирование антенн типа «Волновой канал», особенно при большом количестве элементов антенны.
В настоящее время разработано множество вариантов таких антенн с разным числом директоров различных размеров и с различным расстоянием между ними. Процесс проектирования многозлементной антенны типа «Волновой канал» вообще не однозначен. Перед проектировщиком, могут быть поставлены разные задачи: либо добиться максимального коэффициента усиления антенны, либо — максимального коэффициента защитного действия, либо — наименьшей неравномерности коэффициента усиления в полосе принимаемых частот, либо — минимального уровня боковых лепестков диаграммы направленности или другие факторы. Кроме того, в процессе проектирования некоторыми размерами антенны приходится задаваться, а остальные получать в результате расчета. Этим объясняется то, что в разных источниках литературы приводятся различные размеры элементов антенн при одинаковом их числе. К сожалению, в литературе при описаниях антенн отсутствуют сведения о том, какие исходные данные были положены в основу проектирования данной конкретной антенны. Следует также учесть, что большинство вариантов многозлементных антенн «Волновой канал» подобрано экспериментальным путем, что сильно осложняет возможности повторяемости таких конструкций.
Многоэлементная антенна «Волновой канал», по принципу работы аналогичная многоконтурному полосовому фильтру, нуждается в тщательной настройке элементов. Известно, что как бы точно ни были подобраны индуктивности катушек и емкости конденсаторов многоконтурного фильтра, он подлежит обязательной настройке по приборам в связи с тем, что невозможно заранее учесть разбросы различных паразитных параметров, таких как емкости монтажа и индуктивности рассеяния, активные сопротивления катушек на высокой частоте и сопротивления потерь конденсаторов, индуктивности и сопротивления соединительных проводников. Аналогично и при изготовлении многоэлементной антенны «Волновой канал»: даже точное соблюдение всех ее размеров не избавляет от необходимости выполнения тщательной настройки по приборам, так как невозможно учесть разбросы в ее конструкции, такие как непараллельность элементов в горизонтальной плоскости, скручивание несущей стрелы, неизбежное под нагрузкой из-за того, что всегда имеется неоднородная по длине трубы эллиптичность ее сечения, а скручивание стрелы приводит к тому, что элементы антенны уже не находятся в одной плоскости. Определенное влияние на работу антенны, которое невозможно учесть, оказывают находящиеся поблизости местные предметы, металлические и неметаллические. Наконец, невозможно абсолютно точно выдержать все размеры, всегда будут отклонения в пределах допусков, а при изменениях окружающей температуры эти отклонения увеличиваются.
Антенну следует настраивать изменением длины каждого элемента и расстояний между ними при контроле формы диаграммы направленности, значения и характера входного сопротивления антенны. Настройка требует специальных полигонных условий, исключающих влияние местных предметов, и специальных приборов: генератора метрового или дециметрового диапазона волн достаточно большой мощности, индикатора напряженности поля, измерителя полных сопротивлений антенн. Не всегда в процессе настройки удается одновременно добиться того, чтобы входное сопротивление антенны было чисто активным и имело нужное значение.
Приходится мириться с полученным значением входного сопротивления антенны при его чисто активном характере. Но при этом кроме настройки антенны приходится также дополнительно осуществлять настройку ее согласования с фидером. Многоэлементные антенны «Волновой канал», используемые в профессиональной аппаратуре, подлежат обязательной индивидуальной настройке на заводе, а в состав аппаратуры входит устройство, позволяющее корректировать согласование антенны с фидером в процессе эксплуатации.
Радиолюбители, занимающиеся постройкой многоэлементных антенн типа «Волновой канал», конечно, не имеют возможности выполнить даже приблизительную настройку антенны, а большинство из них полагает, что антенна, изготовленная точно по чертежам, должна обеспечивать нормальную работу. К сожалению, дело обстоит совсем наоборот. Чем больше элементов содержит антенна, тем сложнее ее настройка и, с другой стороны, тем хуже оказываются фактические характеристики ненастроенной антенны. В первую очередь при расстройке антенны страдает ее диаграмма направленности. Она становится асимметричной, максимум ее главного лепестка отклоняется от оси антенны, расширяются боковые и задний лепестки. В связи с тем, что ухудшается соотношение между площадью главного лепестка и площадью остальных лепестков, падает коэффициент усиления антенны. Входное сопротивление антенны приобретает значительную реактивную составляющую, а его активная составляющая сильно отличается от номинального значения, которое она должна иметь по паспорту. В результате сильно нарушается согласование антенны с фидером. Это приводит к тому, что значительная часть энергии сигнала, принятого антенной, отражается от фидера и излучается обратно в пространство, не поступая на вход телевизионного приемника. Таким образом, резко ухудшаются все без исключения характеристики антенны, подобно тому, как радиоприемник с расстроенными контурами не обладает ни нужной чувствительностью, ни нужной избирательностью. Порой такой приемник вообще не способен принимать радиосигналы. Всем этим объясняются частые разочарования радиолюбителей, которые, построив и установив сложную многоэлементную антенну типа «Волновой канал», сталкиваются с тем, что не получают ожидаемых результатов.
Практика показывает, что антенна «Волновой канал» не нуждается в настройке и обеспечивает получение паспортных характеристик, если она содержит не более трех элементов: вибратор, рефлектор и только один директор. Коэффициент усиления такой антенны составляет 6 дБ, что вполне достаточно для ее использования в зоне ближнего приема. Если же такого коэффициента усиления окажется недостаточно, радиолюбителям не рекомендуется заниматься постройкой многоэлементных антенн типа «Волновой канал», а следует отдать предпочтение антеннам других типов, которые могут обеспечить получение больших коэффициентов усиления и не нуждаются в настройке.
Следует отметить еще одну неприятность, связанную с использованием многоэлементных антенн типа «Волновой канал». Обычно эти антенны содержат петлевой вибратор Пистолькорса. Сам петлевой вибратор имеет входное сопротивление около 300 Ом и хорошо согласуется с фидером из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом путем применения полуволновой петли. Петля уменьшает входное сопротивление в 4 раза, с 300 до 75 Ом, и обеспечивает симметрирование. При добавлении к петлевому вибратору пассивных элементов входное сопротивление антенны в значительной мере уменьшается. Так, входное сопротивление пятиэлементной антенны в зависимости от ее размеров может находиться в пределах 40. 120 Ом. Будучи дополнительно уменьшенным в 4 раза полуволновой петлей, оно падает до 10. 30 Ом, что приводит к резкому рассогласованию антенны с фидером. За счет отражения значительной части энергии принятого сигнала и ее излучения обратно в пространство значительно уменьшается коэффициент усиления антенны. В условиях высокого уровня напряженности поля на небольшом расстоянии от передатчика такая потеря усиления антенной не опасна: главной задачей остается защита от помех за счет узкой диаграммы направленности. Однако если многоэлементную антенну устанавливали из-за того, что более простая антенна оказалась недостаточно эффективной, такое решение оказывается ошибочным. Дело осложняется тем, что в литературе при описании многоэлементных антенн «Волновой канал» не указываются значения их входного сопротивления, так как оно очень сильно зависит от настройки антенны. Измерить же входное сопротивление антенны в любительских условиях достаточно трудно, а не зная его, невозможно правильно выбрать схему согласующего устройства.
Двухэлементные антенны «Волновой канал» применяют редко, так как их характеристики ненамного лучше характеристик одиночного вибратора. Поэтому рассмотрим трехэлементную антенну, которая показана на рис. 4. 3.
Рис. 4. 3. Трехэлементная антенна «Волновой канал»
Элементы антенны выполнены из металлической трубки диаметром 12-20 мм. Мачта и стрела могут быть металлическими. При этом элементы антенны должны быть надежно электрически соединены со стрелой с помощью пайки или сварки. Если стрела выполняется из изоляционного материала, специально соединять между собой элементы антенны не нужно. Расположение элементов антенны соответствует горизонтальной поляризации сигнала. Если необходимо принимать сигнал с вертикальной поляризацией, антенна поворачивается так, чтобы ее элементы заняли вертикальное положение. Однако при этом верхняя часть мачты длиной, примерно равной длине рефлектора, должна быть выполнена из изоляционного материала. Подключение фидера производится с помощью полуволновой петли, как это показано на рис. 4. 2. Входное сопротивление антенны рекомендуемых размеров примерно составляет 150 Ом, поэтому имеется рассогласование антенны с фидером. Однако в условиях ближнего приема более важным является то, что суженная по сравнению с одиночным вибратором диаграмма направленности ослабляет прием помех с других направлений и отраженных сигналов.
Размеры антенны и длина петли в развернутом виде приведены в табл. 4. 3.
Таблица 4. 3 Размеры трехэлементной антенны «Волновой канал», мм
Коэффициент усиления трехэлементной антенны «Волновой канал» указанных размеров составляет 5, 1. 5, 6 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала на выходе антенны в 1, 8. 1, 9 раз по сравнению с одиночным полуволновым вибратором. Угол раствора главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности составляет 70°. Трехэлементная антенна, установленная на мачте высотой 15. 20 м, при равнинной местности может обеспечить нормальный прием телевизионных передач на расстоянии до 60 км от передатчика мощностью 5 кВт при высоте передающей антенны 200 м.
На рис. 4. 4 представлена пятиэлементная антенна «Волновой канал». От трехэлементной антенны она отличается двумя дополнительными директо-
Рис. 4. 4. Пятиэлементная антенна «Волновой канал»
рами и размерами элементов. В связи с пониженным входным сопротивлением антенны, которое из-за неизбежной расстройки даже приблизительно указать невозможно, фидер к антенне следует подключать с помощью четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, показанного, на рис. 4. 1. Размеры этой антенны приведены в табл. 4. 4.
Таблица 4. 4 Размеры пятиэлементной антенны «Волновой канал», мм
Коэффициент усиления пятиэлементной антенны при условии ее точной настройки для указанных размеров составляет примерно 8, 6. 8, 9 дБ, что соответствует увеличению сигнала на выходе антенны в 2, 7. 2, 8 раз по сравнению с одиночным полуволновым вибратором. Угол раствора диаграммы направленности по половинной мощности составляет 50°. Если антенна не настраивалась, ее параметры могут оказаться хуже, чем у трехэлементной антенны.
Помимо пятиэлементных разработаны и в некоторых литературных источниках публикуются размеры семиэлементных, одиннадцатиэлементных антенн «Волновой канал», а также с еще большим числом элементов. Такие антенны здесь не рассматриваются по следующим причинам. Как уже отмечалось, без тщательной настройки такие антенны, даже выполненные точно по чертежам, обладают плохими характеристиками. Кроме того, с увеличением числа элементов сужается полоса пропускания антенны. Так, полоса пропускания семиэлементной антенны типа «Волновой канал» составляет примерно 5 % частоты, на которую она настроена. Поэтому при приеме сигнала по первому частотному каналу (средняя частота 52, 9 МГц) полоса пропускания антенны составит всего 2, 65 МГц, т. е. значительно меньше полосы частот, занимаемой спектром телевизионного сигнала, которая примерно равна 7 МГц. Даже на пятом канале полоса пропускания этой антенны оказывается недостаточной. А если в диапазоне 6-12-го каналов или в дециметровом диапазоне полоса пропускания многоэлементной антенны оказывается достаточно широкой, из-за неизбежной расстройки такие самодельные антенны оказываются бесперспективными. Наконец, в условиях ближнего приема нет никакой необходимости в установке таких сложных антенн.
Что касается дальней части зоны прямой видимости или зоны полутени, то там необходимо использовать антенны с повышенным или большим
коэффициентом усиления, который расстроенная антенна обеспечить не может, и для получения такого коэффициента усиления приходится использовать синфазное соединение нескольких сравнительно простых антенн, которые не нуждаются в настройке и хорошо согласуются с фидером.
Согласование петлевого вибратора Пистолькорса. Шлейф-вибратор, антенна для радио, ТВ и WiFi
Сегодня мы поговорим о петлевом вибраторе Пистолькорса, о его преимуществах и о согласовании с кабелем.
Создателем петлевого шлейф-вибратора является Александр Александрович Пистолькорс, который помимо петлевого вибратора внес немалый вклад в развитие науки и радиотехники.
Петлевой вибратор состоит из двух соединённых на концах полуволновых отрезков полотна. Распределение тока в нём такое же, как в диполе и как в любом другом петлевом вибраторе.
При близком расположении полуволновых элементов, т.е. когда шлейф узкий, усиление и диаграмма направленности такие же как у диполя.
Так в чём же его преимущества, спросите Вы?
Во-первых, в центре петлевого вибратора мы имеем точку нулевого потенциала. Это означает, что в этой точке его можно без опасений соединять с металлической несущей конструкцией.
Кабель подключается к центру разомкнутой половины вибратора. При этом сам кабель можно пропускать внутри трубки вибратора.
Эти два конструктивных момента на практике будут очень полезны.
Второе преимущество – это высокое входное сопротивление. В многоэлементных антеннах Яги входное сопротивление уменьшается с ростом количества элементов. Чтобы компенсировать падение входного сопротивления многоэлементных директорных антенн, в качестве активного вибратора используют именно шлейф-вибратор Пистолькорса.
Но кроме того, что его сопротивление само по себе высоко, его ещё и можно регулировать, изменяя толщину трубок и расстояние между половинами шлейфа. Утолщая трубки и раздвигая половины вибратора, приближая его к форме квадратной рамки, мы уменьшаем входное сопротивление.
При этом вибратор остаётся относительно широкополосным, а с ростом расстояния между сторонами, становится ещё и направленным.
Из-за всех этих преимуществ, мы так часто встречаем его в качестве активного элемента в антеннах Яги.
При наличии высокоомного кабеля шлейф-вибраторы становятся идеальными элементами для создания синфазных решёток. Четыре шлейф-вибратора дают суммарное сопротивление ровно 75 Ом.
Просто подключаем их параллельно высокоомным кабелем и решетка готова.
Очень оправдано создание вертикальных стеков, коллинеарных систем.
Уже два петлевых вибратора дают плоскую по горизонту диаграмму направленности, а четыре вибратора – ещё сильнее уплощают ДН. Получить усиление выше 10 dBi таким образом очень легко.
Но если Вы решили подключать одиночный 300-омный вибратор к 75-омному кабелю, то Вам необходимо применить согласующий трансформатор 1:4.
Чаще всего применяют U-колено либо четвертьволновый симметричный шлейф.
Про U-колено на канале есть отдельный ролик, посмотрите его обязательно.
Вкратце, U-колено – это полуволновый отрезок кабеля.
Оплётками он с двух концов припаивается к оплетке фидера и к точке нулевого потенциала шлейф-вибратора, если есть необходимость его заземлить.
Центральная жила U-колена с одной стороны припаивается к одному входному контакту петли Пистолькорса, а с другой стороны – к противоположному контакту и к центральной жиле фидера.
U-колено рекомендуется хорошо прижать к фидеру, чтобы оно само не образовывало петлевую антенну и не ловило помехи.
Но есть и другой тип согласующего устройства. Это трансформатор 1:4 на четвертьволновых отрезках длинных линий. Он по своей сути очень похож на ферритовый трансформатор 1:4.
По входу отрезки соединяются параллельно, по выходу – последовательно. С той стороны где они соединены последовательно сопротивление в 4 раза выше.
Друзья, если считаете ролик полезным, поддержите канал комментарием, лайком и репостом. Подписывайтесь, смотрите другие видео на канале, изучайте материалы в описании.