Зигзагообразные антенны
Константин Павлович ХАРЧЕНКО
Условия приема телевидения предъявляют к антеннам самые разнообразные требования, причем нередко противоречивые. Например: обеспечение высокого коэффициента направленного действия (КНД) при малых размерах антенны; обеспечение широкополосности антенны и высокой степени согласования ее с фидером; обеспечение низкого уровня обратного излучения антенны и небольшой парусности. Иными словами, при выборе антенны, как правило, приходится искать компромиссное решение для того, чтобы получить требуемые электрические параметры при возможно меньших размерах, весе и стоимости антенного устройства. Конструкция антенны является одной из важных характеристик наряду со всеми прочими параметрами.
Зигзагообразные антенны сравнительно просты по конструкции, изготавливаются из недефицитных материалов с помощью несложного инструмента. Из существующих типов зигзагообразных антенн радиолюбитель может выбрать один из вариантов, наиболее лодходящий к имеющимся у него условиям приема.
В основе любого из этих вариантов лежит антенное полотно. Оно состоит из восьми замкнутых между собой одинаковых проводников, образующих две ромбовидные ячейки (рис. 1,а). В общей вершине этих ячеек расположены точки присоединения (а—а) кабеля снижения (фидера антенны).
Рис. 1,а,б,в. Распределение токов в плечах антенны.Для формирования диаграммы направленности антенн необходимо, чтобы элементы ее были сфазированы и разнесены относительно друг друга на определенные расстояния. При этом в случае обычных вибраторных решеток, в которых каждый вибратор, входящий в решетку, активен, возникают трудности в согласовании с фидером, особенно в некотором диапазоне частот.
Зигзагообразное полотно в силу особенности своей конструкции имеет одну пару точек (a—а), к которым непосредственно и подключается фидер.
В точках (n—n) нет разрыва проводников полотна антенны, поэтому здесь всегда имеется пучность тока (соответственно нуль напряжения), независимо от длины волны. Это обстоятельство позволяет обойтись без специального симметрирующего устройства при питании коаксиальным кабелем (кабель прокладывается через точку нулевого потенциала) и делает антенное полотно диапазонным, так как полуволновые участки проводников в области точек (n—n) всегда имеют одинаковое направление токов, то есть находятся в одинаковой фазе.
Диаграммы направленности антенного полотна сохраняются приемлемыми в довольно широком диапазоне частот с перекрытием:-
где fмакс и fмин — максимальная и минимальная рабочие частоты антенны.
Таким образом, зигзагообразная антенна с одним и тем же размером полотна позволяет обеспечить прием телевизионного сигнала в пределах 1—5 каналов или 6—12 при меньших размерах элементов антенны.
На рис. 1,а схематично показано распределение тока и стрелками его направление на проводниках полотна антенны в один из моментов времени. Для наглядности взят случай, когда l=λ/4. Если разложить токи на проводниках полотна антенны по правилам векторов на горизонтальные Iг и вертикальные Iв составляющие, то нетрудно убедиться, что горизонтальные составляющие токов направлены одинаково, то есть сфазированы, а для каждой вертикальной составляющей имеется равная и противоположно ей направленная (рис. 1,б). В результате вертикальные составляющие полей взаимно компенсируются.
Благодаря такому распределению токов зигзагообразное антенное полотно эквивалентно антенной решетке из линейных сфазированных вибраторов, схематично показанных стрелками на рис.1,в.
Для частот, на которых не выполняется условие l=λ/4, распределение тока на проводниках полотна антенны более сложное. Однако и в этом случае в первом приближении сказанное выше справедливо.
Практически во всем рабочем диапазоне частот зигзагообразная антенна имеет линейную поляризацию. При этом уровень паразитной (вертикальной) составляющей поля ниже уровня основной (горизонтальной) составляющей примерно на 26 дб.
Для нормальной работы любой антенны, кроме требуемых характеристик направленности, необходимо также обеспечить согласование антенны с фидером, считая, что нагрузка (в данном случае вход телевизора) с ним уже согласована. Последнее требование для большинства типов телевизоров выполняется, когда в качестве фидеров используются коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 75 ом. Это требование в основном определяет выбор волнового сопротивления фидера.
Степень согласования антенны с фидером оценивают величиной коэффициента бегущей волны (КБВ) на входе фидера со стороны антенны.
КБВ характеризует режим работы фидера. На рис. 2 приведен график, который позволяет определить, насколько возрастают потери при неполном согласовании антенны с фидером.
Рис 2. График зависимости КБВ от степени
согласования антенны с фидеромОчевидно, что при изменении КБВ в пределах от 1 до 0,5 потери за счет рассогласования невелики по сравнению с оптимальным случаем, когда КБВ равен 1.
Величина КБВ приближается к 1 по мере того, как значения входного сопротавления антенны приближаются к значению волнового сопротивления фидера. Поэтому желательно иметь входное сопротивление антенны близким к этой величине, в нашем случае — 75 ом.
Входное сопротивление зигзагообразной антенны в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено ее полотно. Для того чтобы КБВ имел значение > 0,5 во всем рабочем диапазоне частот, диаметр цилиндрических проводников полотна антенны должен быть порядка (0,016—0,02)λмакс, что составляет на частотах 1—5 каналов — 100...120 мм и на частотах 6—12 каналов — 27...34 мм.
Выполнить практически такое полотно для 6—12 каналов вполне возможно, а для 1—5 каналов — затруднительно.
В первых пяти каналах для облегчения конструкции полотна антенны цилиндрические проводники заменяют плоскими (пластинами). Для 6—12 каналов полотно антенны также можно выполнить из плоских проводников.
В целях уменьшения веса и парусности сплошную металлическую пластину желательно в свою очередь заменить проводником, эквивалентным ей по электрическим параметрам и выполненным из ряда параллельных проводов. Нужно иметь в виду, что увеличение поверхности проводников полотна способствует согласованию антенны с 75-омным фидером.
Вариант такой антенны показан на рис. 3. Антенна рассчитана на работу в первых пяти каналах (50—100) Мгц. Деревянный брусок 1 сечением 60х60 мм2 служит одновременно центральной стойкой антенны и мачтой. К бруску под углом 90° прикреплены две рейки 2 сечением 40х40 мм2.
Рис. 3. Вариант антенны, полотно которой выполнено из проводовВерхняя рейка укрепляется на расстояний не менее 1100 мм от вершины стойки. Непосредственно к стойке снизу и сверху реек крепят две металлические планки 3; такие же планки 4, но через диэлектрические прокладки 5 (например из органического стекла), устанавливают на концах реек.
Диэлектрические прокладки можно заменить изоляторами от осветительной сети.
Плата 7, к которой присоединяется кабель снижения, размещена посередине между рейками. Она состоит из двух закругленных металлических пластин, собранных на диэлектрической прокладке 10 (рис. 4).
Рис. 4. Плата подсоединения фидера.После установки пластин 3, 4 и платы 7 натягивают полотно антенны, которое состоит из трех параллельных друг другу зигзагообразных проводов 6 диаметров 2—3 мм (или антенного канатика). В местах изгиба провода припаивают к планкам и пластинам платы 7, а между изгибами проводники полотна антенны перемыкают между собой.
Кабель 8 подвязывают к центральной стойке и по одному из внутренних проводов полотна антенны прокладывают к месту присоединения. Оплетку кабеля припаивают к пластине, соединенной с проводом, к которому он подвязан, а центральный проводник кабеля — к противоположной пластине. Размеры деталей, не указанные на рис.3, можно выбирать произвольными. Электрические параметры антенны приведены на рис. 5.
Рис. 5. Электрические параметры антенны.Кривая 1 характеризует КБВ в кабеле с волновым сопротивлением 75 ом в рабочем диапазоне частот (/ — длина полотна антенны, измеренная между двумя соседними изгибами). Кривая 2 определяет значения КНД антенны.
При установке антенны на крыше здания оттяжки не следует располагать вблизи полотна антенны. Для уменьшения их влияния на диаграмму направленности антенны оттяжки следует прерывать изоляторами. Расстояние между соседними изоляторами должно быть порядка λмин/4.
Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский рефлектор. Он не пропускает высокочастотную энергию в заднее полупространство. Чем толще проводники, из которых выполнен рефлектор, и чем ближе они расположены друг к другу, тем меньшую часть падающей энергии пропускает рефлектор.
Однако по конструктивным соображениям не следует делать рефлектор слишком плотным.
Практически достаточно, чтобы расстояние между проводниками диаметром 2—3 мм не превышало 0,05—0,1 от минимальной длины волны λ рабочего диапазона.
Проводники рефлектора должны быть расположены горизонтально, а их длина определяется максимальной длиной волны рабочего диапазона. Она должна быть несколько больше половины длины этой волны.
Элементы (из металла или диэлектрика), предназначенные для крепления проводников рефлектора, практически не влияют на его работу, если расположены в плоскости самого рефлектора или за ним. Проводники рефлектора можно соединять между собой при необходимости в любом месте (в частности, провода рефлектора можно приварить или припаять к металлической раме). Во избежание дополнительных помех не следует оставлять в антенне места, в которых проводники под действием ветра могли бы тереться либо касаться друг друга.
Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 6. Размеры антенны даны для приема 1—5 каналов. Само антенное полотно в данном варианте аналогично показанному на рис.3. Рефлектор состоит из ряда горизонтальных проводов, припаянных к двум вертикальным. Последние растянуты с помощью реек, закрепленных кронштейнами к мачге.
Рис. 6. Антенна с рефлектором.Расстояние от полотна антенны до рефлектора заметно влияет на два основных параметра антенны: на КНД и на степень согласования антенны с питающим фидером, характеризуемую величиной КБВ.
Увеличение этого расстояния приводит к росту значений КБВ, но снижает направленность антенны в верхней части ее рабочего диапазона. Приближение экрана к полотну антенны улучшает направленные свойства системы, но снижает КБВ. Расстояние между полотном антенны и рефлектором выбирают на практике в пределах (от 0,14 до 0,18)λмакс.
Диаграммы направленности антенны с экраном в плоскостях поляризации E и H примерно одинаковы почти во всем рабочем диапазоне частот.
Угол раскрыва диаграмм направленности по уровню половинной мощности — порядка 60°. С достаточной точностью можно рассчитать диаграммы направленности антенны с экраном по сравнительно простой приближенной формуле:
где φ — угол, отсчитываемый от нормали к плоскости рефлектора;
λ — длина волны, м
S — расстояние между полотном антенны и рефлектором, м;
L — вертикальная диагональ ячейки полотна антенны.Экран увеличивает КНД полотна антенны примерно в два раза.
Для ещё большего увеличения направленных свойств антенны их объединяют в фазированные антенные решетки.
Однако по мере удаления от телецентра снижается уровень телевизионного сигнала и возникает необходимость в применении все более направленных антенн.Для их построения нужно объединять в систему несколько сравнительно слабо направленных антенн. При этом возникают осложнения в системе питания, а также при креплении и регулировке устройства в целом и т. п. Наиболее простую синфазную решетку можно построить, использовав две зигзагообразные антенны с экраном.
Распределение знергии между ними осуществляется по широко используемой схеме Надененко.
Эта схема обеспечивает равенство токов (по фазе и амплитуде) в точках питания антенн независимо от длины волны, не нарушая тем самым диапазонных свойств антенны. Чтобы выполнить такую схему питания решетки, состоящей из двух антенн, необходимо сделать тройник. Он объединяет три кабеля (рис.7). Один из них коаксиальный (РК-1 или РК-3) является питающим фидером, два других (РК-50 или РК-150)—распределительные. Они идут от тройника к точкам питания антенн, входящих в решетку.
Рис. 7. Соединяющий тройник.К распределительным кабелям предъявляют три требования: их электрические длины должны быть строго одинаковы; волновые сопротивления равны; величина волнового сопротивления должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить максимальный коэффициент бегущей волны в фидере снижения. В данном случае длины распределительных кабелей определяются геометрическими размерами антенной системы, а их волновые сопротивления должны быть порядка 150 ом.
Конструктивно тройник представляет собой металлическую коробку в форме куба. В трех стенках коробки делают отверстия по диаметру изоляции кабелей. Перед сборкой тройника с концов кабелей удаляют наружную полихлорвиниловую оболочку и расплетают оголенную часть экрана. Равные концы кабелей (центральные проводники в изоляции) вставляют в отверстия на стенках коробки. Расплетенные экраны кабелей припаивают к соответствующим стенкам тройника. После этого следует потянуть за кабели и «выбрать люфты» для того, чтобы возможные механические усилия были приложены к экранам кабелей и не могли передаться на центральные проводники.
В центре коробки тройника центральные проводники кабелей следует соединить и спаять между собой. После сборки коробку закрывают металлической крышкой и запаивают. При этом необходимо обратить внимание на герметизацию тройника.
Антенны, образующие решетку, можно располагать относительно друг друга двояко: в плоскостях электрического Е или магнитного Н векторов напряженности поля. Антенная система первого типа схематично показана на рис. 8, второго типа — на рис. 9.
Рисю 8. Антенная система для поля типа Е.
Рис. 9. Антенная система для поля типа Н.Следует обратить особое внимание на прокладку и подключение распределительных кабелей к антенне. Для соблюдения правильной фазировки антенн экраны обоих распределительных кабелей нужно подключать к правым (или левым) половинам антенного полотна, а их центральные проводники соответственно к левым (или правым). Ошибки в подключении не должно быть, иначе антенная система не будет работать. Длины распределительных кабелей от тройника до точек присоединения к антенне должны быть одинаковы.
Антенные решетки как первого, так и второго типов широкополосны и перекрывают диапазон частот с 1 по 5-й канал включительно.
Для работы в диапазоне всех двенадцати телевизионных каналов необходимы две антенны. Размеры работоспособных антенн минимально возможных габаритов (см. рис. 8 и рис. 9) сведены в табл. 1.
Таблица 1
Каналы
1—5
6-12
Для решетки Е, мм
l
1200
343
de
4980
1420
dH
3500
1000
S
600
170
dc
1920
550
Для решетки Н, мм
l'
1200
343
d'E
3000
860
d'H
7000
2000
S'
600
170
Следует иметь в виду, что если прием ведется не на длинноволновых каналах, размеры антенной системы можно уменьшить. Для этого их нужно пересчитать, взяв за исходную величину минимальную частоту fмакс используемого диапазона, например, третьего канала. Для пересчета необходимо взять значение прежнего размера, умножить его на минимальную частоту первого телевизионного канала и разделить на fмин. Однако при этом вместе с размерами антенной системы уменьшится и её КНД. В нашем примере антенна будет иметь КНД на 3 канале такой же, каким он был до пересчета её размеров на 1 канале. Антенные решетки типа Е и типа H неравноценны по своим электрическим и конструктивным параметрам.
Решетка Е имеет лучшее согласование с кабелем, особенно в диапазоне 1-го канала. Благодаря этому ее полотно можно выполнить из проводников меньшего поперечного сечения, без опасения существенно снизить КБВ в области 50 Мгц. Кроме того, антенная решетка Е более компактна.
Сравнение антенных решеток различных типов показывает, что КНД решетки Н (рис. 10, кривая 2) заметно выше, чем решетки Е (кривая 1) соответственно для одних и тех же рабочих частот.
Рис. 10. Сравнительные данные для антенны типа Е (кривая 1) и типа Н (кривая 2).Требования к точности направления антенны на телецентр для решетки Е более жесткие, так как ее диаграммы направленности в горизонтальной плоскости в 1,5—2 раза уже, чем решетки H на соответствующих частотах.
Следует отметить, что раздвигая элементы, образующие решетку, можно увеличить КНД решетки к довести до значений КНД решетки H, сохранив хорошее согласование с фидером. Однако вместе с этим решетка Е становится конструктивно неудобной, так как ее трудно закрепить на мачте.
Для получения возможно большего КНД антенной решетки типа Е в диапазоне частот 6—12 каналов целесообразно увеличивать размер dc, а также увеличивать размеры излучающего полотна антенны по сравнению с размерами, приведенными в табл. 1. Последнее обстоятельство возможно благодаря тому, что общее перекрытие по частоте в диапазоне 6—12 каналов меньше двух (перекрытие равно 1,31). Это позволяет по максимальной рабочей частоте пересчитать размеры антенны, соответствующие ее максимальному КНД. Рассчитанная таким образом антенная решетка Е имеет следующие размеры: l=522 мм; de=2610 мм; dH=1470 мм; S = =260 мм; dc=1300 мм. При этом КНД антенной системы в диапазоне 6—12 каналов изменяется в пределах от 23 до 30. В этом случае разнос между антеннами dc выбран равным минимальной волне диапазона 12-го канала. Дальнейшее увеличение dc нецелесообразно, так как в высокочастотной части рабочего диапазона в диаграмме направленности антенной системы образуются боковые лепестки, вследствие чего рост ее КНД в этой области незначителен и не оправдывает увеличения габаритов системы.
Чтобы в полной мере использовать диапазонные свойства антенных решеток для приема на нескольких телевизионных каналах, необходимо предусмотреть возможность поворота антенной системы в направлении того или иного работающего телецентра.
Если телецентры работают как в диапазоне 1—5, так и 6—12 каналов, то лучше выполнить комбинированную антенную систему, дважды использовав для этой цели рефлектор. При этом для первой группы телевизионных каналов следует выполнить антенную решетку типа Н, а для второй — типа Е увеличенных размеров. Такая комбинированная антенная система схематично показана на рис. 11.
Рис. 11. Схема комбинированной антенны.Здесь дано размещение антенн относительно друг друга и конструктивные размеры для малой решетки. Против её антенного полотна проводники рефлектора должны быть расположены более часто.
Кабели питания малой и большой антенных решеток прокладывают раздельно. Необходимо помнить о том, что центральный проводник в кабелях РК-50 (РК-150) внутри не закреплен и с ним нужно обращаться осторожно. После изготовления решетки следует тщательно проверить цепи питания обеих антенн, входящих в решетку. Если в одном из распределительных кабелей произошел обрыв, то прием возможен, но эффективность антенной системы будет ниже нормального одиночного варианта.
Зигзагообразные антенны, питаемые через 75-омные фидеры, можно использовать, имея телевизоры с 300-омным входом. Для этого на конце фидера необходимо включить U-колено так, как показано на рис.12.
Рис. 12. Согласующее U-колено для кабеля с волновым сопротивлением 300 ом.В данном случае трансформирующее свойство U-колена используется в обратном плане. Значения входных сопротивлений антенны, пересчитанные к концу фидера, увеличиваются в четыре раза, и вход телевизора оказывается согласованным с фидером в такой же степени, как и фидер с антенной.
Экраны всех трех концов кабелей колена следует перемкнуть между собой. Длина петли U-колена приведена в табл. 2. Эта таблица составлена в предположении, что для изготовления U-колена применены кабели с полиэтиленовым заполнением (коэффициент укорочения 0,66).
Таблица 2
№ канала
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
l петли, мм
1880
1590
1235
1120
1030
553
530
510
487
470
450
435
[ На главную] [ В раздел Антенны]
