Телевизионные антенны для дальнего приема
Инж. С. Сотников
В настоящее время из всего разнообразия телевизионных антенн только несколько типов широко применяются при дальнем приеме.
Как показала практика, получившие большое распространение пятиэлементные антенны волновой канал сравнительно узкополосны, критичны к размерам элементов и расстоянию между ними и для получения максимального усиления, необходимой полосы пропускания и удовлетворительного согласования с фидером нуждаются в подстройке. В результате коэффициент усиления ненастроенной пятиэлементной антенны оказывается немногим больше коэффициента усиления трехэлементной антенны волновой канал.
Трехэлементные антенны менее критичны к размерам элементов, более широкополосны, их максимальный коэффициент усиления удается получить без подстройки. Повышение коэффициента усиления может быть получено путем увеличения числа этажей в антенне от двух до четырех. Данные трехэлементных многоэтажных антенн уже публиковались в журнале «Радио» № 1, 1956 г. Из-за сложности выполнения междуэтажных соединений, большого распространения эти антенны не получили. Однако такие антенны могут быть сделаны радиолюбителями. На рис. 1 приведена схема соединения этажей такой антенны, выполненного высокочастотным кабелем.
Антенны двух верхних и двух нижних этажей соединяются перекрещивающимися двухпроводными полуволновыми линиями, выполненными из двух отрезков коаксиального 75-ом ного кабеля (РК-1, РК-3). При этом входные сопротивления двух верхних (или нижних) этажей, примерно равные 150 ом, соединяются параллельно, образуя суммарное сопротивление каждой пары, равное 75 ом. Два таких сопротивления от верхней и нижней пары этажей трансформируются четвертьволновыми 104-омными линиями в точках а — а до величин 150 ом. Так как в точках а — а эти сопротивления соединены параллельно, входное сопротивление антенны в этих точках равно 75 ом. Четвертьволновые симметричные линии с волновым сопротивлением 104 ом выполнены из двух отрезков 52-омного коаксиального кабеля (РК-6; РК-19). Размеры элементов антенны приведены на вкладке журнала «Радио» № 1, 1956 г.; длины соединительных линий приведены в «Радио» № 4, 1959 г., стр. 32. К точкам а — а антенны присоединен фидер из коаксиального 75-омного кабеля (РК-1, РК-3) через симметрирующее устройство (см. «Радио» № 4, 1959 г., стр. 31, рис. 2). Расстояние между этажами антенны определено длиной соединительных линий.
Рис. 1. Трехэлементная многоэтажная антеннаНа рис. 2 приведена схема соединения этажей двухэтажной антенны, составленной из трехэлементных антенн волновой канал. Этажи антенны соединены так же, как у трехэлементных многоэтажных антенн. Данные симметрирующего устройства, с помощью которого к точкам а — а присоединяется фидер из 75-омного коаксиального кабеля, и длины соединительных линий также указаны в журнале «Радио» № 4, 1959 г. Расстояние между этажами, как и в предыдущем случае, определено длиной соединительных линий.
Рис. 2. Трехэлементная двухэтажная антеннаНаряду с антеннами волновой канал популярностью у радиолюбителей пользуются рамочные антенны, они менее узкополосны и менее критичны к размерам, чем антенны волновой канал. Длина рефлектора (пассивной рамки) и расстояние между рефлектором и активным вибратором можно уточнить в процессе настройки антенны. Усиление у двухэлементной рамочной антенны примерно такое же, как у пятиэлементной антенны волновой канал. Размеры двухэлементных рамочных антенн были опубликованы в «Радио» № 4, 1959 г. и № 2, 1960 г. Изменением полной длины рефлектора и расстояния от него до активного вибратора — рамки антенны настраиваются так, что получается максимальный коэффициент усиления и минимум приема сзади.
На расстояниях до 100 км, где прием происходит в пределах и на границе прямой видимости, чаще всего применяются одноэтажные антенны. Однако поднятые на небольшую высоту, они не обеспечивают хорошего приема, так как основной лепесток вертикальной диаграммы направленности имеет значительный угол возвышения над линией горизонта. Высота подъема антенны в этой зоне приема должна быть не меньше (2,5-3)λ; λ — средняя длина волны телевизионного канала, на котором происходит прием (см. «Радио» № 2, 1960 г., стр. 40, табл. 1). Можно дополнительно прижать лепесток вертикальной диаграммы направленности к линии горизонта, но для этого нужно увеличить число этажей в антенне до двух или даже до четырех. Во всех случаях, когда нельзя установить одноэтажные антенны достаточной высоты, нужно применять только многоэтажные.
На расстояниях от 100 до 200 км, где прием происходит в основном за счет искривления траектории волны принимаемого сигнала, лепесток вертикальной диаграммы направленности должен быть также прижат к линии горизонта. В этой зоне приема нужно применять только многоэтажные антенны, поднятые на возможно большую высоту; двухэтажные антенны здесь следует поднимать на высоту, не меньшую (2,5-3)λ а четырехэтажные на высоту, не меньшую (2—2,5)λ.
Рамочные многоэтажные антенны можно поднимать на меньшую высоту. Объясняется это тем, что рамочная двухэтажная антенна по свойствам лепестка вертикальной диаграммы направленности эквивалентна четырехэтажной, составленной из обычных двухэлементных антенн, а рамочная четырехэтажная антенна — восьмиэтажной. Хорошие результаты в этой зоне приема можно получить, используя четырехэтажную рамочную антенну (рис. 3).
Схема соединения ее этажей аналогична схеме соединения этажей двухрядной двухэтажной антенны. Этажи здесь соединены с помощью симметричных 150-омных линий, составленных из отрезков 75-омного коаксиального кабеля (РК-1, РК-3). В точках О на схемах рис. 1, 2 и 3 оплетки кабелей необходимо надежно спаять. Размеры элементов антенны и длины соединительных линий приведены в журнале «Радио» № 4, 1959 г. стр. 32.
Рис. 3. Четырехэтажная рамочная антенна.На расстояниях от 200 до 350 км, где прием происходит за счет рассеяния УКВ в тропосфере, напряженность поля принимаемого сигнала очень мала. В этой зоне нужно применять высокоэффективные антенны с большими коэффициентами усиления, к которым относится двухрядная двухэтажная рамочная антенна («Радио» № 4, 1959 г. и № 2, 1960 г.) и четырехэтажная рамочная (рис. 3). Высота подъема их должна быть не менее 2%.
При дальнем приеме на трассе со сложным профилем местности нужно особенно внимательно подойти к выбору высоты подъема антенны. Если телецентр отгорожен от места приема горой или возвышенностью, можно принимать его передачи, используя рассеянное отражение сигнала от вершины горы; высоту подъема антенны надо подобрать так, чтобы лепесток диаграммы направленности был направлен на вершину. При этом высота подъема антенны может оказаться меньшей (1,5-2) λ. Так как сигнал, отраженный от вершины горы,— слабый, здесь также необходимо применять высокоэффективные антенны, о которых говорилось выше.
На согласование антенны с фидером нужно обратить особое внимание. Если сложная антенна с большим коэффициентом усиления плохо согласована с фидером, то часть энергии, принятой антенной, будет потеряна, принятое изображение будет нечетким, может появиться многоконтурность.
Рекомендуемый многими авторами способ согласования вибратора Пистолькорса с 75-омным коаксиальным фидером с помощью полуволновой петли не всегда оправдан. Входное сопротивление одиночного вибратора Пистолькорса близко к 300 ом. Полуволновая петля, которая соединяет две половины вибратора (сопротивлением по 150 ом) в параллель, уменьшает его входное сопротивление в четыре раза, до 75 ом.
Входное сопротивление вибратора Пистолькорса в многоэлементных антеннах уменьшается, оно равно, примерно 150 ом в трехэлементной антенне и около 80 ом в пятиэлементной и семиэлементной антеннах. Полуволновая петля дополнительно понижает его до 37 ом и 20 ом соответственно. В результате этого антенны плохо согласованы с 75-омным фидером. Можно улучшить согласование трехэлементных двухэтажных антенн, использовав схему соединения, описанную выше. Входное сопротивление пятиэлементных антенн близко к волновому сопротивлению 75-омного фидера и поэтому лучше присоединять его к такой антенне с помощью симметрирующего короткозамкнутсго четвертьволнового шлейфа или мостика (см. рис. 2,а и табл. 2 на вкладке «Радио» № 4, 1961 г.). По предложению автора этот способ соединения был проверен радиолюбителем Ю. Харитоновым в г. Белеве при приеме на VI канале телецентра г. Орла (90 км). После того как в семиэлементной антенне полуволновая петля была заменена короткозамкнутым мостиком, уровень сигнала от антенны повысился почти в два раза, изображение на экране телевизора «Темп-2» стало более контрастным и четким, уменьшилось влияние шумов.
В двухэтажных пятиэлементных антеннах согласование с помощью полуволновой петли также не является оптимальным решением. Междуэтажные соединения в этом случае лучше выполнить с помощью двухпроводных полуволновых линий (рис. 4).
Входное сопротивление антенны при этом по сравнению с входным сопротивлением одного этажа понижается всего в два раза и антенна удовлетворительно согласуется с 75-юм-ным фидером. Коаксиальный 75-омный кабель присоединяется к антенне через отрезок 52-омного кабеля (РК-19) длиной /тр с помощью симметрирующего мостика. Этот способ соединения был проверен автором при приеме в г. Жирнове на VII канале маломощного ретранслятора г. Белая Калитва, Ростовской области (36 км), передачи принимались на телевизор «Рубин-102»„ Изображение было искажено шумами, просматривавшимися на экране в виде «снега», синхронизация по кадру была неустойчивой. После замены междуэтажного соединения в двухэтажной пятиэлементной антенне шумы на изображении исчезли и синхронизация по кадру улучшилась. Достаточно хорошие результаты можно получить и без включения согласующего отрезка 52-омного кабеля.
Рис. 4. Схема соединения этажей двухэтажных пятиэлементных и семиэлементных антенн.В некоторых районах возможен прием нескольких телецентров, работающих на разных телевизионных каналах. В таких условиях используют многоканальные телевизионные антенны. Описанная в журнале «Радио» № 5, 1959 г. двенадцатиканальная антенна, как показала практика, оказалась малопригодной для дальнего приема. К недостаткам ее следует отнести малый коэффициент усиления (меньший, чем у трехэлементной антенны волновой канал), необходимость иметь вращающее устройство при приеме телецентров с разных направлений и сложность изготовления. Кроме того, почти никогда не нужна антенна, принимающая на всех двенадцати телевизионных каналах. Чаще всего приходится принимать два телецентра. Двухпрограмные антенны для приема на I и III каналах описывались в «Радио» № 4, 1956 г., коммутация антенн для приема двух любых телевизионных программ — в № 9, 1960 г. Если направления на телецентры совпадают, антенны размещают на общей стреле, при этом их влияние друг на друга, как пассивных вибраторов, используется для улучшения приема. Недостатками в этом случае являются дополнительный расход кабеля на соединение между антеннами и некоторая сложность самого соединения.
Для приема двух и трех телецентров можно использовать рамочные антенны, вставленные одна в другую («Радио» № 2, 1960 г.). Такая антенна имеет больший коэффициент усиления, соединение антенн довольно несложное. Однако для приема с различных направлений здесь необходимо вращающее устройство, кроме того, можно вставить только антенны с I по V каналы или с VI по XII. Для приема двух телецентров с различных направлений можно расположить отдельные трехэлементные антенны волновой канал на общей мачте в два этажа одну над другой и ориентировать каждую на свое направление. Схема соединения этажей остается такой же, как и при расположении их на общей стреле. Повыше на мачте нужно установить антенну, принимающую более слабый сигнал. Если сигналы одинаковы по силе, то более длинноволновую антенну следует поднять выше так, чтобы высота ее подъема выраженная в долях Я, была близка к высоте подъема более коротковолновой антенны, также выраженной в долях Л. Благодаря этому, лепестки вертикальной диаграммы направленности обеих антенн будут прижаты к линии горизонта примерно в одинаковой степени. Расстояние между ними по вертикали должно быть не меньше 0,25λ самого длинноволнового из двух принимаемых каналов.
Для приема двух телецентров с разных направлений можно использовать также две отдельные рамочные двухэлементные антенны, расположенные на общей мачте одна над другой. Схема соединения их для работы на общий фидер и схема расположения на мачте показаны на рис. 5.
Рис. 5. Схема соединения двух отдельных рамочных двухэлементных антенн,
расположенных на общей мачте.Антенны присоединяются к общему фидеру через фильтры, выполненные из отрезков коаксиального 75-омного кабеля (РК-1, РК-3 и др.). Длина всех отрезков приведена в «Радио» .№ 9, 1960 г., стр. 38, длина шлейфов lш, их конструкция, размеры элементов каждой антенны и расстояние между антеннами — в № 4, 1959 г., стр. 32.
Широкодиапазонные двенадцатиканальные антенны, имеющие излучатели с логарифмически-периодической зависимостью параметров, громоздки и сложны в изготовлении. Коэффициент усиления их примерно такой же, как у обычных одноэтажных трехэлементных антенн волновой канал. Широкодиапазонность двена-дцатиканальных антенн при дальнем приеме является излишней. Необходимо еще раз отметить, что при дальнем приеме чаще всего бывают нужны антенны, принимающие не более, чем на двух — трех каналах. В этих условиях лучшими являются двухпрограммные антенны и рамочные, вставленные одна в другую. В последнем случае антенны менее громоздки и расход материалов на них значительно меньше, а трудность изготовления вращающего устройства для громоздкой и тяжелой антенны очевидна.
Зигзагообразные антенны, описанные К. Харченко, излишне широкополосны, но достаточно просты в изготовлении. Коэффициент усиления такой антенны без рефлектора немногим меньше коэффициента усиления двухэлементной рамочной антенны. Зигзагообразная антенна с рефлектором близка по усилению к двухэтажной двухэлементной рамочной, но полотно рефлектора делает ее более громоздкой и увеличивает парусность. Двойная зигзагообразная антенна имеет меньший коэффициент усиления, чем четырехэтажная рамочная, но при больших поперечных размерах имеет меньшую высоту.
Сверхдальний прием из-за особенностей распространения УКВ наблюдается только на частотах первых двух-трех каналов, то есть в диапазоне 41—80 Мгц. На частотах от 80 до 90 Мгц сверхдальний прием происходит очень редко, а на частотах V—VII каналов совсем не наблюдается. Для сверхдальнего приема нужно использовать антенны, работающие на частотах первых двух каналов, например двухканальные, работающие на I и II каналах, но лучшими для этих каналов будут рамочные антенны,вставленные одна в другую.
При сверхдальнем приеме высота подъема одноэтажных антенн должна быть не более (2-2,5)λ, а многоэтажных не более (1,5-2)λ. Это объясняется тем, что при сверхдальнем приеме лепесток вертикальной диаграммы направленности должен возвышаться над линией горизонта в пределах угла 5-7°.
РАДИО № 3 1963 г.
[ На главную ] [ Антенны ]
