АНТЕННА ДИАПАЗОНА ДЦВ

April 12, 2010 by admin Комментировать »

К. Харченко

Прием телевизионных передач на радиочастотах 470…622 МГц (21 — 39 каналы) диапазона дециметровых волн (ДЦВ) требует соответ­ствующего подхода к расчету и конструированию антенных устройств. Некоторые радиолюбители пытаются решить эту задачу простым пе­ресчетом, основанным на принципах электродинамического подобия антенн, параметров имеющихся конструкций телевизионных антенн метрового диапазона (1 — 12 каналы). При этом они неизбежно сталки­ваются с трудностями самого пересчета и зачастую не получают желае­мых результатов.

Каковы же основные принципы подхода к решению этой задачи?

В свободном пространстве радиоволны, излученные антенной, имеют сферическую расходимость, в результате чего электрическая напря­женность поля Е убывает обратно пропорционально расстоянию г от антенны. Ненаправленная антенна, излучающая мощность Р2 равно­мерно во все стороны (изотропный излучатель), создает на расстоянии, г плотность потока энергии, характеризуемого вектором Пойнтинга:

clip_image002 clip_image004

Знаменатель этого выражения численно представляет собой площадь сферы, через которую проходит энергия излученных волн.

Вектор П связан с действующим значением напряженности поля Е линейной поляризации соотношением

clip_image006 (2)

Приравнивая выражения (1) и (2), получаем, что

clip_image008 (3)

Напряженность поля Е уменьшается пропорционально удалению приемной антенны от источника излучения.

Любая реальная антенна имеет направленные свойства. Она из­лучает энергию неравномерно. Направленность излучения любой ан­тенны в дальней зоне описывается зависимостью напряженности поля от угловых координат Ф и ф при постоянном расстоянии. Эту зависи­мость называют характеристикой направленности f (Ф, ф), где в — по­лярный угол, а ф — азимутальный.

Направленная антенна благодаря меньшему расходу энергии на излучение в боковые лепестки диаграммы направленности создает в главном ее лепестке на расстоянии т такую же напряженность поля, 1сзк и ненаправленная, излучающая при этом мощность Р% меньшую, чем Р. Отношение

clip_image010 (4)

называют коэффициентом направленного действия (КНД) данной ан­тенны.

Таким образом, направленная антенна создает в направлении мак­симума излучения такую же напряженность поля, как и ненаправлен­ная при большем уровне мощности: Ps = ДR2– Поэтому

clip_image012 (5)

Мощность излучения Р% связана с подводимой к антенне мощностью Рд соотношением

clip_image014 (6)

где nA — КПД антенны, определяющий эффективность преобразования высокочастотной энергии в энергию радиоволн и обратно.

Для одновременного учета потерь в антенне и выигрыша по мощ­ности при направленном излучении служит коэффициент усиления ан­тенны, который определяется таким выражением:

clip_image016 (7)

Так как PZД = PAnAД = PAУ, то выражение (5) примет вид

clip_image018 (8)

В реальных условиях распространяющиеся радиоволны претерпе­вают большее затухание, чем существующее в свободном пространстве. Для учета этого затухания вводят множитель ослабления F (r) = Е/Есв, который характеризует отношение напряженности поля для реальных Условий, к напряженности поля свободного пространства при равных расстояниях, одинаковых антеннах и подводимых к ним мощностях 11 т. д. С помощью множителя ослабления напряженность поля, созда­ваемая передающей антенной в реальных условиях на расстоянии г, 1;ожет быть выражена как

clip_image020 (9)

Приемная антенна преобразует энергию электромагнитной волны в электрический сигнал. Количественно эту способность антенны ха­рактеризуют ее эффективной площадью 5эфф. Она соответствует той площади фронта волны, из которой поглощается вся содержащаяся в ней энергия. С КНД эта площадь связана соотношением: ,

clip_image022 (10)

Изложенное здесь позволяет написать уравнение радиопередачи, которое связывает параметры аппаратуры связи (передатчика и прием­ника) и антенн и определяет уровень сигнала на трассе: при мощности передатчика Р1 мощность Ра сигнала на входе приемника будет равна

clip_image024 (11)

Где n1, и n2 — КПД передающего и приемного фидеров соответственно, У1 и У2 — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, Л — длина волны излучения. Множитель в этом выражении, заключен­ный в скобки, определяет основные потери при распространении радио­волн (основные потери передачи). При этом предполагается, что антенна согласована с фидером, а фидер с телевизионным приемником и, кроме того, антенна согласована по поляризации с полем сигнала.

Рассмотрим подробнее выражение (11). Допустим вполне реальную ситуацию, когда длина волны Хх излучения телевизионной передачи уменьшена до 50 см (попадает в диапазон частот 21 — 39 каналов), т. е. уменьшена по сравнению с Х2 = 500 см в 10 раз, где Х2 — длина волны излучения, оказывающаяся в диапазоне 1 — 5 каналов. Рассуж­дая далее, будем полагать, что произведение РгУЩг мощности передат­чика, коэффициента усиления передающей антенны и КПД передающего фидера на волне Л1 и на волне Л2 осталось неизменным. Неизменным остался и множитель У2 — коэффициент усиления приемной антенны. Объясняется это тем, что радиолюбитель-конструктор скопировал ан­тенну диапазона метровых волн и использует ее для приема телепере­дач диапазона ДЦВ.

Предположим даже, что при этом удалось сохранить неизменным n2 — КПД приемного фидера и значение F (r) — множителя ослабле­ния сигнала на трассе. В результате, как показывает выражение (11). мощность Р2 сигналя на входе телевизора уменьшится в 100 раз на вол­не Кх = 50 см, по сравнению с такой же мощностью сигнала, но на вол­не Л2 = 500 см.

Этот конкретный пример показывает, что с увеличением частоты (уменьшением длины волны) телевизионных передач мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при прочих равных условиях, быстро уменьшается, т. е. условия приема ухудшаются. На стороне передачи эти неприятности стараются компенсировать увеличением произведения РтУх- Но в реальных условиях множитель F (г) и КПД приемного фи­дера с ростом частоты уменьшаются, поэтому необходимость увеличе­ния коэффициента усиления приемной антенны Y2 становится неизбеж­ностью. Этот вывод влечет за собой еще один, заключающийся в том, что, как правило, для уверенного приема программ 21 — 39 телевизион­ных каналов нужно применять новые, более направленные антенны по сравнению с антеннами, применяемыми в диапазоне волн 1 — 5 каналов. Стремясь получить устойчивый прием телепередач, радиолюбители вынуждены усложнять антенны, например, стронть антенные решетки, т. е. объединяют несколько однотипных, зарекомендовавших себя на практике антенн (каждая из которых имеет свою пару точек питания) с общей системой питания и только одной (общей для всех) парой точек питания. При этом они нередко недооценивают важность этапа согла­сования при построении антенных решеток, связанного с относительно сложными измерениями. Сказанное проиллюстрируем таким конкрет­ным примером. Считаем, что имеющаяся антенна (рис. 1, а) представляет собой один (n = 1) излучатель с эффективной площадью So эфф, пол­ностью согласованный (коэффициент бегущей волны К = 1) с фидером, потерями в котором пренебрежем, с волновым сопротивлением Zo. Та­кая антенна поглощает из падающей на нее плоской электромагнитной волны мощность PZ = Ро n Ро 1 и полностью (без потерь) кана­лизирует ее на вход приемника. В таком случае мощность сигнала на входе приемника будет: РПр] = Р2 = Ро. Увеличим вдвое эффектив­ную площадь антенны за счет построения решетки из двух (n = 2) таких излучателей, а волновое сопротивление фидера оставим прежним, т. е. Zo (рис. 1, б). При этом антенна поглощает мощность Я2 =0, а к приемнику подводится только часть ее, так как в фидере после па­раллельного включения излучателей одного к другому

clip_image026

clip_image028

множитель, учитывающий потери мощности из-за рассогласования.

Подобный эффект получается и при параллельном соединении трех элементоз (рис. 1, в). Продолжая такие рассуждения, можно получить зависимость, которую иллюстрирует рис. 2. Здесь эффективная пло­щадь антенны прямо пропорциональна числу n излучателей в решетке, равно как и поглощаемая антенной мощность Р2. Мощность же Pnp, подводимая к приемнику, с увеличением числа n асимптотически при­ближается к 0. Этот пример показывает бесплодность попыток уве­личить коэффициент усиления антенной решетки без учета согласования ее элементов с фидером. Трудности, связанные с согласованием, пре-°Долевают либо применением специальных согласующих устройств, либо выбором специальных типов антенн. Например, в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн применяют, как правило, так называемые апертурные антенны, т. е. рупорные или параболичес­кие. Особенность таких антенн заключена в том, что они имеют простой, «небольших» размеров облучатель, и «большой», сравнительно сложный рефлектор. «Большой» рефлектор и обусловливает направленные свой­ства антенны, определяет ее КНД.

clip_image030

Выполнить в любительских условиях антенны апертурного типа на диапазон ДЦВ не представляется возможным, так как они громоздки и сложны. Но некоторое подобие апертурной антенны сконструировать можно, положив в основу облучатель в виде известной зигзагообразной антенны (з-антенны). Полотно такой антенны состоит из восьми замк­нутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные ячейки (рис. 3). Для формирования диаграммы направленности антенны, в частности, необходимо, чтобы излучатели были сфазированы и раз­несены относительно друг друга. 3-антенна имеет одну пару точек пи­тания (а — б), к которой непосредственно подключают фидер. Благодаря такой конструкции антенны ее проводники возбуждаются так (частный случай направления токов на проводниках антенны на рис. 3 показан стрелками), что образуется своеобразная синфазная решетка из четырех вибраторов. В точках П — П проводники полотна антенны замкнуты между собой и здесь всегда имеется пучность тока. Антенна имеет ли­нейную поляризацию. Ориентация вектора электрического поля Е на рис. 3 показана стрелками.

clip_image032

Диаграммы направленности з-антенны удовлетворяют диапазону частот с перекрытием fмакс/fмин 2.. =2,5. Ее КНД мало зависит от изменения угла а, так как с увеличением его уменьшение направленности антенны в плоскости Я компенсируется увэличением направленности в плоскости Б, и наоборот. Характеристика направленности з-антенны симметрична относительно плоскости, в которой расположены провод­ники ее полотна.

В связи с тем, что в точках П — П нет разрыва проводников полотна антенны, то здесь имеются точки нулевого потенциала (нули напря­жения и максимумы тока) независимо от длины волны. Это обстоятель­ство позволяет обойтись без специального симметрирующего устройства при питании коаксиальным кабелем. Кабель прокладывают через точку нулевого потенциала П и по двум проводникам полотна антенны под­водят к точкам ее питания (рис. 4). Здесь оплетку кабеля соединяют с одной из точек питания антенны, а центральный прозодник — с другой. Принципиально оплетку кабеля в точке П тоже нужно замкнуть нако­ротко на полотно антенны, однако, как показала практика, делать это не обязательно. Достаточно кабель подвязать к проводам полотна ан­тенны в точке П, не нарушая его полихлорвиниловой оболочки.

Зигзагообразная антенна широкополосна и удобна тем, что ее кон­струкция сравнительно проста. Это ее свойство позволяет допускать значительные отклонения (неизбежные при изготовлении) в ту или иную сторону от расчетных размеров ее элементов практически бгз ааруШения электрических параметров.

clip_image034

Кривая 1, показанная на рис. 5, характеризует зависимость КБВ от отношения 11% в 75-омном фидере для з-антенны, приведенной на рис. 4, а кривая 2 — аналогичную зависимость для значений ее КНД. С увеличением отношения 11% КНД з-антенны вначале растет, а достиг­нув некоторого максимума — уменьшается. Начальный рост КНД объясняется увеличением (в длинах волн) размеров полотна з-антенны, а спад — расфазировкой ее элементов после прохождения оптимального сзотношения l/Л.

Пользуясь графиками рис. 5, можно построить з-антенну, имею­щую максимально возможный КНД для данного типа полотна антенны. Ее входное сопротивление в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено полотно. Чем толще (шире) проводники, тем лучше согласование антен­ны с фидером. Вообще же для полотна з-антенны пригодны проводники самого различного профиля — трубки, пластины, уголки и т. п.

Рабочий диапазон з-аятенны можно расширить в сторону более низких частот без увелвчения размера l путем образования дополни­тельной распределенной емкости проводников ее полотна, а общие размеры, выраженные в длинах максимальной волны рабочего диапа­зона, уменьшить. Достигается это перемыканием части проводников з-антенны, например, дополнительными проводниками (рис. 6), кото­рые и создают дополнительную распределенную емкость.

clip_image036

Диаграммы направленности такой антенны в плоскости Е анало­гичны диаграммам симметричного вибратора. В плоскости Н диаграммы направленности с увеличением частоты претерпевают значительные изменения. Так, в начале рабочего диапазона частот они лишь слегка сжаты под углами, близкими к 90°, а в конце рабочего диапазона полз практически отсутствует в секторе углов ±40… 140°.

Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзаго­образного полотна, применяют плоский экран-рефлектор, который часть высокочастотной энергии, падающей на экран, отражает в сто­рону полотна антенны. В плоскости полотна фаза высокочастотного поля, отраженного рефлектором, должна быть близка к фазе поля, создаваемого самим полотном. В этом случае происходит требуемое сложение полей и экран-рефлектор примерно удваивает первоначальный коэффициент усиления антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, а также от расстояния S между ним и полот­ном антенны.

Как правило, размеры экрана значительные и фаза отраженного поля зависит, главным образом, от расстояния S. На практике редко выполняют рефлектор в виде единого металлического листа. Чаще он представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости параллельно вектору поля Е.

Длина проводников зависит от максимальной длины волны ХМ1та Рабочего диапазона и размеров активного полотна антенны, которэз Не Должно выступать за пределы экрана, В плоскости Е рефлектор обязательно должен быть несколько больше половины Лмакс. Чем толще проводники, из которых делают рефлектор, и ближе они расположены друг к другу, тем меньшая часть энергии, падающей на него, просачи­вается в заднее полупространство.

По конструктивным соображениям экран не следует делать очень плотным. Достаточно, чтобы расстояния между проводниками диамет­ром 3…5 мм не превышали 0,05…0,1Хмин — минимальной волны рабо­чего диапазона. Проводники, образующие экран, можно соединить между собой в любом месте и даже приваривать или припаивать к ме­таллической раме. Если они расположены в плоскости самого рефлек­тора или за ним, то их влиянием на работу рефлектора можно прене­бречь.

Во избежание дополнительных помех не следует допускать, чтобы проводники (полотна антенны или рефлектора) от ветра терлись либо касались друг друга.

Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 7. Ее активное полотно состоит из плоских проводников — пла­нок, а рефлектор — из трубок. Но она может быть полностью метал­лической. Е местах соединений элементов антенны должен быть надеж­ный электрический контакт.

На значение КБВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом в значительной мере влияют как ширина планки dnл (или радиус про­вода) активного полотна антенны, так и расстояние S, на которое оно удалено от экрана. Максимум КБВ будет при l/Лмакс = 0,25 и почти не зависит от ширины планки. Для оптимального согласования с фи­дером в широком диапазоне частот полотно з-антенны следует распола­гать от экрана на расстоянии S > 0,18Лмакс. С увеличением расстояния S КНД антенны снижается и сужается диапазон частот, в пределах ко­торого направленные свойства з-антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, с точки зрения улучшения КНД антенны расстояние S желательно уменьшать, а с точки зрения согласования — увеличивать.

Для крепления полотна антенны к плоскому рефлектору исполь­зуют стойки. В точках П — П (рис. 6 и 7) стойки могут быть как метал­лическими, так и диэлектрическими, а в точках У — У — обязательно диэлектрическими.

В ряде практических случаев приема сигналов по 21 — 39 каналам телевидения имеющегося коэффициента усиления (КУ) з-антенны о плоским экраном может оказаться недостаточным. Увеличить КУ. как уже говорилось, можно построением антенной решетки, например, из двух или четырех з-антенн с плоским экраном. Есть, однако, другой путь увеличения КУ — усложнение формы рефлектора з-антенны. Приводим пример, каким должен быть рефлектор з-антенны, чтобы ее КУ соответствовал значению КУ антенной синфазной решетки, построенной из четырех з-антенн. Этот путь наиболее простой и доступный в любительской практике, чем построение антенной решетки.

На рисунках антенны размеры всех ее элементов указаны приме­нительно к приему телепрограмм по 21 — 39 каналам.

Активное полотно антенны, показанной на рис. 6, выполнено из плоских металлических пластин толщиной 1…2 мм, наложенных яруг на друга «внахлест» и скрепленных винтами с гайками. В точках со­прикосновения пластин должен быть надежный электрический контакт. Конструктивно активное полотно антенны имеет осевую симметрию, что позволяет прочно закрепить его на плоском экране. Для этого ис­пользуют стойки-опоры, располагая их в вершинах П — П и У — У квадрата, образуемого пластинами полотна антенны. Точки П — П имеют «нулевой» потенциал по отношению к «земле», поэтому стойки в этих точках могут быть из любого материала, в том числе металличес­кими. Точки У — У имеют некоторый потенциал по отношению к «зем­ле», поэтому стойки в этих точках должны быть только из диэлектрика (например, из оргстекла). Кабель (фидер) к точкам аб питания про­кладывают по металлической опоре к одной (нижней) точке П и далее по сторонам полотна антенны (см. рис. 6). Особое внимание следует обратить на ориентацию вектора Е, характеризующего поляризацион­ные свойства антенны. Направление вектора E совпадает с направлени­ем, соединяющим точки аб питания антенны. Зазор между точками а — б должен быть около 15 мм без зазубрин и прочих следов небрежной обработки пластин.

Основой плоского экрана-рефлектора служит металлическая крес­товина, на которой, как на каркасе, размещают активное полотно антенны и проводники экрана. За крестовину антенну в сборе на­дежно прикрепляют к мачте с таким расчетом, чтобы поднятая она была выше местных мешающих предметов (рис. 8).

clip_image038

При изготовлении рефлектора типа «усеченный рупор» все стороны плоского рефлектора удлиняют створками и загибают их так, чтобы образовать фигуру по типу «полу­развалившейся» коробки,у которой дно — плоский экран, а стенки — створки. На рис. 9 такой объемный рефлектор показан в трех проек­циях со всеми размерами. Сде­лать его можно из металлических грубок, пластин, проката различ­ного профиля, В точках пересечения металлические стержни должныбыть сварены или спаяны. На тем же рис. 9 показано и место размеще­ния активного полотна антенны с точками П — П, У — У. Полотно уда­лено от плоского рефлектора — донышка усеченного рупора — на 128 мм. Стрелка символизирует ориентацию вектора Е. Почти все проек­ции стержней рефлектора на фронтальную плоскость параллельны век­тору Е, Исключением являются лишь часть силовых стержней, обра­зующих каркас рефлектора. Если рефлектор выполнен из трубок, диаметр трубок силовых стержней лгожет быть 12…14 мм, а остальных — 4…5 мм.

clip_image040

КНД антенны с рефлектором тппа «усеченный рупор» при заданных размерах соизмерим с КНД объемного ромба (1) и изменяется по диа­пазону частот в пределах 40…65. Это означает, что на верхних часто­тах рабочего диапазона антенны половина угла раскрыва ее диаграммы направленности составляет около 17°.

Форма диаграммы направленности антенны, показанной на рис. У, примерно одинакова для обеих плоскостей поляризации. При установке антенны на местности ее ориентируют на телецентр. Конструкция аи-тенны осесимметрична по отношению к направлению на телецентр, что может стать источником поляризационной ошибки при ее установке на мачту. Здесь надо учитывать, какую поляризацию имеют сигналы, приходящие от телецентра. При их горизонтальной поляризации точки питания а — о антенны должны быть расположены в горизон­тальной плоскости, а при вертикальной поляризации — в верти­кальной плоскости.

 

OCR Pirat

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты