2.2. Конструкции простых телевизионных антенн
Как правило, на домах в садоводствах, находящихся на расстоянии не более 20 км от ТЦ и активных ретрансляторов, используются однопрограммные и многопрограммные ТА. Рассмотрим наиболее простые и распространенные наружные антенны для приема программ в метровом диапазоне волн.
Полуволновой линейный разрезной вибратор (ПЛРВ) предназначен для приема телепередач на небольших расстояниях от ТЦ и ретрансляторов в качестве самостоятельном антенны при отсутствии помех и отраженных
сигналов, применяется он также в качестве активных вибраторов в многоэлементных направленных антеннах. ПЛРВ как самостоятельная антенна принципиально не отличается от комнатной антенны, только его лучи развернуты на 180° и укреплены на стационарной мачте.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления ............. 1
входное сопротивление ............. 73 Ом
КБВ ........................... 0,85
неравномерность коэффициента
усиления, не более .............. 0,4 дБ
количество принимаемых программ
на один типоразмер антенны ..... 1
кпд ............................ 0,96
помехозащищенность, не более ...... 8—10 дБ
диаграмма направленности
в горизонтальной плоскости ....... восьмерка
ширина главного лепестка
диаграммы направленности ....... 86
На рис. 2.13 показан ПЛРВ с 75-омным коаксиальным кабелем. Данная антенна относится к числу слабонаправленных, она имеет диаграмму направленности в плоскости, проходящей через продольную ось вибратора.
Лучи-вибраторы изготавливают из трубок или стержней (стальных, латунных, дюралюминиевых), а также из металлических полосок и угольников. Вибраторы крепятся на прямоугольной косынке 3 с помощью изоляторов 2. В качестве изоляторов могут быть использованы и фарфоровые ролики, и высокочастотная керамика, и пластмасса, и текстолит, и гетинакс. Диаметр трубок выбирается в пределах от 10 до 20 мм. Вместо трубок можно применить металлические полосы толщиной 5 мм, при этом за диаметр вибратора принимают половину ширины этой полоски. Наружный диаметр трубок должен составлять 10 мм и больше, внутренний диаметр трубок значения не имеет, а расстояние между внутренними торцами трубок должно быть в пределах 50—80 мм. Эти размеры справедливы для приема любого из первых 12 каналов.
Длину вибраторов выбирают из табл. 2.3. Если длина вибратора l равна 1/50lдл, то такая антенна не настроена в резонанс. Для настройки в резонанс вибратор нужно несколько укоротить. Коэффициент укорочения определяется по специальным графикам. Размеры, приведенные в таблице, даны с учетом всех поправок.
Для сведения радиолюбителей необходимо заметить, что на параметры антенны существенное влияние оказывают габаритные размеры трубок и в первую очередь наружный диаметр. Например, величина коэффициента укорочения вибратора зависит от отношения диаметра трубки к средней длине волны телеканала. Полоса пропускания вибратора также зависит от его диаметра. Чем больше диаметр вибратора, тем антенна широкополоснее. Достаточно широкая полоса пропускания на любом канале будет обеспечена, если диаметр трубок равен или больше 8 мм.
ПЛРВ укрепляется на металлической или деревянной мачте при помощи изоляторов. Эту антенну можно использовать для приема передач на телевизоры как с несимметричным 75-омным входом, так и на телевизоры с симметричным 300-омным входом. Подключение антенны к 75-омному несимметричному входу телевизора производится через коаксиальные кабели, которые имеют волновое сопротивление 75 Ом. Использование коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом допустимо, но нежелательно.
Важно знать, что ПЛРВ обеспечивает высокую четкость изображения, так как его входное сопротивление в полосе частот телесигналов изменяется мало. Но эксплуатировать эту антенну надо там, где можно принимать только одну программу телевидения.
Но в тех районах страны, где есть возможность при нимать несколько программ, линейным полуволновым вибратором, настроенным на одну из этих программ, пользоваться нежелательно
Обязательное подключение УСС объясняется следующим. При настройке на прием телепередач 1-го канала входное сопротивление антенны равно 73 Ом и хорошо согласуется с кабелем снижения, волновое сопротивление которого составляет также около 75 Ом, но когда на эту антенну принимают сигналы 3-го канала, тогда ее входное сопротивление увеличивается до 600 Ом, согласование с кабелем нарушается и эффективность работы антенны резко снижается.
С этой антенной мы еще раз встретимся, когда будем рассматривать многоэлементные антенны типа «волновой каналы (гл. 4.1).
Нa рис. 1.6, б, показано соединение полуволнового вибратора с кабелем по схеме рис. 2.13, которое обеспечивает согласование с ним, токи на наружной поверхности экрана коаксиального кабеля не создают разности потенциалов на входных зажимах телевизора и не нарушают симметрию токов в вибраторах антенны. Рассогласование антенны с кабелем снижения приводит к возникновению повторных изображений, а нарушение симметрии снижает помехоустойчивость и вызывает искажение диаграммы направленности антенны.
На рис. 2.14 приведена схема подключения ПЛРВ к симметричному 300-омному входу телевизора с помощью симметричного ленточного кабеля марки КАТВ с волновым сопротивлением 300 Ом. Петля из двух равных по длине отрезков кабеля КАТВ составляет симметричный согла-
сующий четвертьволновой трансформатор 77. Кабели, из которых изготавливается трансформатор, разводятся в середине на размер l3 и образуют эллипс.
Размеры антенны, выполненной по рис. 2.14, приведены в табл. 2.4. В этой таблице даны размеры для 12 каналов телевидения, в том числе с 6-го по 12-й, на которых следует избегать использования симметричного кабеля марки КАТВ из-за больших потерь на частотах свыше 100 МГц.
На рис. 2.15, а, б, приведены схемы неправильного подключения антенны к телевизору. При подключении несимметричного коаксиального кабеля типа РК-75 к ПЛРВ, как показано на рис. 2.15, а, нарушается симметрия, так как одна половина вибратора подключена к центральной жиле кабеля, а вторая половина — непосредственно к оплетке. В результате токи, наведенные на поверхности оплетки кабеля, попадут на вход телевизора и вызовут искажение изображения. Кроме того, может исказиться и диаграмма направленности вибратора. Подключать симметричный кабель к вибратору, как показано на рис. 2.15, б, нельзя. В этом случае кабель с волновым сопротивлением 300 Ом оказывается подключенным к виб-
ратору с входным сопротивлением 73 Ом, и вибратор будет рассогласован с кабелем.
Как отмечалось ранее, для ПЛРВ наиболее простым по конструкции является УСС типа «четвертьволновой короткозамкнугый мостик», изготовленный из отрезков коаксиального кабеля (рис. 1.8).
Хорошие результаты при использовании линейного разрезного вибратора можно получить, если применить в качестве УСС симметрирующий мостик, приведенный на рис. 1.7.
На расстоянии до 25 км от ТЦ, а также более близких, но при неблагоприятных условиях приема телепередач и отсутствии металлических трубок для изготовления антенны можно воспользоваться конструкцией, данной на рис. 2.16. Здесь наружная проволочная антенна выполнена из медного провода диаметром не менее 2 мм.
Каждое плечо вибратора изготавливается из трех медных проводников, которые в середине разводятся и припаиваются к углам треугольника, выполненного из металлической пластины толщиной 1—2 мм. Медные провода одинаковой длины на концах скручены и пропаяны припоем марки ПОС-60.
Антенну располагают на двух деревянных стойках с направлением на ТЦ. Размеры этой проволочной антенны даны в табл. 2.4.
На рис. 2.17 приведена конструкция и схема соединения ПЛРВ с питанием через четвертьволновой короткозамкнутый мостик. Антенна предназначена для приема телесигналов на расстоянии, не превышающем 40 км (наибольшая эффективность — до 20 км), и обеспечивает прием
одного канала при определенно заданной длине вибратора. Перестройка антенны на другой канал осуществляется лишь при изменении длины трубок вибратора.
Антенну рекомендуется эксплуатировать в тех местностях, где передачи принимаются только на одном канале.
Собирается антенна из металлических трубок или полос определенной длины, рассчитанной на принимаемый канал. В качестве материала используются латунь, бронза, дюралюминий и сталь, которые применяются с учетом образования гальванических соединений. Детали из этих материалов соединяются между собой сваркой или пайкой, используются также резьбовые соединения. Детали 1, 3, 5, 7, 8, 9. 10—14 изготавливаются из металла, а детали 2,4,6 — из диэлектрика. Штанга 7 может быть выполнена как из дерева, так и из металла. Если вибратор делается из металлической полосы шириной 20 мм, то это соответствует трубке диаметром 10 мм.
Металлическая конструкция антенны вместе с мостиком должна быть изолирована от штанги и укрепляться на изоляторах. В качестве изоляторов используются различные диэлектрические материалы: пластмасса, гетинакс, стеклотекстолит, оргстекло и др.
Важным элементом конструкции данной антенны является металлическая перемычка, выполненная в виде двух скоб, соединенных между собой с помощью винтов. Вертикальные трубки мостика перед установкой скобы-перемычки должны быть зачищены и не иметь пятен ржавчины. Устанавливается металлическая перемычка на определенном заданном расстоянии от вибратора (это зависит от номера канала, на который рассчитана антенна). Размеры симметрирующего четвертьволнового коротко-замкнутого мостика (рис. 1.7) приведены в табл. 1.9.
Как видно из рис. 2.17, коаксиальный кабель пропущен внутри правой трубки мостика, наружная изоляция на этом участке кабеля снимается, а металлическая оплетка кабеля припаивается вверху и внизу к трубе и дополнительно оплетка кабеля припаивается к внутренней поверхности трубки вибратора. Внутренняя жила коаксиального кабеля припаивается ко второй половине вибратора и также к внутренней поверхности трубки.
Полуволновой линейный неразрезной вибратор (ПЛНВ), рис. 2.18. Эту антенну часто называют вибратором с шунтовым питанием. По своей технической характеристике ПЛНВ несколько отличается от ПЛРВ.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления ............ 1
входное сопротивление
при l1/l = 0,2. ................. 100 Ом
полоса пропускания ............... 48—100 МГц
ширина рабочей полосы ........... ± 8—10 % средней
частоты канала неравномерность коэффициента
усиления, не более .............. 0,85
помехозащищенность, не более ...... —(8...10) дБ
диаграмма направленности
в горизонтальной плоскости ....... восьмерка
в вертикальной плоскости ........ окружность
ширина главного лепестка
диаграммы направленности ....... 86
Входное сопротивление антенны зависит от геометрических размеров, и в частности от соотношения l1/l. При l1/l=0,2 входное сопротивление антенны равно 100 Ом.
К деревянной или металлической мачте антенна прикрепляется в средней точке 0 без изоляторов. В точках А и Б под винты М5 подключаются УСС и ка.бель снижения. В качестве вибратора применяется трубка диаметром 10—20 мм из латуни (меди или углеродистой стали). Длина вибратора определяется в зависимости от частоты (табл. 2.4).
На рис, 2.19 приведена конструкция петлевого вибратора с УСС, который известен также под названием шлейф-вибратор Пистолькорса, и показана схема соединения с 75-омным коаксиальным кнбелем. Петлевой вибратор является другой разновидностью ПЛРВ. Резонансная длина петлевого вибратора определяется по той же формуле, что и для ПЛРВ; с точки зрения электрических параметров линейный и петлевой иибраторы почти равноценны. Вопрос о применении того или иного вибратора можно решить, исходя из конструктивно-технологических соображении и наличия подходящих материалов. Однако петлевой вибратор обеспечивает лучшее качество приема изображения, чем антенна из прямых трубок.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления .......... .1
входное сопротивление .......... . 292 Ом
КБВ ....................... 0.65—0,9
ширина рабочей полосы ........ ± 20 % средней
частоты канала неравномерность коэффициента
усиления, не менее. .......... 0,5 дБ
помехозащищенность, не менее ... . —(10...13) дБ
диаграммы направленности
в горизонтальной плоскости ...... восьмерка
ширина главного лепестка
диаграммы направленности ....... 86
Данный вид антенны эффективен при эксплуатации на расстоянии до 20 км от ТЦ, т. е. в зоне прямой видимости. Длина вибратора выбирается из табл. 2.5 для каждого канала телевидения. В случае приема сигналов на нескольких телеканалах длина вибратора определяется для средней частоты полосы частот, занимаемой этими каналами.
Антенна шлейф-вибратор очень чувствительна к местным помехам, и устанавливать ее лучше там, где нет вблизи больших строений. Если рядом с антенной имеются высокие сооружения, например водонапорная башня, то вибратор будет принимать как прямой, так и отраженный лучи, в результате чего на экране телевизора изображение расплывается или станет двоиться. В этом случае необходимо применить другой тип антенны.
При изготовлении петлевой антенны необходимо точно соблюдать размеры всех деталей и выполнять данные рекомендации. Расстояние между осями трубок шлейф-вибратора должно быть 60—120 мм, оно зависит от диаметра трубок и длины волны. Чтобы обеспечить пропускание широкой полосы частот, вибраторы надо изготавливать из трубок, диаметр которых не менее 12 мм. Расстояние между торцами трубок вибраторов может быть 50—60 мм для всех 12 каналов (по некоторым источникам, это расстояние 80—100 мм).
Основные габаритные размеры петлевого вибратора приведены в табл. 1.12 и 2.5.
Изготавливают антенну из медной или алюминиевой трубки диаметром 10—20 мм или металлической полоски шириной 20—40 мм. Если трубку трудно изогнуть, антенну можно собрать из прямых отрезков трубки, соединив их металлическими перемычками. Середина верхней части изогнутой трубки в точке 0 крепится непосредственно к деревянной или металлической мачте без изоляции. Концы нижних трубок антенны крепятся винтами к изоляционной планке, изготавливаемой из гетинакса (текстолита или стеклотекстолита).
Устанавливать антенну необходимо не ближе 2 м от окружающих предметов. Оси трубок должны быть почти перпендикулярны направлению на ТЦ. Но наилучшее положение антенны на местности определяется опытным путем.
Телевизор, имеющий входное сопротивление 75 Ом, подключается к шлейф-вибратору без дополнительного согласования и симметрирования, если последний выполнен из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, например РК-75. Если же телевизор имеет входное сопротивление 300 Ом, а фидерная линия и шлейф-вибратор выполнены из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, то они подключаются к телевизору по одному из вариантов, рассмотренных выше.
Двойной петлевой вибратор (двойной шлейф-вибратор), рис. 2.20, устанавливается на мачте высотой 1,5—2 м над крышей садового дома. Мачта может быть изготовлена
из деревянного или металлического стержня любого сечения. Это устройство может использоваться в качестве активного вибратора, а в многоэлементных антеннах становится активным элементом.
Двойной петлевой вибратор как самостоятельная антенна может быть задействован только там, где нет возможности принимать несколько телепрограмм и расстояние до ТЦ не превышает 25 км. При этом вблизи приемной антенны не должно быть предметов, отражающих телесигнал. Ориентировку вибратора нужно производить так, чтобы направление на принимаемую станцию было перпендикулярно продольной оси вибратора. Наилучшее положение антенны подбирается опытным путем.
Двойной шлейф-вибратор легче укреплять на мачте, чем другие наружные антенны, так как при этом не нужны изоляторы; УСС этой антенны при применении коаксиального кабеля более простое. В то же время изготовление двойного шлейф-вибратора требует большого количества трубок, что увеличивает трудоемкость изготовления.
Эта антенна характеризуется повышенным входным сопротивлением (658 Ом) и такими же электрическими
параметрами, как у петлевого вибратора (шлейф-вибратора Пистолькорса).
При изготовлении и установке необходимо иметь в виду, что радиус изгиба трубок на концах двойного шлейф-вибратора значения не имеет. Если изогнуть трубки не предсавляется возможным, то можно замкнуть концы верхних, средних и нижних трубок прямым отрезком трубки или полоской из металла, ширина которой приблизительно равна диаметру трубок Крепление двойного петлевого вибратора к мачте производится в точке нулевого потенциала без изоляторов. Антенна должна быть расположена на мачте горизонтально Вертикальная плоскость двойного шлейф-вибратора может быть наклонена по отношению к стреле под некоторым углом. Важно только следить за тем, чтобы концы трубок антенны, к которым подключается кабель снижения, не были расположены очень близко к мачте, так как это приводит к увеличению емкости между концами трубок. Вопрос о применении двойного петлевого вибратора или других типов следует решать исходя из конструктивных соображений и технологических возможностей домашнего мастера, а также имеющихся материалов.
Изготавливается антенна из латунных или алюминиевых трубок диаметром 12—25 мм. Их можно заменить стальными трубками, очищенными от ржавчины и покрытыми краской. Все трубки вибратора соединяются между собой газовой сваркой. Паять трубки оловянным припоем не рекомендуется.
Двойной петлевой вибратор крепится в точке 0 с помощью металлической скобы, изогнутой по диаметру трубки, непосредственно к штанге антенны без каких-либо изоляторов, независимо от того, сделана она из дерева или из металла. Дополнительно вибратор можно прикрепить к штанге с помощью хомутика за среднюю трубку. В точке 0 можно использовать как резьбовое крепление, так и сварку. Концы согласующего устройства укрепляются на диэлектрической пластине, которая, в свою очередь, крепится к мачте с помощью винтов или шурупов. Фиксируется УСС хомутиками, имеющими прокладки и отверстия для винтов М4. В точках 4 и 6 вибратор прикрепляется к пластине 2 винтами М5.
Нижняя часть УСС крепится к штанге с помощью накладки и винтового соединения (см. рис. 2.19). Кабель снижения фиксируется на штанге с помощью скоб и винтов.
Концы коаксиальных кабелей разделываются, как показано на рис. 2.20, и припаиваются к концам трубки вибратора. Все три оплетки кабелей соединяются между собой и изолируются. Внутренние жилы кабелей рекомендуется припаивать к внутренней поверхности трубки вибратора. Эти жилы можно подсоединить к трубкам вибратора с помощью винтового соединения.
Конструктивные размеры двойного петлевого вибратора приведены в табл. 2.6.
П-образный полуволновой вибратор с симметрирующим устройством (рис. 2.21). Подключение УСС к антенне и принцип его работы рассмотрены в гл. 1.5 (рис. 1.7, а). Антенна предназначена для приема телесигналов в широком диапазоне частот, когда возникает необходимость вести прием сигналов с различных направлений, так как диаграмма направленности данного вибратора в горизонтальной плоскости не имеет резких провалов, где потенциал равен нулю.
П-образный полуволновой вибратор редко применяется в радиолюбительской практике, эта антенна характеризуется эллипсовидной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, входным сопротивлением, состоящим из резистивной и реактивной составляющих, коэффициентом усиления, по мощности равным единице.
Длина вибраторов определяется так же, как у ПЛРВ, ПЛНВ и шлейф-вибратора Пистолькорса. Конструктивные размеры антенны приведены в табл. 2.7.
Входное сопротивление П-образного полуволнового вибратора имеет последовательно включенные резистивную составляющую (R1 =35 Ом) и реактивную составля-
ющую емкостного характера (R2=50 Ом). Длина вибраторов равна 1/2lдл принимаемого канала. Расстояние между отогнутыми усами антенны равно половине длины вибратора l.
Изготавливается П-образный полуволновой вибратор и четвертьволновой короткозамкнутый симметрирующий
мостик из тонкостенной трубки диаметром 10—20 мм. Трубки вибратора и симметрирующего мостика фиксируются между собой с помощью двойных хомутиков 2 и крепежных соединений, в которых используются винты М5, М6. Металлическая конструкция антенны должна быть изолирована от вертикальной штанги, и поэтому все детали крепления 7 и 8 делаются из диэлектрического материала. Поддерживающие кронштейны, прокладки и планки могут быть изготовлены из гетинакса или оргстекла.