При приеме телевизионных программ радиолюбители часто сталкиваются со сложными условиями, когда сигналы приходят с различных направлений, с разной поляризацией и др. Автор публикуемой ниже статьи решил эту проблему довольно простыми средствами, использовав для поставленной цели наборы полуволновых вибраторов и оптимизировав все размеры по минимуму КСВ в известной читателям журнала программе MMANA.
Появление доступных компьютерных программ для расчета антенн позволило по-новому взглянуть на их разработку и совместить эксперимент с программной оптимизацией. Причем, как оказалось, усовершенствованию и оптимизации поддается даже самая простейшая из настроенных телевизионных антенн - полуволновый вибратор, с которым, на первый взгляд, делать вроде бы уже нечего. Речь идет о добавлении к нему еще одного или нескольких вибраторов. Ниже рассмотрены варианты усовершенствования. Их разработка, изготовление и корректировка сопровождались оптимизацией параметров по известной читателям журнала программе MMANA. Основная задача была такая: добиться расширения полосы пропускания полуволнового вибратора при простоте изготовления и минимуме материальных затрат.
Семейство разработанных антенн включает в себя двухканальные конструкции на различные каналы и диапазонные, перекрывающие несколько каналов. Антенны состоят из настроенных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Только один из них (с зазором между половинами) активный, т. е. он подключен к фидеру.
Схематичное изображение двухканальной антенны представлено на рис. 1. Диапазон каналов метровых волн (MB) разбит на НЧ (каналы 1-5) и ВЧ (каналы 6-12) поддиапазоны. Канал НЧ определяется вибратором L1, а канал ВЧ - вибратором L2. Расстояние между половинами активного вибратора - около 40 мм. Размеры вибраторов для различных каналов MB указаны в табл. 1.
Вибраторы выполняют из труб диаметром 15 мм из меди или алюминиевых сплавов. Можно использовать также прутки или полоски из того же материала. Входное волновое сопротивление антенны определяется длиной вибраторов, расстоянием между ними и их диаметром. Так, для получения входного сопротивления, равного 75 Ом, при указанных выше размерах расстояние между вибраторами должно быть 53 мм.
Для ориентировочного пересчета параметров антенны на другое входное сопротивление или при изменении диаметра вибраторов можно воспользоваться формулой
где h - расстояние между вибраторами; К - входное сопротивление антенны или диаметр вибраторов в одинаковых единицах измерения. Формула справедлива для диаметров труб от 7 до 20 мм и входного сопротивления от 25 до 300 Ом.
Например, если диаметр вибраторов равен 10 мм, расстояние между ними
Если же необходимо входное сопротивление 100 Ом, расстояние между вибраторами
Размеры можно уточнить путем оптимизации по минимуму КСВ в программе MMANA.
Следует отметить, что для антенн с вибратором НЧ, настроенным на второй канал, диаграмма направленности будет искаженной: она становится трехлепестковой. Это связано с тем, что некоторые частоты ВЧ поддиапазона близки к кратным частотам этого канала. Однако второй канал в основном используют выходным в преобразователях ДМВ-MB коллективных антенн. Так что потеря невелика.
Кстати, с такой антенной легко проводить эксперименты в широком интервале частоты путем изготовления сменных полуволновых или телескопических вибраторов. При этом активный вибратор должен быть минимум в два раза длиннее пассивного.
Для симметрирования антенн можно воспользоваться так называемым ТДЛ - трансформатором на длинных линиях. Для его изготовления понадобится кольцо из феррита, желательно высокочастотного, с внешним диаметром более 10 мм. Линию делают из двух медных проводов ПЭВ-2 или ПЭТВ. Их складывают параллельно, и на них плотно надевают мягкую изоляционную трубку. Диаметр проводов выбирают максимально возможным, но не более 1,7 мм, так чтобы на кольце поместилось четыре-пять витков линии. Трансформатор включают между половинами вибратора (к ним подключают начала проводов линии) и коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом (его подсоединяют к концам проводов линии). Можно использовать также симметрирующие устройства от выпускавшихся ранее комнатных антенн.
Аналогичную конструкцию могут иметь и антенны дециметровых волн (ДМВ). Однако, как показали расчеты и эксперименты, на ДМВ лучше использовать диапазонную антенну, перекрывающую практически все каналы от 21-го до 60-го.
Диапазонная антенна отличается от двухканальнои тем, что состоит из трех вибраторов. Конструкция ее показана на рис. 2, а возможные размеры представлены в табл. 2.
Диаметр труб для каналов 6-12 MB может быть в пределах от 10 до15 мм. Для диаметра 15 мм в интервале частот от 172 до 228 МГц КСВ не превышает 1,3, а для диаметра 10 мм в интервале 170.. .230 МГц - не более 1,55.
Для антенны на каналы 3-5 (75... 100 МГц) MB при диаметре труб 20 мм КСВ - не более 1,5. С уменьшением диаметра до 10 мм КСВ может увеличиться до 2.
На ДМВ при диаметре труб активного вибратора 7 мм и остальных вибраторов 4 мм КСВ антенны для каналов 21-57 не превышает 2. На высокочастотных каналах 57-60 КСВ довольно резко повышается.
Добавив еще несколько элементов, можно значительно улучшить направленные свойства рассмотренных антенн. Как пример, на рис. 3 изображена антенна на каналы 4 и 10. Размеры перечислены в табл. 3. Диаметр труб - 10 мм. Коэффициент усиления антенны равен 5,7 дБ, соотношение фронт/тыл - 9,8 дБ на центральной частоте канала 4. То же самое для канала 10 - 6,9 и 12,8 дБ соответственно.
На другие каналы антенна такой конструкции может быть рассчитана по программе MMANA в следующем порядке.
1. По минимуму КСВ определяют размеры НЧ вибратора (активного).
2. То же делают по размерам ВЧ вибратора и расстоянию до активного.
3. На расстоянии около 0,1 длины волны НЧ за активным вибратором располагают рефлектор длиной, несколько большей длины активного вибратора, и оптимизируют размер рефлектора и расстояние от НЧ вибратора по минимуму КСВ и максимуму соотношения фронт/тыл.
4. На расстоянии около 0,1 длины волны ВЧ размещают директор перед вибратором ВЧ и рефлектор ВЧ за активным вибратором. Их исходной длиной взята длина вибратора ВЧ.
5. Оптимизируют размеры директора, вибратора и рефлектора ВЧ, а также расстояния между ними по минимуму КСВ и максимуму соотношения фронт/тыл.
Рассмотрим один из вариантов приемной многоканальной антенны, элементы которой выполнены по описанной выше методике.
В качестве мачты использована пластмассовая труба диаметром 40 мм. Антенна состоит из трех ярусов. Это связано с тем, что в Донецке возможен прием сигналов нескольких каналов с трех направлений: в одном из них - шестого канала, в другом - четвертого, десятого и каналов ДМВ, в третьем - двенадцатого канала с вертикальной поляризацией.
Активные вибраторы шестого и двенадцатого каналов для разной поляризации объединены в одну конструкцию, образующую первый (нижний) ярус. Их расположение в вертикальной плоскости и размеры показаны на рис. 4. Расстояние между половинами горизонтального вибратора - 20 мм. Вертикальный вибратор размещен внутри мачты.
Параметры антенны на шестой канал можно улучшить, добавив директор длиной 700 мм и рефлектор длиной 850 мм на расстоянии от активного вибратора соответственно 270 и 900 мм. Расчетные параметры на частоте 178 МГц: КСВ - 1,3; коэффициент усиления - 7 дБ; соотношение фронт/тыл - 15 дБ. На частоте 226 МГц КСВ равен 1,1.
Второй ярус представляет собой двухканальную антенну, настроенную на четвертый и десятый каналы. Сверху мачты (третий ярус) расположена широкополосная антенна ДМВ с усилителем, который находится внутри мачты. Использован усилитель SWA-9, в котором входной трансформатор переключен в режим согласующего устройства. Для этого средний входной вывод (два проводника) трансформатора отключают от общего провода. Одноцветные входные выводы (их теперь четыре) трансформатора соединяют между собой и подключают к половинам вибратора антенны.
Рассмотренная антенна работает уже около трех лет, обеспечивая нормальное изображение на десяти каналах (четырех на MB и остальных на ДМВ). Разработка, конечно, не претендует на исключительную новизну, однако такой антенны оказалось вполне достаточно для приема в сложных условиях.
Программа моделирования антенн MMANA
Файлы антенн, описанные в статье и рассчитанные в этой программе
Автор: Г.Алехин, г.Донецк, Украина