У зв'язку з бурхливим зростанням кількості каналів телевізійного мовлення дуже непросто забезпечити високоякісний прийом всіх телепрограм. Насамперед, це залежить від застосованих антен. Тому нижче розглянуті їх основні конструкції, випробувані автором у різних умовах. Але спочатку нагадаємо основні відомості про телевізійних частотах, діапазонах і каналах.
Телевізійні частоти охоплюють інтервал 48,5...790 МГц. Їх підрозділяють на метровий (канали 1-12, частоти 48,5...230 МГц) і дециметровий (21-60 канали, частоти 470...790 МГц) діапазонів. Один телевізійний канал займає смугу частот 8 МГц. Для розрахунку робочої довжини хвилі антен рекомендується вибирати несучу частоту зображення, оскільки сигнал зображення амплітудно-модульований, більш схильний до впливу перешкод і вимагає більшого посилення, ніж частотно-модульований сигнал звукового супроводу.
Частота несучої зображення для 1-го і 2-го телевізійних каналів дорівнює 49,75 і 59,25 МГц відповідно. Для 3-5-го каналів її (в мегагерцах) обчислюють так: fн.з=77,25+(N-3)x8, де N - номер каналу; для 6-12-го: fн.з=175,25+(N-6)x8, а для 21-60-го: fн.з=471,25+(N-21)x8
Середню частоту смуги каналу можна отримати, додавши до значення несучої зображення число 2,75. Частота несучої звукового супроводу вище частоти несучої зображення на 6,5 МГц. Робочу довжину хвилі L (у метрах) в повітрі залежно від робочої частоти f (в мегагерцах) визначають за формулою l=300/f. В інших діелектриках довжина хвилі менша (наприклад, у поліетилені в 1,52 рази). Цей факт необхідно враховувати при виготовленні резонансних елементів узгоджуючих пристроїв з коаксіального поліетиленового кабелю.
Тепер трохи про конструктивному виконанні антен. Матеріалом для їх виготовлення бажано використовувати трубки, прутки, смужки, куточки, дроти з металів і сплавів з хорошою електропровідністю (міді, алюмінію, латуні). Від площі поверхні активних елементів залежить широкосмуговість антени: чим більше площа (більше діаметр трубок або ширина смужок), тим широкополосней буде антена (але і важче). Не рекомендується вибирати поперечний розмір елементів (трубок, прутків) антени менш 1/200 довжини хвилі, на якій вона працює, так як при цьому помітно погіршуються електричні параметри і механічна міцність. Ширину смужок вибирають в 1,5...2 рази більше рекомендованого діаметра трубок або прутків, товщина - 2...3 мм
Поверхня елементів повинна бути рівною і гладкою. Для діапазону ДМВ найкращі результати виходять, якщо застосовано елементи з матеріалу з полірованої поверхнею, так як ВЧ струми наводяться лише в їх поверхневому шарі. Якщо потрібно зігнути елементи антен, це роблять обережно, підклавши під губки лещат шматочки текстоліту або деревини, щоб не пошкодити поверхню. Трубки перед цим необхідно щільно наповнити піском і заткнути дерев'яними пробками.
При установці антен поза дії блискавковідводів забезпечують їх надійну грозозащиту [1]. Крім того, слід ретельно герметизувати електричні з'єднання і місця виходу обплетення кабелю з зовнішньої ізоляції, заливши їх водо - і термостійкими діелектричними лаками або смолами.
Для точного орієнтування антени на потрібний напрямок сигнал на вході телевізора слід послабити в кілька разів атенюатором. При цьому перестає діяти система АРП телевізора і стає більш помітним максимум прийнятого сигналу.
І нарешті, про самих антенах. Почнемо з вузькосмугових. Вони призначені для прийому якого-небудь одного телевізійного каналу або декількох, за умови, що їх частоти відрізняються не більш ніж на 5...10 %. У цьому випадку розраховують антену для среднегеометрическо частоти, що обчислюється як корінь квадратний з твори частот кожного каналу, або на частоту сигналу більш слабкого каналу.
Антени поділяють також на прості та ускладнені [2]. Останні можуть містити, крім одного активного елемента, рефлектор, директори і навіть додаткові активні елементи.
Найпростіші антени однаково приймають як прямий сигнал, так і сигнал, приходить з протилежного від телецентру напрямку. Вони володіють самим низьким посиленням (і КНД). Тому їх використання, як правило, обмежено невеликою відстанню від передавальної антени при відсутності відбитих сигналів (візуально вони проявляються на екрані телевізора у вигляді многоконтурности або розмитості зображення).
До простих антен відноситься "лінійний напівхвильовий розрізної вібратор" [1, 2], схематично зображений на рис. 1. Він має вхідний опір на резонансній частоті близько 75 Ом. Саме його посилення зазвичай умовно приймають за 0 дБ. Вібратор виготовляють з трубок, прутків або смуг. Діаметр трубок d вибирають рівним для МВ 20...30, а для ДМВ - 6...12 мм Відстань між кінцями трубок l повинне бути дорівнює половині робочої довжини хвилі антени, помноженої на коефіцієнт укорочення, що залежить від відношення діаметра трубок до робочої довжині хвилі. Для відносин 0,001 і 0,003 значення коефіцієнта - 0,96 і 0,95 відповідно. Якщо воно підвищується до 0,005 і більше, коефіцієнт знижують до 0,94. Відстань L вибирають в межах 50...80 для МВ та 20...30 мм для ДМВ. Для отримання максимального рівня сигналу вібратор розташовують горизонтально в площині, перпендикулярної напрямку прийому (при горизонтальній поляризації хвиль передавача).
При підключенні антени до фідеру використовують згода пристрій "четвертьволновый шлейф" за схемою, показаної на рис. 2, яке виконано з короткозамкнутого відрізка кабелю довжиною lш, що дорівнює чверті довжини хвилі, на яку налаштована антена (з урахуванням коефіцієнта укорочення). Відстань D діапазони МВ вибирають 50...80, а для діапазону ДМВ - 20...30 мм.
Ще одна з простих антен - "напівхвильовий вібратор Пистолькорса" [1, 2], представлена на рис. 3, має вхідний опір на резонансній частоті 295 Ом. Так само, як і розрізний вібратор, антену виготовляють з трубок, прутків або смуг. Радіус вигину значення не має, вигини можна робити і під прямим кутом. Основна перевага вібратора Пистолькорса перед розрізним полягає в тому, що в точці симетрії він має нульовий потенціал, і в цій точці його можна кріпити до щоглі без ізоляторів. Вібратор також розташовують горизонтально до площини, перпендикулярної напрямку прийому.
Антена має більш широкою смугою пропускання, ніж розрізної вібратор, і відрізняється кращою завадостійкістю. Розміри l, L, d вибирають так само, як і для розрізного вібратора. Однак при розрахунку коефіцієнта укорочення вібратора Пистолькорса замість діаметра трубок беруть значення, що дорівнює подвоєному корені квадратному з твору діаметра трубок d на розмір S у вібраторі. Останній дорівнює 80...100 МВ і 40...50 мм для ДМВ.
Для підключення антени до фідеру використовують зображене на рис. 4 згода пристрій "U-коліно", виконане з відрізка коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом. Довжина lш дорівнює половині довжини хвилі, на якій працює антена, поділеній на коефіцієнт укорочення для поліетиленового кабелю (1,52). Пристрій підключають до вібратора в точках А і В.
Знизити вплив відбитого сигналу і трохи збільшити коефіцієнт підсилення у найпростіших антен можна, ускладнюючи їх, наприклад, розташувавши позаду активного вібратора (за напрямком від телецентру) рефлектор так, як показано на рис. 5 для антени "хвильовий канал", про яку піде мова нижче. Довжина елементів рефлектора повинна бути більше довжини вібратора l на 5...15 %, а відстань від вібратора до рефлектора вибирають в межах 0,15...0,2 робочої довжини хвилі.
Рамкові антени [1], представлені на рис. 6 і 7, володіють непоганими параметрами при відносній простоті пристрою. Їх вхідний опір на резонансній частоті - 73 Ом, коефіцієнт посилення - 3,5 дБ. Розташовують їх так ж, як і вібратор Пистолькорса, для отримання максимального рівня сигналу.
Для неповної зигзагоподібної антени (рис. 6) відстань а вибирають рівним чверті робочої довжини хвилі. В кільцевій антени (рис. 7) довжина кола l дорівнює довжині хвилі, на якій вона працює. Для обох антен відстань L - 10...15 МВ і 7 мм для ДМВ.
Рамкові антени підключають до фідеру через "четвертьволновый короткозамкнений шлейф" (див. рис. 2). Якщо з боку, протилежного напрямку на телецентр, прийому заважає сильний відбитий сигнал, то його вплив можна істотно зменшити, розташувавши позаду антени екран-рефлектор так, як показано на рис. 8. При цьому збільшується і посилення антени приблизно на 3 дБ.
Конструктивно екран виконують з тих же елементів, що і саме полотно антени, але допустимо застосовувати і більш тонкі провідники. Ширина а і висота b екрану на 5...10 % більше відповідних габаритних розмірів антени. Відстань D між елементами екрану - не більше 0,1 робочої довжини хвилі, а З між полотном антени і екраном - 0,21...0,27 довжини хвилі. Елементи екрану кріплять до щогли тільки в центрі.
Повна зигзагоподібна антена, зображена на рис. 9, також не складна в виготовлення [1]. Вона складена з двох неповних (див. рис. 6). Її виконують з трубок, прутків, смуг або двох-трьох мідних дротів товщиною 2...3 мм, розташувавши їх паралельно на відстані 5...10 для ДМВ і 20...50 мм для МВ. Вхідний опір антени на резонансній частоті - 73 Ом. Коефіцієнт посилення - 6 дБ.
Антену підключають до кабелю зниження без узгоджуючих пристроїв безпосередньо у точках А і В. Фідер прокладають по одній із сторін антени.
При необхідності збільшення коефіцієнта посилення і зниження впливу відбитих сигналів встановлюють екран-рефлектор так само, як і для рамкових антен. Збільшення коефіцієнта посилення зигзагоподібної антени домагаються, використовуючи багатоелементні системи, антени з розімкнутими крайніми елементами кутом , великим 90° [3].
Антена "потрійний квадрат" [4] належить до ускладненим конструкцій і являє собою гібрид рамкової антени і "хвильового каналу". Вона показана на рис. 10. Її вхідний опір - 70 Ом, коефіцієнт посилення - 8 дБ. Антена складається з трьох квадратних елементів: рефлектора (Р), активного вібратора (В) і директора (D). Елементи виготовляють із прутка, дроту, трубок або смуг з поперечним розміром не менше 3 мм для ДМВ і 10 мм для МВ. Сторони квадратів Р, В і дорівнюють D 0,32, 0,25, 0,22 робочої довжини хвилі відповідно. Відстань а між рефлектором і вібратором одно 0,16, а між вібратором і директором b - 0,11 робочої довжини хвилі.
При виготовленні антени площині квадратів повинні бути паралельні, а їх центри - на одній осі. Посилити жорсткість антени можна, встановивши, крім верхньої металевої перекладини, діелектричні розпірки між квадратами. Відстань L для МВ дорівнює 40, а для ДМВ - 15 мм. Антену підключають до фідеру через згода пристрій "четвертьволновый короткозамкнений шлейф" (див. рис. 2).
Найгірші результати при спрощенні антени можна одержати, відмовившись від директора (антена "подвійний квадрат"), але при цьому змінивши бік рефлектора Р і відстань а до 0,31 і 0,18 довжини хвилі відповідно. Вхідний опір такої антени - близько 100 Ом, а посилення на 3...4 дБ гірше, ніж у "потрійної квадрата".
До ще більш складним вузькосмуговим конструкцій відноситься антена "хвильовий канал Шпиндлера" [5], зображена на рис. 5. Її вхідний опір на резонансній частоті дорівнює 280 Ом. Коефіцієнт підсилення залежить від числа елементів (див. таблицю).
Така багатоелементна антена, крім активного вібратора, який зазвичай виконують у вигляді вібратора Пистолькорса, складається з декількох пасивних вібраторів-директорів, з меншою довжиною розташовуються перед активним вібратором (в напрямку телецентру), і екрану-рефлектора, що розміщується ззаду, у напрямку, протилежному від телецентру. Вона працює за принципом "що біжить хвилі" і вважається найбільш ефективною вузькосмугової антеною. Однак вона складна у розрахунках і вимагає точності у виготовленні. Призначення директорів - посилення приходить з головного напрямку корисного сигналу, а рефлектора - ослаблення відображених та інших заважаючих сигналів.
Конструктивно елементи антени кріплять на металевій або діелектричної траверсе, що володіє необхідною механічною міцністю. При застосуванні металевої траверси довжину елементів збільшують на половину поперечного розміру траверси. Для розрахунку розмірів антени використовують складні формули або готові комп'ютерні програми. Одна з таких програм розроблено автором і знаходиться на сайті журналу "Радіо".
При виготовленні антени особливу увагу слід звернути на дотримання точних розмірів елементів, відстаней між ними і симетрії антени. Кабель зниження підключають через згода пристрій "U-коліно" (див. рис. 4) до точок А і В вібратора Пистолькорса.
Широкосмугові антени призначені для прийому телевізійних сигналів, значно відрізняються по частоті. Вони непогано працюють без перебудови, іноді повністю перекриваючи діапазони МВ або ДМВ і навіть всі телевізійні канали МВ та ДМВ. До найпростіших з числа таких широкосмугових антен відносяться антени типів "павутинка" і зигзагоподібна.
Конструкція антени "павутинка" показана на рис. 11. Аналогічна антена описана в [2]. Її коефіцієнт підсилення дорівнює 1,5 дБ, вхідний опір - 73 Ом. Така антена має широкий робочий діапазон частот. Однак через низький коефіцієнта посилення її використання обмежене діапазоном МВ. Орієнтують антену так само, як і будь-яку просту антену.
Елементи антени виготовляють з мідного дроту або латунного дроту завтовшки не менше 3 мм. В місцях з'єднання проводів забезпечують надійний електричний контакт. Розміри антени вибирають для самої низької частоти діапазону, як для полуволнового розрізного вібратора. Кут розчину a вибирають від 90 до 120°.
Антена не вимагає застосування узгоджувальних пристроїв - фідер підключають безпосередньо до точок А і В.
Зигзагоподібна антена виходить малогабаритної, якщо її використовувати на ДМВ. Однак, як показали дослідження, описані в [6], можна і розширити її робочу смугу частот у більш низькочастотну область, якщо використовувати в конструкції додаткові елементи, що зображені на рис. 9 штриховою лінією. В цьому випадку широкосмуговий зигзагоподібний антену розраховують на найвищу частоту сигналу.
Дуже часто (особливо у віддалених від передавальних станцій районах) посилення однієї антени виявляється недостатнім для впевненого прийому. В цьому випадку застосовують або антенні підсилювачі, або антенні решітки [4]. Причому використання останніх більш переважно, оскільки будь підсилювач вносить в корисний сигнал додатково власні шуми і спотворення, вимагає ретельної налаштування з досить складної вимірювальної апаратурою.
Найпростіша двоповерхова решітка складається з двох однотипних антен, активні елементи яких розташовані в одній вертикальній площині. Антени повинні бути рознесені одна від іншої (зазвичай по вертикалі) на відстань Н, рівне робочої довжині хвилі. Коефіцієнт посилення такої решітки приблизно на 3 дБ вище посилення одиночної антени.
Кращі результати можна одержати, застосовуючи антенну решітку з чотирьох антен, звану двоповерхової дворядною, так, як зображено на рис. 12. В цьому випадку коефіцієнт підсилення зростає до 6 дБ у порівнянні з однією антеною. Відстань Н також вибирають рівним робочій довжині хвилі. Часто складають ґрати з антен "хвильовий канал", рідше використовують рамкові антени.
Для підсумовування сигналів окремих антен решітки кабелі від них з'єднують через погоджують системи, що складаються з відрізків коаксіального кабелю з різним хвильовим опором завдовжки Т, рівній половині робочої довжини хвилі (з урахуванням коефіцієнта укорочення). Грати з двох антен підключають до кабелю зниження через відрізок кабелю з хвильовим опором 50 Ом так, як показано на рис. 13.
Якщо ж використовувати кабель з хвильовим опором 75 Ом, то з'єднувати дві антени слід згідно рис. 14.
У разі решітки з чотирьох антен підключення виконують кабелем РК-75 у відповідності з рис. 15.
Література
Автор: Ст. Портунов, Брянськ р.