Для прийому телевізійних сигналів в діапазоні ДМВ, особливо в несприятливих умовах, необхідно використовувати хороші антени з антенними підсилювачами, тобто активні антени. Про досвід спорудження таких антен і розповідає автор публікується статті.
В діапазоні ДМВ застосування ефективних антенно-фідерних систем (АФС) для прийому сигналів у складних умовах не втратила своєї актуальності. Відносно мала довжина цих хвиль λ дозволяє створювати високоефективні антени при порівняно невеликих розмірах.
Після тривалих експериментів з різними антенами за основу була взята відома зигзагоподібна антена [1], показана на рис. 1. Конструктивно в класичному вигляді полотно антени складається з двох однакових ромбовидних частин, повернених одна відносно іншої на 180°. Отже, така антена симетрична. Ця особливість допускає застосування антенних підсилювачів (АУ) з симетричним входом і великим посиленням, наприклад, пластинчастих підсилювачів (ПАУ) SWA та ін [2, 3].
Посилення зигзагоподібної антени залежить від відношення l/λ, а її вхідний опір - від відносин l/d і l/λ. Максимальне посилення досягається при довжині l = 0,375 λ, але при цьому воно сильно залежить від діаметру дроту.
При l = 0,25 λ посилення виходить, звичайно, менше, але і залежність від діаметра дроти зменшується.
При зміні кута α змінюються габарити полотна. Так, якщо α = 90°, то SH = 2√2l = 2,83 l; SE = l√2= 1,41 l, а якщо α = 120°, то SH = 2l; SE = 1,73 l. Це необхідно враховувати при створенні складних АФС (про це далі). Основні розміри полотна антени, наприклад, для 29-го каналу зведені в табл. 1. Слід також мати на увазі і те, що з зменшенням діаметра дроту і збільшенням периметра полотна посилення зростає. Крім того, при виборі більш тонкого дроту зменшується парусність антени.
Різні конструктивні виконання антени мають різні вхідні опору (табл. 1). Отже, необхідні і різні способи узгодження симетричного входу полотна з симетричним входом АУ, які мають вхідний опір 300 Ом. Вони показані на рис. 2 [4].
При вхідному опорі полотна 300 Ом АУ, звичайно, можна підключити безпосередньо до точок а - а. Однак для збільшення і спрямований на посилення дії антени полотно зазвичай використовують разом з рефлектором (про нього буде розказано нижче). Тому АУ краще встановити за рефлектором, з'єднавши з полотном симетричної лінією з хвильовим опором 300 Ом так, як показано на рис. 2,а - для повітряної лінії, на рис. 2,6 - для кабелю КАТВ або на рис. 2, - для кабелю РК-150. В останньому випадку обплетення двох відрізків кабелю споюють одну з іншої на кінцях.
У всіх випадках необхідно враховувати коефіцієнт укорочення лінії К. Для повітряної лінії з проводів (мал. 2,а) - К=0,975, для КАТВ (рис. 2,6) - К = 0,8, для кабелю РК-150 (рис. 2,в) - К = 0,75...0,86 залежно від типу кабелю.
Найбільш зручно (на думку автора) використовувати полотно з вхідним опором 75 Ом. В цьому випадку для узгодження можна застосувати четвертьволновый узгоджувальний трансформатор з лінії з хвильовим опором 150 Ом так, як зображено на рис. 2, р. Він утворений двома відрізками кабелю РК-75 довжиною 0,25 λKn, де n - непарне число. Коефіцієнт К дорівнює 0,65789 для кабелю поліетиленовою ізоляцією. Розміри трансформатора дані по спаянным на кінцях оплеткам.
Формула для розрахунку трансформатора відома:
Zтр = √Zвх · Zвих ,
тому і виходить
Zтр = √75 · 300 = 150 Ом.
Розімкнутий узгоджувальний шлейф, показаний на рис. 2,д, і четвертьволновый трансформатор (рис. 2,е) дозволяють погодити АУ і антену з вхідною опором, рівним менше 300 Ом. Для виготовлення шлейфу використовують графіки в [4]. Орієнтовні коефіцієнти для розрахунку шлейфу і параметри четвертьволнового трансформатора вказані в табл. 2. Основна вимога для шлейфу - Zл = Zш = 300 Ом. Розміри шлейфу і сполучної лінії пов'язані співвідношення А = В + С.
На рис. 2,д представлений спосіб підключення полотна з Rвх = 100 Ом до АУ з Rвх = 300 Ом, причому В = 0,13 λК, а З = 0,09 λК. Для підключення використовують симетричний кабель КАТВ (SLX-300) або повітряну лінію з хвильовим опором 300 Ом. Для другого випадку відношення (D/d) = 6,11. При використанні дроту діаметром 3,569 мм відстань між осями дротів дорівнює D = 21,8 мм. Для збереження фіксованого відстані між проводами уздовж лінії розміщують кілька поперечних розпірок з високоякісних ізоляційних матеріалів, які не погіршують властивостей при впливі навколишнього середовища (фторопласт, поліетилен, органічне скло). Слід мати на увазі, що, переміщаючи шлейф в точках в і змінюючи тим самим розмір, можна домогтися чіткого зображення на екрані телевізора.
Четвертьволновый трансформатор можна виготовити з трубок діаметром більше 10 мм, як на рис. 2,тобто При меншому діаметрі зазор між трубками буде дуже малий, що утруднить виготовлення трансформатора.
Наведемо приклад розрахунку полотна для 29-го каналу. При Fиз = 535,25 МГц знайдемо λиз = 300 000/Fиз = 560,48 мм. Якщо Rвх = 75 Ом і α = 90°, розмір сторони ромбовидної частини (див. табл. 1) дорівнює l = 0,29 λ = 162,5 мм, α (l/d) = 32...75. Отже, діаметр проводу полотна дорівнює 2,1...5,1 мм Можна застосувати смужки шириною 2d, тобто 4,2...10,2 мм, з міді або дюралюмінію.
Зазначимо, що на всіх наступних малюнках розміри дані для 29-го каналу. Перерахування на інші канали не складний: знаючи відношення частоти 29-го каналу до частоті визначається каналу, відомі розміри множать на це ставлення.
Звичайно, полотно антени, крім ромбовидних частин, може являти собою і інші форми, наприклад, зигзагокольцеобразную з суцільними металевими секторами, як показано на рис. 3.
В залежності від кута β полотно має різне вхідний опір. Наприклад, при β = 90° воно одно Rвх = 100 Ом, а при β = 140° - Rвх = 75 Ом. Це визначає і різні способи узгодження полотна з АУ. Так, полотно при β = 90° більш широкополосно і узгоджується шлейфом в відповідності і з рис. 2, д. При β = 140° антена буде більш вузькосмугової з-за необхідності застосування четвертьволнового узгоджувального трансформатора по рис. 2, р.
Для виготовлення такого полотна використовують пластини з латуні товщиною 0,3 мм. З метою зменшення парусності полотна в кожному секторі свердлять по 15-20 отворів діаметром 5 мм з рівномірним розподілом по площі.
Розміри шлейфу для узгодження з рис. 2, д наступні: В=60 мм, З=40 мм, відрізки в - з кабелю КАТВ можуть бути довжиною 224n мм, де n=1,2,3.... Четвертьволновый трансформатор з кабелю РК-75 при узгодженні з рис. 2, м може мати довжину 92,18 n мм, де n = 1,3,5,7....
За табл. 1 можна вибрати будь полотно з 25 запропонованих виходячи з наявності матеріалів або інших характеристик.
Діаграма спрямованості полотна антени (без рефлектора) - двухлепестковая виду "вісімки", тому застосування рефлектора у всіх випадках доцільно і ефективно, так як покращує спрямовані властивості і підвищує посилення антени приблизно на 3 дБ при конструктивному виконанні рефлектора, аналогічному полотну. Однак більш ефективний спосіб збільшення підсилення антени приблизно на 7 дБ - установка рефлекторної решітки або сітки з дрібними отворами. Решітка/сітка повинна бути зварної і мати антикорозійне покриття. Розміри решітки/сітки повинні бути на 5...10 % більше вертикального (Ѕн) і горизонтального (SE) розмірів полотна.
Грати/сітку розташовують на відстані h=100...50 мм позаду полотна в залежно від прийнятого каналу (21-69). Значення h впливає на вхідний опір полотна і може служити додатковим способом поліпшення узгодження всієї АФС. Змінюючи h при розміщенні решітки на різьбових шпильках, домагаються чіткого зображення з найменшим рівнем шумів ("сніги") на екрані телевізора.
Використання рефлекторної решітки/сітки змінює діаграму спрямованості антени, перетворюючи її у вузьку однолепестковую. В результаті прийом з боку рефлектора значно ослаблений, що підвищує перешкодозахищеність АФС.
Ще більшого збільшення направленої дії і посилення антени можна домогтися, якщо застосувати синфазное включення двох і більше полотен - синфазні решітки. Це дозволяє приймати передачі на значній відстані і в складних умовах. Такі антени являють собою трохи паралельно включених полотен, рознесених по горизонталі або (і) по вертикалі в одній площині.
Для прикладу на рис. 4 представлено синфазное включення двох полотен з вхідною опором 150 Ом, рознесених по вертикалі. Зображене на малюнку полотно можна вважати модифікацією зигзагокольцеобразной антени з кутом β = 0 або різновидом кільцевої. Антена добре працює в діапазоні ДМВ при діаметрі дроти всього 1,5 мм.
Способи узгодження такої антени з АУ можуть бути різними. Так, на рис. 4 показаний варіант включення двох полотен, розташованих на оптимальній відстані 0,7 λ по вертикалі, з лінією живлення, підключеної до нижнього полотна (зтажу). Для зв'язки між поверхами використана двопровідна лінія довжиною λК. Лінія утворена двома відрізками кабелю РК-75 (К=0,65789). Вона симетрична і має хвильовий опір 150 Ом, що забезпечує гарне узгодження з полотном.
В результаті такого паралельного з'єднання двох однакових полотен вхідна опір усієї АФС в точках а - а1 виходить рівним 75 Ом. Узгодження з АУ зроблено четвертьволновым узгоджувальних трансформатором за рис. 2,р. утвореним двома відрізками кабелю РК-75.
Однак більш кращий (на думку автора) інший варіант - центрального харчування. Він має більш широку смугу пропускання. Причому полотна можна рознести як по вертикалі, так і по горизонталі (0,7...0,75)Х між їх центрами.
Для об'єднання полотен при центральному харчуванні між ними включають дві послідовно з'єднані симетричні лінії на рис. 2,довжиною 0.5 ГК (184,4 мм по спаянным оплеткам на кінцях), але утворених відрізками кабелю РК-75. При це в центральних точках - виходить вхідний опір антени 75 Ом. До них підключають той же четвертьволновый узгоджувальний трансформатор, що і на рис. 4.
Аналогічно використовують полотна по рис. 1 з кутом α = 120°. Якщо застосовані такі полотна з кутом α = 90°, то краще їх рознести по горизонталі.
Синфазное включення трьох однакових полотен за рис. 1 з центральним живленням зображено на рис. 5. Грати забезпечена рефлекторної сіткою. Вхідна опір кожного полотна дорівнює близько 100 Ом і слабо залежить від діаметру проводи. Для перевірки були використані дроту діаметром 1,2 [(l/d) = 117] і 2,76 [(l/d) = 51] мм. Розміри з'єднувальних ліній λК залишаться ті ж, якщо використовувати і інші полотна з Rвх = 100 Ом (рис. 1 при α = 120° або рис. 3 при β = 90°).
Полотна з'єднують між собою паралельно симетричними лініями з хвильовим опором 100 Ом, утвореними відрізками кабелю РК-50 довжиною (по спаянным оплеткам), рівній λК (це умова - обов'язкова!). В точках - в загальний вхідний опір антени дорівнює 33,3 Ом. Узгодження з АУ забезпечується четвертьволновым трансформатором з відрізків кабелю РК-50 (рис. 2,г) завдовжки 277 мм
Всі полотна закріплюють на планці з органічного скла товщиною 5 мм До рефлектора і щоглі планка закріплена чотирма різьбовими шпильками у точках 0. Рефлекторну сітку (комірки з розмірами 18x18 мм) видаляють від полотна антени на відстань h = 105 мм, змінюється на ±15 мм.
Як вже було вище сказано, АУ встановлюють за рефлектором на щоглі і підключають до полотна в точках з - с. Блок живлення (БЖ) АУ розміщують поруч з телевізором або на його задній стінці так, як показано на рис. 6.
Постійне напруга 12 В з БЖ надходить по кабелю зниження РК-75 через развязывающее пристрій (РУ), включене у відповідності з рис. 7. РУ складається з дроселя L1 і конденсатора С2.
Зазвичай ПАУ типів SWA, GPS і ін живлять від малопотужних БП, які мають різні схемні рішення, але найчастіше не захищені від короткого замикання в навантаженні. А така захист необхідна. Крім того, якщо прийом телевізійних сигналів відбувається з різних напрямків, наприклад, на дві антени, то перемикання кабелів від антен на вході телевізора вносить ряд незручностей, причому швидко зношуються роз'єми. Тому бажано передбачити їх автоматичне перемикання.
Для усунення зазначених недоліків були розроблені різні БЖ АУ. Принципова схема одного з варіантів БЖ із застосуванням реле для автоматичного перемикання антен представлена на рис. 8. Прийом сильних сигналів ДМВ забезпечує антена А1 без АУ, підключена до гнізда XW2, причому БЖ в цьому випадку вимкнений. Для прийому слабких сигналів антена підключається А2 (XW3) з АУ, що відбувається при включенні БЖ.
БЖ включається при натисканні на кнопку SB1. При цьому спрацьовує реле К1 і його контакти К1.1 блокують кнопку SB1, утримуючи БЖ включеним. Контакти К1.2 відключають антену А1 і підключають антену А2 до телевізора. Випрямлена напруга, діагностуємих світлодіод HL2, виходу з БЖ проходить на АУ.
При короткому замиканні в АУ або фідері напруга на виході БЖ і струм через обмотку реле К1 впадуть. Реле відпустить контакти К1.1, які вимкнуть БЖ. Світлодіод HL2 і лампа HL1 згаснуть.
Резистор R1 підбирають так, щоб при стабілізованому напрузі 12В забезпечити чітке спрацьовування реле при мінімальному струмі через його обмотку. Реле може бути будь-яке, наприклад, РЭС47 (паспорт РФ4.500.409). Лампа HL1 (6,3 В х 0,28 А) відображає включення БП по мережі і одночасно служить запобіжником у первинної ланцюга трансформатора Т1. Трансформатор - будь-який з напругою на обмотці II - 9...11 Ст. Дросель L1 - також будь, наприклад, ДМ-0,6. Мікросхема КР142ЕН8Б забезпечує максимальний струм 1,5 А і має захист від перевантажень по струму. Однак БЖ споживає не більше 0,1 А, тому можна застосувати менш потужну мікросхему, наприклад, 78L12.
Для прийому сигналів в діапазоні ДМВ у журналі розглянуто кілька АУ, наприклад, [5]. Всі вони мають вхідний опір 75 Ом. Їх теж можна використовувати з описаними антенами з симетричним входом. Для цього потрібно застосувати відоме згода симметрирующее пристрій (РСУ) на феритовому кільці, що включається за схемою на рис, 9,а. Але можна встановити РСУ у вигляді U-петлі за рис. 9,б. Кабель, що йде до АУ, повинен бути коротким і краще довжиною 0.5 λК.
Вибираючи місце установки антени, необхідно пам'ятати, що кожен зайвий метр кабелю зниження послабить сигнал в діапазоні ДМВ на 0,16...0,4 дБ. Чим тонше кабель, тим більше втрати. При остаточному монтажі АФС бажано встановлювати новий кабель, так як до кінця його терміну зберігання (він визначений у 12 років) коефіцієнт загасання збільшується на 30...60%. Кабель краще вибирати більш високочастотний, з великим діаметром центрального провідника. Слід також забезпечити надійну гідроізоляцію в місцях пайки.
Література
Автор: Ю. Филичев, р. Вільнюс, Литва