Телевизионные антенны. Индивидуальное водяное отопление...("Сделай сам" №3-4∙1993)

Карнаухов Евгений Александрович

«ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ АНТЕННЫ»

Волков Валентин Александрович

«ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ВОДЯНОЕ ОТОПЛЕНИЕ»

Летчикова Ольга Германовна

«ИЗ УВЛЕЧЕННЫХ ВЫРАСТАЮТ ТАЛАНТЛИВЫЕ»

Логинова Наталья Николаевна

«НАРОДНАЯ КУХНЯ ВРАЧЕВАНИЯ»

---

Журнал «СДЕЛАЙ САМ»

(03–04)∙1993

_{Подписная научно-популярная серия}

УМЕЛЬЦЫ-УМЕЛЬЦАМ

Телевизионные антенны

Е.А. Карнаухов

Телевизионная антенна — глаза и уши вашего члена семьи по имени Телевизор. Здоровье и самочувствие этих органов восприятия во многом определяют и нормальное состояние работоспособности телевизора, да и ваше личное настроение в целом. Насколько это так, иллюстрирует классический, не вызывающий сомнений пример: пусть у вас будет самая совершенная супермодель телевизора японского-производства, но не лучшая по конструкции или своему состоянию (без профилактических осмотров) антенна — и телевизор никогда не обеспечит такого качества просмотра передач, на которые он способен. И наоборот, работа даже среднего по качеству российского экземпляра телевизора, в том числе и черно-белого, но с правильно подобранной и хорошо выполненной антенной, может стать предметом удовольствия, а значит, хорошего настроения у вас, ваших близких и друзей, включая, не смейтесь, домашних животных. Лично у меня был кот, который очень любил, когда включался телевизор на просмотр хоккейных матчей (и только!). Он тут же укладывался на телевизор с блаженным видом. Его привлекало не только тепло (телевизор при работе нагревается — это естественный сопутствующий процесс), он при этом свешивал морду над экраном и лапой с удовлетворением пытался уцепить быстро мелькающую шайбу.

«Ну и что?» — спросите вы. Однако если и посмотреть на этот эпизод с технической точки зрения, то маленькая по размерам и к тому же быстро перемещающаяся шайба на экране телевизора может быть заметна только при качественном изображении, а это невозможно без хорошей антенны, обеспечивающей нормальный сигнал и как следствие высокую четкость картинки.

Так что надо сделать, чтобы из имеющихся под рукой материалов получить наилучшие результаты работы телевизионной антенны? Об этом мы и расскажем в предлагаемом ниже материале.

Распределение частотного диапазона для телевизионного вещания

Телевизионным передатчикам (вещательным станциям) в соответствии с решениями международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) для работы в эфире выделены определенные участки — диапазоны. Полосы их частот (для стран СНГ) показаны в табл. 1.

Частоты, на которых работают телевизионные передатчики 1—12 каналов, по длине волн электромагнитных колебаний относят к участку метровых волн (MB). Частоты каналов выше 21 — к дециметровым (ДМВ). У нас в стране пока используют каналы не выше 41. Частотное распределение по каналам показано в табл.2.

F_из — несущая частота изображения;

F_зв — несущая частота звукового сопровождения;

F_cp — средняя частота канала;

λ_ср — средняя длина волны электромагнитных колебаний канала.

Желающие, при необходимости, продолжить приведенную таблицу до 81 канала (полоса 950…958 МГц) могут сделать это самостоятельно и без труда, так как каналы ДМВ имеют регулярную структуру без частотных разрывов.

Необходимость выделения и использования участка ДМВ продиктована развитием сети телевизионного вещания и увеличением числа станций, работающих в одном регионе и соседних регионах. Двум станциям с частотами соседних каналов (например, 4 и 5, 9 и 10) в одном или смежных регионах работать не удается из-за сильных взаимных влияний (помех) друг на друга. Исходя из этого, с большим трудом в пределах метровых участков можно распределить семь станций (каналы 2 и 3, 5 и б по своим частотам не являются смежными), несмотря на то, что число каналов 12.

Но ведь любая жизнеспособная система всегда подразумевает непременное развитие, а для вещания — это не только повышение качества передач, но и увеличение числа каналов. Вот и возникла необходимость освоения новых каналов, хотя это и сопряжено с дополнительными (и порой немалыми) затратами, усложнением приемной техники. И действительно, сегодня практически во многих городах ДМВ участок уже интенсивно используется. Телезрители г. Москвы и области уже давно привыкли и успели полюбить программы санкт-петербургской телевизионной студии, которые в эфире передаются по 33-му каналу. Примерно год назад 24-й канал был задействован как технический канал для ретрансляции программ всемирных новостей CNN (без перевода). Сейчас уже ведутся пробные передачи передатчиком небольшой мощности на 27-м канале, а в газетах уже появились сообщения о перспективе задействования в ближайшие годы каналов 49 и 51. Так что будущее телевизионного вещания за ДМВ каналами из-за существенно большей емкости этого диапазона.

Разновидности телевизионных антенн и их особенности

Главная цель использования телевизионной антенны — принять сигнал от телевизионного центра и в качественном виде передать на вход телевизионного приемника. Здесь под качеством подразумевают обеспечение достаточной амплитуды (или мощности) сигнала и необходимой полосы частот в выбранных рабочих участках диапазонов приема.

Но ведь условия работы для различных передатчиков, регионов, различной приемной техники отличаются существенно. Поэтому и телевизионные антенны приходится применять разнообразные.

Основной вариант подразделения антенн по принципу их работы и полосе рабочих частот. Поскольку антенны отличаются и по своим электрическим параметрам — величине усиления, направленных свойств, защищенности от побочных излучений, волнового сопротивления и других, — то антенны в отдельных необходимых случаях могут классифицировать по параметрическим критериям.

Но очень часто, особенно в радиолюбительской среде, антенны подразделяют по конструкционным особенностям. Оно не совсем точно с точки зрения принципа работы антенны, но достаточно удобно и характерно в смысле отличительных особенностей конструкции и сопутствующих им свойств. Поскольку наше повествование предназначено для начинающих радиолюбителей и домашних мастеров, многие из которых не владеют знаниями основ теории антенн и распространения радиоволн, поэтому мы позволили себе всю последующую классификацию (подразделение на группы) проводить по конструкционным особенностям телевизионных антенн.

По принципу действия различают следующие виды антенн.

Полуволновой вибратор. Это самая простейшая антенна. Однако она в качестве одного из элементов фигурирует в составе более сложных конструкций, и относительно этой антенны указывают сравнительные электрические параметры всех остальных, более сложных конструкций. Вот почему важно в полной мере знать свойства и параметры антенны данного вида.

Полуволновым вибратором называют по той причине, что линейная его длина равна половине длины волны электромагнитных колебаний на рабочей частоте канала.

По конструкционному признаку этот вид антенн разделяют на линейный вибратор (рис. 1, а), петлевой вибратор (рис. 1, б) и частотно-независимый (рис. 1, г).

Рис. 1. Полуволновой вибратор:

_{а) линейный вибратор; б) петлевой вибратор; в) крепление петлевого вибратора на основании; г) частотно-независимый вибратор}

Линейный вибратор отличается самым простым устройством, имеет волновое сопротивление 75 Ом и узкую полосу пропускания — в пределах одного телевизионного канала.

Петлевой вибратор несколько сложнее по своей конструкции и имеет сопротивление, близкое к 300 Ом. Вроде бы это не очень удобно (входное сопротивление телевизионного приемника и используемого для подключения к нему телевизионного кабеля равно 75 Ом), но, несмотря на это, у него имеется несомненное достоинство — в средней точке верхней половины вибратора электродвижущая сила (ЭДС) сигнала равна нулю — на рис. 1, в эта точка обозначена буквой О, — что позволяет использовать эту точку при монтаже для соединения с другими элементами и заземлением. Кроме того, петлевой вибратор несколько более широкополосен. Оба эти свойства активно и целенаправленно используют в многоэлементных конструкциях антенн.

Частотно-независимый вариант антенны (веерный вибратор) еще сложнее, но возможность работать одновременно во всех 12 каналах метрового диапазона обеспечил этому варианту широкое распространение.

Все варианты полуволнового вибратора обеспечивают прием сигналов в горизонтальной плоскости с двух направлений, перпендикулярных линии расположения вибратора. Только у широкополосного вибратора направленные свойства несколько более выражены в сторону сближения вибраторов.

«Волновой канал». Многоэлементная антенна (рис. 2) может содержать от 2 до 13 и более вибраторов (чаще 3–7). Основной элемент — активный вибратор А (рис. 2, а). В любой конструкции антенн данной группы он всегда один и полностью повторяет устройство петлевого вибратора.

Рис. 2. Антенны типа «волновой канал»:

_{а) трехэлементная антенна, б) пятиэлементная антенна, в) семиэлементная антенна, г) одиннадцатиэлементиая антенна, д) прием сигналов вертикальной поляризации.}

Перед активным вибратором (со стороны расположения принимаемого телецентра) и за ним располагаются дополнительные элементы. Элементы перед активным вибратором называются, не удивляйтесь, директорами (рис. 2, б). Их может быть несколько. Основное назначение этих вибраторов — уловить сигналы телецентра и переизлучить в сторону вибратора. Чем больше директоров, тем большая мощность сигнала переизлучается в сторону активного вибратора и тем большим коэффициентом усиления обладает антенна, казалось бы, давайте сделаем бесчисленное множество этих директоров, и по своим направленным свойствам никаких других антенн больше не потребуется! К сожалению, увеличение числа директоров увеличивает не только направленные свойства антенны, но и ее длину и массу. И при конструировании антенны «волновой канал» наступает такой момент, когда добавление следующего директора длину и массу увеличивает сравнительно сильнее, чем направленные свойства антенны.

Существует некоторая целесообразность наращивания числа директоров — в I диапазоне их ограничивают 2–3 (Рис. 2, а и 2, б), во II — 3–5 (рис. 2, в), в — 5—11 (рис. 2, г), в IV — как правило, не более 24.

Элемент, расположенный за активным вибратором, называют рефлектором — Р.

Это слово и термин, по всей вероятности, знакомо всем. Да, это отражатель. Отражатель сигнала в сторону активного вибратора и, значит, тоже способствующего улучшению направленных свойств конструкции антенны.

Рефлектор в конструкции антенны тоже один. Но зато он может быть в виде одного вибратора (рис. 2, а) или нескольких (рис. 2, в). Если вибраторы расположены относительно друг друга на расстоянии не более 0,1λ, то такую систему рефлекторов называют рефлекторной решеткой. Элементы антенной решетки часто располагают в одной плоскости — такой вариант размещения более прост в конструкционном плане. Но лучший вариант размещения элементов рефлекторной решетки с точки зрения улучшения приемных свойств антенн — параболическая образующая. В этом случае активный вибратор находится в фазовом центре отраженной от рефлектора волны — создается эффект фокусирования, знакомый многим по фокусированию оптических лучей выпуклыми линзами, что в еще большей степени повышает уровень принятого сигнала. Однако конструкционное исполнение такого варианта рефлектора сложнее, поэтому применяется в основном только для работы в высокочастотных каналах дециметрового диапазона, где геометрические размеры конструкций антенн много меньше.

Поскольку от рефлектора и директоров телевизионный сигнал непосредственно к телевизору не снимают, то эти вибраторы в конструкциях антенн называют пассивными.

У рефлектора есть еще одно назначение — защитить активный вибратор от сигнала, приходящего сзади (такое возможно при наличии телецентра, ретранслятора с противоположной стороны или при отражении сигналов от каких-либо объектов, расположенных сзади антенны). Таким образом, рефлектор представляет собой пространственный экран (особенно выраженный у рефлекторной решетки) и тем самым повышает помехозащищенность для нежелательных воздействий.

Помехозащищенность от сигналов, источник которых находится под некоторым углом со стороны телецентра, можно обеспечить увеличением числа директоров до разумных пределов. В этом случае угол раскрыва направления наилучшего приема уменьшается, что позволяет оставить за пределами данного угла источники мешающих сигналов.

Данный вид антенн можно применять и для приема телевизионных станций с вертикальной поляризацией волн. Для этого достаточно повернуть стрелу антенны с расположенными на ней активными и пассивными элементами на 90°, как показано на рис. 2, д.

Рамочная антенна. Появление телецентров с вертикальной поляризацией излучения сигнала (вертикальное направление вектора электрической составляющей электромагнитных колебаний), как было сказано выше, требует изменения ориентировки типа волновой канал в пространстве. Это нетрудно сделать (при определенных условиях), когда антенну только устанавливают на мачту. Но если в регионе работают несколько передатчиков (возможно, одного и того телецентра) с различной поляризацией, то изменять положение антенны на высоте 5…10 м, а то и выше, каждый раз при переходе приема с одной программы на другую, согласитесь, мало кому доставит удовольствие. Придется иметь несколько антенн со всеми вытекающими отсюда проблемами по усложнению конструкции согласования и коммутации.

В этой ситуации вам на помощь придет рамочная антенна, показанная на рис. 3. Некоторые радиолюбители называют ее еще «квадрат», но это уже дело вкуса.

Рис. 3. Рамочные антенны:

_{а) двухэлементная антенна, б) симметрирующее устройство рамочной антенны, в) рамочная антенна диапазона ДМВ}

Если к активному вибратору рамочной антенны внимательно присмотреться, то нетрудно увидеть, что это тот же самый петлевой вибратор, но с раздвинутыми горизонтальными элементами. Благодаря этому вибратор снова стал иметь сопротивление 75 Ом. Но при этом рабочий диапазон оказался несколько более расширенным и с более равномерной отдачей на всех частотах в пределах рабочего канала.

Но появилось и новое достоинство конструкции антенны — вертикальные соединительные линии (вертикальные части рамки) работают как активный элемент при вертикальной поляризации излучения сигнала. Таким образом, такую антенну очень удобно использовать при работе с сигналами телецентра, имеющими различную поляризацию, — и при этом не требуется пространственного перемещения антенны. Тот, кто уже воспользовался этим свойством антенны, подтвердит, как удобно иметь такую конструкцию.

Рамочная антенна по конструкционному исполнению может быть выполнена в виде одного активного вибратора, двухэлементной (рис. 3, а) — активный вибратор с рефлектором, трехэлементной — активный вибратор с директором и рефлектором. Антенны с большим количеством элементов, как правило, не конструируют.

На рис. 3, в показана двухэлементная широкополосная рамочная антенна для диапазона ДМВ. Эта конструкция имеет очень малые размеры, поэтому ее очень удобно выполнять в виде настольной конструкции. Но это не значит, что невозможен вариант ее расположения вне помещения.

Зигзагообразная антенна. Этот вид антенны назван по своему внешнему виду и способу изготовления многоэлементного вибратора (антенного полотна). Впервые антенна была предложена К.Харченко и изготовлялась из длинного (безразрывного) проводника, укладываемого зигзагом по опорам крестообразной мачты (рис. 4, в). Впоследствии, по мере накопления опыта, совершенствования и модернизации конструкции, антенну стали изготовлять и из других материалов и даже видоизмененной по форме — треугольные и кругообразные вибраторы.

Как видно из схемы (рис. 4, а), антенны, проводники контуров антенного полотна находятся как бы один в другом, а значит, имеют различную длину. Отсюда одна из характерных особенностей данного вида антенны — при достаточно высоком коэффициенте усиления существенно большая полоса пропускания. Даже в метровом диапазоне возможно построение конструкции для работы в 1—5-м и 6—12-м каналах.

И еще одно достоинство конструкции. Она обладает сопротивлением в точке питания 75 Ом, что позволяет без каких-либо дополнительных приспособлений подключать в точках питания 75-омный радиочастотный кабель Фидера (снижение к телевизору).

Конструкцию зигзагообразной антенны можно выполнить и из трубок или пластин металла (рис. 4, б), а для повышения направленных свойств применить рефлектор в виде рефлекторной решетки.

Рис. 4. Зигзагообразные антенны:

_{а) зигзагообразная антенна из гибких проводников; б) зигзагообразная антенна из трубок с рефлектором; в) антенна типа «паутинка»; г) двойная треугольная антенна}

Оба представленных варианта антенны в самой верхней и самой нижней точках имеют нулевой потенциал, что может оказаться удобным для введения каких-либо дополнительных элементов, например элементов крепежа, громозащиты.

Отметим существующие в настоящее время модификации антенн. Стремление к компактности и снижению расхода материала отразилось на том, что некоторые радиолюбители стали использовать неполную зигзагообразную антенну, а только нижнюю ее половину (на рисунках этот вид антенн не показан, так как он имеет точно такую же структуру). Это не отразилось на широкополосности и способе согласования. Правда, несколько снизило коэффициент усиления, но использование такой разновидности конструкции не на пределе зоны уверенного приема вполне оправданно.

Другая разновидность модификации, по образному выражению некоторых радиолюбителей «паутинка», показана на рис. 4, в. Особенность этой конструкции — большая полоса пропускания. Поэтому она может быть использована для приема сигналов во всех двенадцати каналах метрового диапазона. Но конструкция обладает несколько меньшим коэффициентом усиления на низкочастотных каналах 1,1…1,3, на высокочастотных — 2…2,2.

Вариант неполной зигзагообразной антенны, показанной на рис. 4, г, называется двойной треугольной антенной (тоже по внешнему виду). Она состоит из двух треугольных рамок, соединенных между собой. Способ изготовления этого варианта может быть таким же, как у полных зигзагообразных антенн, — из проводников или из трубок и пластин. Для улучшения направленных свойств и помехозащищенности возможно применение рефлекторной решетки.

Логопериодическая антенна. Еще одним видом широкополосной антенны с высоким коэффициентом усиления является антенна с логарифмической периодичностью параметров (ЛПА). Такие конструкции радиолюбители используют уже не одно десятилетие, поэтому существует несколько их разновидностей, хотя принцип работы у всех один и тот же.

Антенны ЛПА просты в изготовлении, хорошо согласуются с 75-омным кабелем. Каждая из антенн ЛПА состоит из систем вибраторов различной длины. Как правило, таких структур две, объединенных собирательной линией.

Один из вариантов антенны показан на рис. 5, а. Она рассчитана на работу в диапазонах метровых волн на 1—12 каналах. Структуры совершенно одинаковые, ее элементы крепят на несущей стреле, и соседние вибраторы для получения необходимой жесткости соединены между собой концами труб. Таким образом сформирована структура, по внешнему виду напоминающая «змейку». Две стрелы с вибраторами под углом 60° закреплены на деревянной мачте — в данном случае сами стрелы выполняют и роль собирательной линии. Элементы собирательной линии не должны иметь электрического контакта между собой. Вдоль одной из линий (конструкционно это удобно вдоль нижней линии) проложен кабель Фидера до точки питания, а он находится со стороны направления на телецентр.

При использовании для изготовления ЛПА труб большого диаметра создание концов вибраторов между собой становится не очень удобным, да и большое число вибраторов серьезно утяжеляет конструкцию. В этом случае вариант, показанный на рис. 5, б, позволяет уменьшить число вибраторов и несколько иначе расположить их, а концы вибраторов соединить антенным канатиком.

На рис. 5,в показана модификация антенны ЛПА, у которой элементы собирательной линии параллельны друг другу, поэтому антенна приобретает компактный вид. Вместе с уменьшением числа вибраторов, а для диапазона ДМВ и размеров вибраторов удается сделать очень легкую и компактную конструкцию.

Рис. 5. Логопериодические антенны:

_{а) с треугольным расположением элементов; б) с трапецеидальным расположением вибраторов; в) антенна для диапазона ДМВ}