1.13. Направленная антенна «Волновой канал»
1.13. Направленная антенна «Волновой канал»
Направленные антенны позволяют добиться большей эффективности работы радиостанции. На Си-Би радиостанции обычно используется одна антенна для приема и передачи, поэтому направленная антенна, имеющая определенное усиление, дает выигрыш как по приему, так и по передаче. Выигрыш в режиме передачи состоит в том, что уровень сигнала, принимаемого корреспондентом, будет выше на величину усиления антенны. В режиме приема принимаемый сигнал также будет выше на величину усиления антенны, но кроме того будут дополнительно ослаблены помехи, приходящие с направлений, отличных от направления на полезный сигнал. Этот выигрыш часто оказывается наиболее важным с точки зрения эффективности связи, поэтому антенны настраивают не по максимальному усилению, а по максимальному отношению усиления в прямом и обратном направлениях. Одной из широко распространенных типов направленных антенн является антенна «волновой канал» или «Яги» по фамилии одного из изобретателей. Конструкция 4-х элементной антенны «волновой канал» представлена на рис. 1.25.
Как видно из рисунка, антенна «волновой канал» представляет собой систему вибраторов, расположенных на общем несущем буме. За счет разной длины элементы имеют различные резонансные частоты. Подбирая длину элементов и их взаимное расположение, можно добиться усиления излучения в одном направлении. Длина вибратора, к которому подключается кабель питания, выбирается такой, чтобы обеспечить резонанс на рабочей частоте. Элемент, имеющий несколько большую длину, чем вибратор, обеспечивает отражение электромагнитной волны в сторону вибратора и называется рефлектором. Элементы, имеющие несколько меньшую длину, чем вибратор, обеспечивают дополнительную фокусировку излучения и повышают направленность антенны и называются директорами. В целом элементы составляют сложную резонансную систему, в которой обеспечиваются необходимые параметры антенны. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что невозможно обеспечить оптимизаций всех параметров одновременно. Так, при регулировке на максимальное усиление уменьшается ослабление в обратном направлении и полоса частот с допустимым значением КСВ. При регулировке на максимальное отношение усиления вперед/назад падает усиление в прямом направлении. На рис. 1.26 изображена антенна с размерами, обеспечивающими достаточно хороший компромисс всех параметров.
В первую очередь при компьютерном моделировании данной антенны решалась задача получения полосы пропускания не менее 2 сеток. Широкополосную антенну проще настраивать и при изготовлении в домашних условиях проще добиться хорошего результата. Большинство промышленных антенн также оптимизируются по полосе пропускания с сохранением достаточно большого усиления. Основные параметры антенны приведены на рис. 1.27.
Как видно из рисунка, антенна имеет КСВ меньше 2 в полосе частот 1,4 МГц. Эта полоса с запасом перекрывает разрешенные сетки С и D. В полосе пропускания усиление составляет не менее 9 дБи (при расположении антенны в свободном пространстве). Соотношение усиления вперед/назад около 15дБ. На рис. 1.28 изображена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты установки антенны и проводимости «земли». При установке антенны на проводящей крыше здания (в том числе и железобетонной) крыша и будет являться «землей». За счет отражения от «земли» антенна будет иметь большее усиление и диаграмма направленности в вертикальной плоскости будет более острой, чем диаграмма направленности этой же антенны в свободном пространстве. На рисунках 1.29 — 1.31 приведены диаграммы направленности в вертикальной плоскости при высоте установки антенны 1/2, 3/4 и 1 длины волны.
Следует отметить, что в реальных условиях земля не обладает идеальной проводимостью и при отражении от земли будут потери излучённой антенной мощности. Усиление антенны в этих условиях окажется меньше расчетного, а диаграмма направленности (в вертикальной плоскости) более широкой.
В зависимости от диаметра примененных труб, высоты установки над землей и других местных условий размеры могут несколько отличаться от указанных. Антенна, естественно, может быть настроена и на другие близлежащие частоты путем пропорционального изменения всех размеров. Конструкция антенны предусматривает возможность такой настройки. Антенна представляет собой цельнометаллическую конструкцию из тонкостенных дюралевых труб. В качестве несущего бума используется труба диаметром около 50 мм. Элементы составлены из труб двух диаметров. Центральная часть длиной около 3 метров изготавливается из трубы диаметром 20. 25 мм. Концевые части элементов изготавливаются из более тонкой трубы. Диаметр этой трубы подбирается таким, чтобы она плотно входила в центральную часть. Для закрепления соединения в более толстой трубе ножовкой делается пропил на глубину 30 мм. Тонкая труба вставляется в более толстую не менее чем на 300 мм (для обеспечения прочности и возможности последующей настройки) и вся конструкция скрепляется автомобильным хомутом подходящего диаметра. Конструкция узла крепления элементов к буму изображена на рис. 1.32.
Крепление U-образными болтами более предпочтительно с точки зрения прочности конструкции, поэтому если есть возможность использовать уголок большего сечения (50х50), то целесообразней не сверлить отверстия в элементах антенны и применить для крепления U-образные болты. Способ крепления к мачте или поворотному устройству в основном определяется их конструктивными особенностями и здесь не рассматривается.
После сборки антенны все резьбовые соединения стоит защитить краской или герметиком. Это предотвратит самопроизвольное отворачивание гаек и, с другой стороны, позволит при необходимости отвернуть гайки после длительного пребывания антенны под открытым небом.
После сборки антенны необходимо обеспечить ее согласование с кабелем. На рис. 1.33 приведена зависимость комплексного сопротивления антенны от частоты. Значком Х отмечена частота 27,9 МГц, а значком О — частота 26,9 МГц. Кривая линия, соединяющая эти точки, представляет собой график зависимости комплексного сопротивления антенны от частоты. Пересечение этой кривой шкалы активного сопротивления (вертикальная линия) показывает сопротивление антенны при резонансе — 32,5 Ом. Окружность в центре рисунка ограничивает область, где входное сопротивление антенны соответствует значению КСВ менее 2 при непосредственном подключении 50-омного кабеля (в этом случае вибратор делается разрезным). Однако в этом случае приемлемое значение КСВ обеспечивается не во всем заданном диапазоне частот. Для точного согласования целесообразно использовать одно из согласующих устройств. На рис. 1.35 приведена зависимость
комплексного сопротивления антенны с согласующим устройством от частоты при условии точного согласования с 50-омным кабелем на частоте 27,4 МГц. При этом КСВ во всем частотном диапазоне антенны менее 2.
Для согласования антенны с кабелем используется гамма-согласующее устройство. На рис. 1.34 приведена схема этого устройства и приведены необходимые размеры.
Конструкция гамма-согласующего устройства показана на рис. 1.36. Длина тонкой трубки составляет 600 мм, что несколько больше величины, указанной на рис. 1.34 из-за особенностей примененного конденсатора. Конденсатор С1 гамма-согласующего устройства имеет коаксиальную конструкцию. С отрезка 50-омного
коаксиального кабеля длиной 600 мм снимается защитная оболочка и медная оплетка. С одной стороны на расстоянии 20 мм снимается внутренний изолятор. Внутренний проводник облуживается и припаивается к разъему SO-239. Затем этот отрезок кабеля вставляется в тонкую трубку. Скоба крепления и перемычка изготавливаются из мягкого алюминиевого листа толщиной около 1,5 мм. Скоба крепления фиксируется U-образной шпилькой, крепящей вибратор к буму.
Настройка антенны на минимальное значение КСВ на частоте 27,4 МГц производится путем перемещения перемычки. После настройки фиксирующие болты на перемычке затягиваются и защищаются герметиком или краской. Необходимо отметить, что настройку антенны следует проводить на той высоте, на которой она в дальнейшем будет эксплуатироваться. Поэтому конструкция мачты с поворотным устройством должна предусматривать возможность многократного подъема и опускания антенны.
В заключение следует отметить, что изготовление сложных направленных антенн можно рекомендовать опытным радиолюбителям, имеющим необходимые знания и опыт постройки и эксплуатации антенн. Начинающим стоит придерживаться правила «от простого к сложному».
Источник
10.14. Настройка антенн типа «Волновой канал»
10. 14. Настройка антенн типа «Волновой канал»
При дальнем приеме телевидения очень важно получить от антенны максимальный коэффициент усиления. Для этого многоэлементные антенны типа «Волновой канал» необходимо настраивать, изменяя в небольших пределах длину вибраторов и расстояние между ними. Изменение линейных размеров элементов и расстояния между ними всего на 10% от оптимальных приводит к изменению коэффициента усиления у 2-элементной антенны на 8. 12%, у 3-элементной — на 20. 30, у 5-элементной — на 40. 60%. Если антенна изготовлена по расчетным данным и не настроена, коэффициент ее усиления тем значительнее отличается от максимально возможного, чем больше элементов в антенне.
Если при настройке многоэлементной антенны стараются получить максимально возможный коэффициент усиления, антенна будет иметь узкую полосу пропускания. Вследствие этого, настраивая многоэлементные антенны, необходимо искать компромиссное решение, чтобы получить высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания. Эту задачу можно решить экспериментально подбором длин пассивных вибраторов и расстояний между вибраторами антенны. Различные способы изменения длины вибраторов показаны на рис. 10. 53.
Настройку и ориентировку телевизионных антенн можно осуществлять с помощью простого портативного переносного прибора, состоящего из измерительного блока и детекторной головки (рис. 10. 54 и 10. 55).
Для переноски прибора используют пластмассовую коробку. В коробке находится усилитель постоянного тока на одном транзисторе типа КТ209 и установлен стрелочный прибор (микроамперметр на 500 мкА). С помощью переменного резистора R2 4, 7 кОм прибор устанавливают на отметку 0. Потенциометр R1 1, 5 МОм предназначен для плавной регулировки чувствительности прибора. Резистор R4 предохраняет прибор от перегрузки (ограничивает ток). Для питания прибора используется один элемент «Сириус» 3 ФМЦ-0, 25 напряжением 1, 5 В. Включается батарейка выключателем резистора R1 типа ТК1500 А-0, 5.
Для связи между лицами, проводящими настройку и ориентировку антенны, установлен тумблер, переключающий
линию на измерение, или телефон. Детекторная головка смонтирована в пластмассовом ящике размером 90 х 45 х 25 мм. В качестве детектора используется точечный диод Д2Е. Для осуществления связи или измерений служат кнопочный переключатель и клеммы, к которым подключается телефонная трубка.
Для подключения детекторной головки к телевизору предназначены два вывода с однополосными вилками и зажимами типа «крокодил». Белый провод подключается к катоду кинескопа, а синий — к шасси телевизора. Детекторная головка соединяется с измерительной коробкой двухпроводным изолированным кабелем длиной 40. 50 м (например, ТРВК 2 х 0, 5). На концах провода вмонтированы штепсельные вилки, концы которых окрашены в белый и синий цвета для соблюдения полярности при включении в гнезда измерительной коробки и детекторной головки, окрашенных так же. Эта соединительная линия используется одновременно для измерения уровня телевизионного сигнала, принимаемого антенной, и телефонной связи между лицами, которые осуществляют настройку и ориентировку антенны.
Для телефонной связи используют миниатюрные телефонные трубки с одним капсулем, который служит телефоном и микрофоном. (Трубки не требуют специальной батареи питания.) Для этого можно использовать трубки от детских телефонных аппаратов.
При настройке и регулировке антенных головок настройщик, находящийся на крыше, включает, соблюдая полярность, соединительный шнур, предварительно переключив тумблер измерительной коробки на телефон. Второй конец шнура он пропускает через окно к телевизору. Другой настройшик, находящийся у телевизора, подключает конец кабеля к гнездам детекторной головки, также соблюдая полярность. Выводы детекторной головки, которые оканчиваются вилками, подключают так: белый провод — к катоду кинескопа, синий — к шасси (корпусу) телевизора. Кнопка детекторной головки также переключается для работы на телефон.
После опробования телефонной связи соединительная линия переключается на измерение. Затем приступают к ориентировке или настройке антенных головок. Для этого настройщик, находящийся у телевизора, подключает кабель от антенны к телевизору и настраивает телевизор на прием нужного канала. Настройщик, находящийся на крыше, поворотом вправо ручки резистора R1 измерительной коробки включает питание прибора и, вращая ручку переменного резистора R2, устанавливает стрелку прибора на 0 (при отключенной соединительной линии).
Если после включения соединительной линии стрелка прибора будет резко отклоняться вправо до упора, нужно снизить чувствительность прибора поворотом влево ручки переменного резистора R1. При недостаточном угле отклонения стрелки прибора следует повысить его чувствительность поворотом ручки R1 вправо.
Ориентировку и настройку антенн следует осуществлять при передаче тест-таблицы, так как при этом напряженность поля сигнала изображения не изменяется. При передаче движушихся изображений и смене кадров будут изменяться показания прибора, поэтому произвести точную ориентировку или настройку телевизионных антенн сложно.
Находящийся на крыше настройщик поворачивает антенную головку и, следя за показаниями прибора, добивается максимального отклонения стрелки. При этом, периодически переключаясь на телефон, он справляется у находящегося возле телевизора о качестве изображения. Ориентация антенны на максимальный сигнал считается законченной при наибольшем отклонении стрелки прибора и улучшении качества изображения на экране телевизора.
Нельзя считать правильной ориентировку антенны только по показаниям прибора, так как он реагирует на частоты не только принимаемого канала, но и помех от различных установок, которые иногда превышают принимаемый сигнал по силе напряженности поля. Это может ввести настройщика в заблуждение, и антенна будет ориентирована не на максимальный прием телевизионного сигнала, а на прием помехи.
Для настройки и согласования телевизионных антенн нужно изменять расстояние между директорами, их длину, а также расстояние и длину рефлектора антенн типа «Волновой канал». При этом следует добиваться максимального отклонения стрелки прибора и улучшения качества изображения. Для согласования волнового сопротивления антенны и кабеля с входом телевизора необходимо изменять размеры согласующей петли и фильтра сложения, добиваясь улучшения качества изображения на экране телевизора.
Прибор позволяет довольно точно сориентировать и настроить телевизионную антенну, так как его стрелочный индикатор реагирует на малейшие изменения уровня телевизионного сигнала, которые нельзя заметить на экране телевизора. Прибор можно использовать и для связи между ориентировщиком спутниковой антенны и наблюдателем у телевизионного приемника.
Подстройка антенны производится путем укорочения или удлинения пассивных вибраторов до получения максимального отклонения стрелки прибора и повышения контрастности изображения. Для этого на концы трубок рефлектора и директоров надевают отрезки трубок большего диаметра (рис. 10. 53, а), передвигая которые можно изменять длину пассивных вибраторов.
Для уменьшения длины настраиваемых вибраторов их размеры предварительно делают короче по сравнению с указанными на чертежах. Надставку вибраторов можно осуществить так, как показано на рис. 10. 53, бив.
В каждом случае необходимо обеспечить надежный контакт надставленной части с основным вибратором. После
подстройки следует закрепить надставки наглухо или заменить вибратор с надставками новым, нужной длины.
Последовательность настройки. Настраивают рефлектор, изменяя его длину. Таким образом добиваются максимального отклонения стрелки прибора и увеличения контрастности изображения. Затем подбирают длину директора, ближайшего к активному вибратору,— также до наибольшего отклонения стрелки прибора и увеличения контрастности изображения. После этого регулируют длину других директоров.
Следует иметь в виду, что вследствие наличия сильной связи между элементами антенны при настройке одного из них изменяется настройка другого. Поэтому необходима повторная подстройка настроенных элементов.
Если настраивают синфазную антенну, то при подстройке изменение длины элементов должно быть одинаковым для всех этажей.
Расстройка антенны происходит в основном за счет отклонений диаметров используемых труб от размеров, указанных на чертежах. При использовании труб большего диаметра вибраторы при настройке антенны нужно несколько укоротить, а меньшего — удлинить.
При подстройке активного вибратора изменить его длину можно передвижением перемычек (рис. 10. 53, г).
Источник