В диапазоне ДМВ применение эффективных антенно-фидерных систем (АФС) для приема сигналов в сложных условиях не потеряло своей актуальности. Относительно малая длина λ этих волн позволяет создавать высокоэффективные антенны при сравнительно небольших размерах.

После длительных экспериментов с разными антеннами за основу была взята известная зигзагообразная антенна [1], показанная на рис. 1. Конструктивно в классическом виде полотно антенны состоит из двух одинаковых ромбовидных частей, повернутых одна относительно другой на 180°. Следовательно, такая антенна симметрична. Эта особенность допускает применение антенных усилителей (АУ) с симметричным входом и большим усилением, например, пластинчатых усилителей (ПАУ) SWA и др. [2, 3].

Усиление зигзагообразной антенны зависит от отношения l/λ, а ее входное сопротивление — от отношений l/d и l/λ. Максимальное усиление достигается при длине l = 0,375λ, но при этом оно сильно зависит от диаметра провода.

При l = 0,25λ усиление получается, конечно, меньше, но и зависимость от диаметра провода уменьшается.

При изменении угла α изменяются габариты полотна. Так, если α = 90°, то SH = 2√2l = 2,83l; SE = l√2= 1,41l, а если α = 120°, то SH = 2l; SE = 1,73l. Это необходимо учитывать при создании сложных АФС (об этом дальше). Основные размеры полотна антенны, например, для 29-го канала сведены в табл. 1. Следует также иметь в виду и то, что с уменьшением диаметра провода и увеличением периметра полотна усиление растет. Кроме того, при выборе более тонкого провода уменьшается парусность антенны.

Различные конструктивные исполнения антенны имеют разные входные сопротивления (табл. 1). Следовательно, необходимы и разные способы согласования симметричного входа полотна с симметричным входом АУ, имеющим входное сопротивление 300 Ом. Они показаны на рис. 2 [4].

При входном сопротивлении полотна 300 Ом АУ, конечно, можно подключить непосредственно к точкам а — а. Однако для увеличения усиления и направленного действия антенны полотно обычно используют вместе с рефлектором (о нем будет рассказано ниже). Поэтому АУ лучше установить за рефлектором, соединив с полотном симметричной линией с волновым сопротивлением 300 Ом так, как показано на рис. 2,а — для воздушной линии, на рис. 2,6 — для кабеля КАТВ или на рис. 2,в — для кабеля РК-150. В последнем случае оплетки двух отрезков кабеля спаивают одну с другой на концах.

Во всех случаях необходимо учитывать коэффициент укорочения линии К. Для воздушной линии из проводов (рис. 2,а) — К=0,975, для КАТВ (рис. 2,6) — К = 0,8, для кабеля РК-150 (рис. 2,в) — К = 0,75...0,86 в зависимости от типа кабеля.

Наиболее удобно (по мнению автора) использовать полотно с входным сопротивлением 75 Ом. В этом случае для согласования можно применить четвертьволновый согласующий трансформатор из линии с волновым сопротивлением 150 Ом так, как изображено на рис. 2, г. Он образован двумя отрезками кабеля РК-75 длиной 0,25λKn, где n — нечетное число. Коэффициент К равен 0,65789 для кабеля с полиэтиленовой изоляцией. Размеры трансформатора даны по спаянным на концах оплеткам.

Формула для расчета трансформатора известна:

поэтому и получается

Разомкнутый согласующий шлейф, показанный на рис. 2,д, и четвертьволновый трансформатор (рис. 2,е) позволяют согласовать АУ и антенну с входным сопротивлением, равным менее 300 Ом. Для изготовления шлейфа используют графики в [4]. Ориентировочные коэффициенты для расчета шлейфа и параметры четвертьволнового трансформатора указаны в табл. 2. Основное требование для шлейфа — Zл = Zш = 300 Ом. Размеры шлейфа и соединительной линии связаны соотношением А = В + С.

На рис. 2,д представлен способ подключения полотна с Rвх = 100 Ом к АУ с Rвх = 300 Ом, причем В = 0,13λК, а С = 0,09λК. Для подключения используют симметричный кабель КАТВ (SLX-300) или воздушную линию с волновым сопротивлением 300 Ом. Для второго случая отношение (D/d) = 6,11. При использовании провода диаметром 3,569 мм расстояние между осями проводов равно D = 21,8 мм. Для сохранения фиксированного расстояния между проводами вдоль линии размещают несколько поперечных распорок из высококачественных изоляционных материалов, не ухудшающих свойств при воздействии окружающей среды (фторопласт, полиэтилен, органическое стекло). Следует иметь в виду, что, перемещая шлейф в точках в — в и изменяя тем самым размер С, можно добиться более четкого изображения на экране телевизора.

Четвертьволновый трансформатор можно изготовить из трубок диаметром более 10 мм, как на рис. 2,е. При меньшем диаметре зазор между трубками будет очень мал, что затруднит изготовление трансформатора.

Приведем пример расчета полотна для 29-го канала. При Fиз = 535,25 МГц найдем λиз = 300 000/Fиз = 560,48 мм. Если Rвх = 75 Ом и α = 90°, размер стороны ромбовидной части (см. табл. 1) равен l = 0,29λ = 162,5 мм, α (l/d) = 32.. .75. Следовательно, диаметр провода полотна равен 2,1...5,1 мм. Можно применить полоски шириной 2d, т. е. 4,2...10,2 мм, из меди или дюралюминия.

Отметим, что на всех последующих рисунках размеры даны для 29-го канала. Пересчет на другие каналы не сложен: зная отношение частоты 29-го канала к частоте определяемого канала, известные размеры умножают на это отношение.

Конечно, полотно антенны, кроме ромбовидных частей, может представлять собой и другие формы, например, зигзагокольцеобразную со сплошными металлическими секторами, как показано на рис. 3. В зависимости от угла β полотно имеет различное входное сопротивление. Например, при β = 90° оно равно Rвх = 100 Ом, а при β = 140° — Rвх = 75 Ом. Это определяет и разные способы согласования полотна с АУ. Так, полотно при β = 90° более широкополосно и согласуется шлейфом в соответстви и с рис. 2, д. При β = 140° антенна будет более узкополосной из-за необходимости применения четвертьволнового согласующего трансформатора по рис. 2, г.

Для изготовления такого полотна используют пластины из латуни толщиной 0,3 мм. С целью уменьшения парусности полотна в каждом секторе сверлят по 15—20 отверстий диаметром 5 мм с равномерным распределением по площади.

Размеры шлейфа для согласования по рис. 2, д следующие: В=60 мм, С=40 мм, отрезки в — с кабеля КАТВ могут быть длиной 224n мм, где n=1,2,3.... Четвертьволновый трансформатор из кабеля РК-75 при согласовании по рис. 2, г может иметь длину 92,18n мм, где n = 1,3,5,7....

По табл. 1 можно выбрать любое полотно из 25 предложенных исходя из наличия материалов или других характеристик.

Диаграмма направленности полотна антенны (без рефлектора) — двухлепестковая вида «восьмерки», поэтому применение рефлектора во всех случаях целесообразно и эффективно, так как улучшает направленные свойства и повышает усиление антенны примерно на 3 дБ при конструктивном исполнении рефлектора, аналогичном полотну. Однако более эффективный способ увеличения усиления антенны примерно на 7 дБ — установка рефлекторной решетки или сетки с мелкими ячейками. Решетка/сетка должна быть сварной и иметь антикоррозионное покрытие. Размеры решетки/сетки должны быть на 5...10 % больше вертикального (Sн) и горизонтального (SE) размеров полотна.

Решетку/сетку располагают на расстоянии h=100...50 мм позади полотна в зависимости от принимаемого канала (21—69). Значение h влияет на входное сопротивление полотна и может служить дополнительным способом улучшения согласования всей АФС. Изменяя h при размещении решетки на резьбовых шпильках, добиваются более четкого изображения с наименьшим уровнем шумов («снега») на экране телевизора.

Использование рефлекторной решетки/сетки изменяет диаграмму направленности антенны, превращая ее в узкую однолепестковую. В результате прием со стороны рефлектора значительно ослаблен, что повышает помехозащищенность АФС.

Еще большего увеличения направленного действия и усиления антенны можно добиться, если применить синфазное включение двух и более полотен — синфазные решетки. Это позволяет принимать передачи на значительном расстоянии и в сложных условиях. Такие антенны представляют собой несколько параллельно включенных полотен, разнесенных по горизонтали или (и) по вертикали в одной плоскости.

Для примера на рис. 4 представлено синфазное включение двух полотен с входным сопротивлением 150 Ом, разнесенных по вертикали. Изображенное на рисунке полотно можно считать модификацией зигзагокольцеобразной антенны с углом β = 0 или разновидностью кольцевой. Антенна хорошо работает в диапазоне ДМВ при диаметре провода всего 1,5 мм.

Способы согласования такой антенны с АУ могут быть различными. Так, на рис. 4 показан вариант включения двух полотен, расположенных на оптимальном расстоянии 0,7λ по вертикали, с линией питания, подключенной к нижнему полотну (зтажу). Для связи между этажами использована двухпроводная линия длиной λК. Линия образована двумя отрезками кабеля РК-75 (К=0,65789). Она симметрична и имеет волновое сопротивление 150 Ом, что обеспечивает хорошее согласование с полотном.

В результате такого параллельного соединения двух одинаковых полотен входное сопротивление всей АФС в точках а — а1 получается равным 75 Ом. Согласование с АУ сделано четвертьволновым согласующим трансформатором по рис. 2,г. образованным двумя отрезками кабеля РК-75.

Однако более предпочтителен (по мнению автора) другой вариант — центрального питания. Он имеет более широкую полосу пропускания. Причем полотна можно разнести как по вертикали, так и по горизонтали на (0,7...0,75)Х между их центрами.

Для объединения полотен при центральном питании между ними включают две последовательно соединенные симметричные линии по рис. 2,в длиной 0.5ХК (184,4 мм по спаянным оплеткам на концах), но образованных отрезками кабеля РК-75. При этом в центральных точках в — в получается входное сопротивление антенны 75 Ом. К ним и подключают тот же четвертьволновый согласующий трансформатор, что и на рис. 4.

Аналогично используют полотна по рис. 1 с углом α = 120°. Если применены такие полотна с углом α = 90°, то лучше их разнести по горизонтали.

Синфазное включение трех одинаковых полотен по рис. 1 с центральным питанием изображено на рис. 5. Решетка снабжена рефлекторной сеткой. Входное сопротивление каждого полотна равно около 100 Ом и слабо зависит от диаметра провода. Для проверки были использованы провода диаметром 1,2 [(l/d) = 117] и 2,76 [(l/d) = 51] мм. Размеры соединительных линий λК останутся те же, если использовать и другие полотна с Rвх = 100 Ом (по рис. 1 при α = 120° или по рис. 3 при β = 90°).

Полотна соединяют между собой параллельно симметричными линиями с волновым сопротивлением 100 Ом, образованными отрезками кабеля РК-50 длиной (по спаянным оплеткам), равной λК (это условие — обязательное!). В точках в — в общее входное сопротивление антенны равно 33,3 Ом. Согласование с АУ обеспечивается четвертьволновым трансформатором из отрезков кабеля РК-50 (по рис. 2,г) длиной 277 мм.

Все полотна закрепляют на планке из органического стекла толщиной 5 мм. К рефлектору и мачте планка закреплена четырьмя резьбовыми шпильками в точках 0. Рефлекторную сетку (ячейки с размерами 18x18 мм) удаляют от полотна антенны на расстояние h = 105 мм, изменяемое на ±15 мм.

Как уже было выше сказано, АУ устанавливают за рефлектором на мачте и подключают к полотну в точках с — с. Блок питания (БП) АУ размещают рядом с телевизором или на его задней стенке так, как показано на рис. 6. Постоянное напряжение 12 В с БП поступает по кабелю снижения РК-75 через развязывающее устройство (РУ), включенное в соответствии с рис. 7. РУ состоит из дросселя L1 и конденсатора С2.

Обычно ПАУ типов SWA, GPS и др. питают от маломощных БП, которые имеют различные схемные решения, но чаще всего не защищены от короткого замыкания в нагрузке. А такая защита необходима. Кроме того, если прием телевизионных сигналов происходит с разных направлений, например, на две антенны, то переключение кабелей от антенн на входе телевизора вносит ряд неудобств, причем быстро изнашиваются разъемы. Поэтому желательно предусмотреть их автоматическое переключение.

Для устранения указанных недостатков были разработаны различные БП АУ. Принципиальная схема одного из вариантов БП с применением реле для автоматического переключения антенн представлена на рис. 8. Прием сильных сигналов ДМВ обеспечивает антенна А1 без АУ, подключенная к гнезду XW2, причем БП в этом случае выключен. Для приема слабых сигналов подключается антенна А2 (XW3) с АУ, что происходит при включении БП.

БП включается при нажатии на кнопку SB1. При этом срабатывает реле К1 и его контакты К1.1 блокируют кнопку SB1, удерживая БП включенным. Контакты К1.2 отключают антенну А1 и подключают антенну А2 к телевизору. Выпрямленное напряжение, индицируемое светодиодом HL2, с выхода БП проходит на АУ.

При коротком замыкании в АУ или фидере напряжение на выходе БП и ток через обмотку К1 реле упадут. Реле отпустит контакты К1.1, которые выключат БП. Светодиод HL2 и лампа HL1 погаснут.
Резистор R1 подбирают так, чтобы при стабилизированном напряжении 12В обеспечить четкое срабатывание реле при минимальном токе через его обмотку. Реле может быть любое, например, РЭС47 (паспорт РФ4.500.409). Лампа HL1 (6,3 В х 0,28 А) индицирует включение БП по сети и одновременно служит предохранителем в первичной цепи трансформатора Т1. Трансформатор — любой с напряжением на обмотке II — 9...11 В. Дроссель L1 — также любой, например, ДМ-0,6. Микросхема КР142ЕН8Б обеспечивает максимальный ток 1,5 А и имеет защиту от перегрузок по току. Однако БП потребляет не более 0,1 А, поэтому можно применить менее мощную микросхему, например, 78L12.

Для приема сигналов в диапазоне ДМВ в журнале рассмотрено несколько АУ, например, [5]. Все они имеют входное сопротивление 75 Ом. Их тоже можно использовать с описанными антеннами с симметричным входом. Для этого нужно применить известное согласующее симметрирующее устройство (ССУ) на ферритовом кольце, включаемое по схеме на рис, 9,а. Но можно установить ССУ в виде U-пет-ли по рис. 9,б. Кабель, идущий к АУ, должен быть коротким и лучше длиной 0.5λК.

Выбирая место установки антенны, необходимо помнить, что каждый лишний метр кабеля снижения ослабит сигнал в диапазоне ДМВ на 0,16...0,4 дБ. Чем тоньше кабель, тем больше потери. При окончательном монтаже АФС желательно устанавливать новый кабель, так как к концу его срока хранения (он определен в 12 лет) коэффициент затухания увеличивается на 30...60%. Кабель лучше выбирать более высокочастотный, с большим диаметром центрального проводника. Следует также обеспечить надежную гидроизоляцию в местах пайки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Харченко К. Зигзагообразная антенна. — Радио, 1961, ╧ 3; 1999, ╧ 8.
2. Пахомов А. Антенные усилители SWA. — Радио, 1999, ╧ 1, с. 10—12.
3. Пахомов А. Новые антенные усилители. — Радио, 2000, ╧ 7.
4. Ротхаммвль К. Антенны. — М.: Энергия, 1969.
5. Нечаев И. Антенный усилитель ДМВ на микросхеме. — Радио, 1999, ╧ 4, с. 8.
6. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200302/p6-9.html