7.5.7 Телевизионные антенны

Высокое качество передачи и приема телевизионного изображения и звука в значительной мере определяется условиями распространения и характеристиками передающих и приемных антенн.

Исследования, проведенные по выявлению преимуществ и недостатков горизонтальной и вертикальной поляризации, показали, что промышленные помехи и интерференция от зданий и сооружений меньше при использовании горизонтально поляризованных волн. На вертикально поляризованных волнах проще осуществлять ненаправленную передачу.

Для телевизионного вещания в основном применяются горизонтально поляризованные волны. Для того чтобы ослабить взаимные помехи телевизионному приему станций, работающих на одноименных каналах, стали использовать для телевизионного вещания и вертикально поляризованные волны.

Максимум диаграммы направленности передающей антенны обычно наклоняют немного вниз, чтобы не было бесполезного излучения энергии в верхнюю полусферу. Создание направленной диаграммы обеспечивается установкой нескольких этажей в антеннах. Наклон осуществляется соответствующим фазированием тока в этажах антенны. Увеличение направленности антенны в вертикальной плоскости большим числом излучателей и расположение их этажами один над другим сопровождается появлением боковых лепестков и, главное, провалами излучения между ними. Провалы излучения, в свою очередь, приводят к появлению «мертвых зон» на территории, обеспечиваемой телевизионным вещанием с помощью данной антенны. Устранение мертвых зон осуществляется «замазыванием» провалов между лепестками. Для этого соответствующим образом подбирают фазы и амплитуды питания этажей (рисунок 7.1).

Рисунок 7.13 - Диаграмма направленности передающей антенны в

вертикальной плоскости: а) – наклон диаграммы направленности

и мертвые зоны; б) – «замазывание» нулей диаграммы

направленности; 1 – угол видимости горизонта; 2 – наклон

главного максимума диаграммы; 3 – мертвые зоны

При выборе формы диаграммы направленности необходимо, чтобы ни на каком участке территории плотность потока мощности излучения не превышала допустимой санитарной нормы.

Одной из первых телевизионных антенн была антенна Линденблада, установленная в 1939г. на самом высоком здании Нью-Йорка (на высоте свыше 400 м) (рисунок 7.14), представляющая собой широкополосную турникетную антенну. Под турникетной антенной понимают антенну, выполненную из двух взаимно перпендикулярных одинаковых симметричных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз в 90º. В направлении, перпендикулярном плоскости вибраторов, вектор напряженности поля вращается, сохраняя в течение периода постоянную амплитуду. Таким образом, в этом направлении поле поляризовано по кругу. В других направлениях поляризация переходит в эллиптическую, вырождающуюся в линейную для направлений, лежащих в плоскости, в которой находятся вибраторы. Поэтому если вибраторы горизонтальны, то в горизонтальной плоскости поле будет линейно поляризовано. В этой плоскости диаграмма направленности турникетной антенны близка к окружности.

Антенна Линденблада имеет сравнительно большую массу, высокую стоимость и сложна в настройке.

Рисунок 7.14 - Антенна Линденблада из эллипсоидальных вибраторов, включенных по схеме верхнего питания (расположение вибраторов показано в плане, штриховой линией показана схема фазирования, где c+d=1,1λ/4; a/b≈6/15; c/d≈ 7/5)

Для упрощения конструкции в качестве элементов турникетной антенны применялись дискоконусные вибраторы, состоящие из двух усеченных конусов, соединенных основаниями и возбуждаемых дисками по схеме верхнего питания (рисунок 7.15, а).

Широкополосные турникетные антенны выполнялись также из трубчатых вибраторов с параллельно включенными коаксиальными короткозамкнутыми шлейфами (рисунок 7.15, б).

а) б)

Рисунок 7.15 - Схемы широкополосных симметричных вибраторов,

применявшихся в передающих телевизионных антеннах: а –

дискоконусный; б – трубчатый

Все описанные вибраторы могут крепиться непосредственно к телу заземленной мачты без применения керамических изоляторов.

Чем больше диаметр вибратора в турникетной антенне, тем больше ширина полосы пропускаемых частот. Однако при этом возникают трудность, связанные с креплением их к мачте.

В 1947 г. советским ученым В. В. Брауде была предложена турникетная антенна (рисунок 7.16), в которой цилиндрические вибраторы заменены на широкие плоские вибраторы, выполненные из трубок. Вибраторы Брауде крепятся на мачте с помощью изоляторов, а напряжение питания подается двумя 75-омными коаксиальными линиями.

а) б)

Рисунок 7.16 - Плоскостные вибраторы: а) вибратор Брауде; б) Ж-

образный вибратор

При высоте вибратора, равной λ/4, верхняя его точка может быть заземлена, т.е. приварена к мачте. При этом образуется четвертьволновый металлический изолятор. Такая конструкция существенно уменьшает его ветровые нагрузки (рисунок 7.16, а). Входное сопротивление вибратора в полосе частот ±7,5 % примерно равно 140 Ом.

В турникетных антеннах в настоящее время используют сдвоенные плоскостные вибраторы с косым срезом. Входные зажимы антенны располагаются в середине вибратора (рисунок 7.16, б). Кроме вибратора параллельно ему включены два металлических четвертьволновых изолятора (четвертьволновые, короткозамкнутые на конце двухпроводные линии). Благодаря этому антенна не имеет опорных диэлектрических изоляторов. Это повышает ее прочность и надежность. Входное сопротивление Ж-образного вибратора примерно 75 Ом.

По сравнению с одинарным вибратором Ж-образный вибратор имеет более узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости, а его КНД в 1,7—1,8 раза больше.

В настоящее время все чаще используются блоки в виде нескольких вибраторов, установленных на одном металлическом экране. Такой блок называется панелью. Для излучения решетчатыми с целью уменьшения сопротивления ветру. Вибраторы на панелях в метровом диапазоне экраны делаются установлены па расстоянии четверти волны от экрана. При использовании полуволновых вибраторов расстояния между ними составляют около половины длины волны, а при использовании одноволновых вибраторов (0,5 ... 0,7) длины волны.

В диапазоне метровых волн панель объединяет два или четыре вибратора, а для первого канала — только один вибратор. В дециметровом диапазоне на экране панели устанавливают от четырех до восьми вибраторов (рисунок 7.17).

Рисунок 7.17 – Панели передающих телевизионных антенн: а) антенная панель

метрового диапазона волны; б) — антенная панель

дециметрового диапазона волн: 1 — экран; 2 - вибратор; 3 —

металлический стержень крепления вибратора: 4 —

коаксиальный вход вибраторов панели; 5 — защитный

пластмассовый чехол; 6 —симметрирующее устройство.

Поскольку панель является самостоятельным блоком, то, изменяя число панелей в этаже и фазируя панели соответствующим образом, можно получить необходимую в данных условиях диаграмму направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Панель можно ориентировать таким образом, чтобы вибраторы были горизонтальны или вертикальны в зависимости от запроектированного вида поляризации излучаемой волны.

Для получения в горизонтальной плоскости ненаправленной диаграммы по периметру сечения башни (призмы) устанавливаются четыре панели. Применяется как синфазное, так и переменно-фазное питание (со сдвигом на 90º, как в турникетной антенне).

В качестве примера на рисунок 7.18 приведена диаграмма направленности при синфазном питании панелей с волновыми вибраторами.

Широкое распространение в качестве передающих телевизионных антенн нашли радиальные вибраторы, предназначенные для работы на цилиндрических башнях без применения плоских экранов.

Радиальные вибраторы отличаются небольшим сопротивлением ветру и простой конструкцией. Они представляют собой несимметричные четверть-волновые укороченные вибраторы большого диаметра (рисунок 7.19, а).

Вибраторы крепятся на мачте с помощью двух четвертьволновых короткозамкнутых линий (четвертьволновых металлических изоляторов). Вход вибратора защищен диэлектрическим колпаком.

Рисунок 7.18 - Примерная диаграмма направленности в горизонтальной

плоскости при синфазном питании панелей с волновыми

вибраторами

При такой конструкции вибратор можно питать в противофазе без симметрирующего устройства. Для этого нужно пропустить кабель внутри четвертьволнового изолятора и подключить его центральный проводник к телу мачты (рисунок. 7.18,б). В каждом этаже устанавливают по восемь вибраторов, питаемых с фазовым сдвигом в 90 или 45°. Расстояние между этажами вибраторов составляет 0.5 ... 0.6 длины волны.

Рисунок 7.19 - Варианты радиальных вибраторов: а) центральный провод

коаксиальной линии подключен к вибратору; б) экран

коаксиальной линии подключен к вибратору, а

центральный провод - к телу опоры, что обеспечивает

противофазное питание вибратора: 1 — опора; 2 —

изолятор; 3 — вибратор; 4 - диэлектрический колпак; 5 —

коаксиальная линия передачи

В качестве приемных телевизионных антенн нашли применение различные виды антенн, например, антенны типа «волновой канал», рассмотренные в п.7.5.3, зигзагообразные антенны, логопериодические антенны, комнатные антенны.

Конструкция зигзагообразной антенны для приема горизонтально поляризованного поля представлена на рисунке 7.20,а. (для приема ЭМВ вертикальной поляризации всю систему следует повернуть на 90º в плоскости рамок).

Рисунок 7.20 – Конструкция зигзагообразной антенны: а – конструкция активного полотна антенны; б — узел

питания антенны; в – конструкция отражателя (рефлектора)

антенны

Антенна крепится на деревянной стойке с двумя поперечными рейками. Провода рамок крепятся на металлических планках, установленных на концах реек, на верху стойки, выше верхней рейки и в нижней части стойки, ниже нижней рейки таким образом, чтобы натянутые провода рамок образовали квадрат.

Антенна представляет собой две полуволновых короткозамкнутых линии. На стойке будут пучности токов и узлы напряжений. Планки на концах реек будут находиться в области пучности напряжений и узлов токов. На вертикальной стойке, в том месте, где сходятся углы, образованные проводами обеих рамок, на изоляторах укрепляются две металлические пластины, к которым припаяны концы проводов рамок и фидера, соединяющего антенну с телевизионным приемником.

Для увеличения широкополосности антенны рамки выполняют не из одиночного провода, а из трех проводов, расположенных параллельно на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга. В результате образуется система из трех вложенных одна в другую зигзагообразных антенн, включенных параллельно к одному фидеру. В качестве проводников рамок можно использовать антенный канатик, оплетку коаксиального кабеля, медный провод, тонкие металлические трубки и т. п. В качестве фидера применяют коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Для того чтобы осуществить переход от коаксиального кабеля к симметричному входу антенны без симметрирующего устройства, обычно снимают с кабеля диэлектрическую оболочку и оплетку кабеля проводят от нижнего угла нижней рамки по ее проводу к узлу питания, где проводник припаивают к пластине со стороны подвода кабеля, а его центральный провод — к противоположной пластине. Поскольку кабель отходит от антенны вдоль ее оси симметрии в точке нулевого потенциала, то он не будет возбуждаться.

Для увеличения КНД зигзагообразной антенны применяют плоский рефлектор из натянутых на прямоугольную раму горизонтальных проводов. Наличие рефлектора повышает направленность антенны более чем вдвое и существенно улучшает защиту от приходящих сзади помех.

Частотно-независимые свойства логопериодических антенн базируются па принципе электродинамического подобия. Проволочные антенны, выполненные из немагнитных материалов и расположенные в воздухе или вакууме, имеют одинаковые электрические характеристики, если, во-первых, все их геометрические размеры пропорциональны длинам волн, на которых они работают, и, во – вторых, проводимости проводов, из которых они выполнены, обратно пропорциональны длинам волн. Второе требование при выполнении антенн из металла с высокой удельной проводимостью не обязательно выполнять, так как проводимость определяет лишь потери энергии, которые для хороших проводников малы по сравнению с излучаемой энергией.

Частотно-независимая антенна представляет собой структуру, в которой на каждой данной длине волны ток протекает в пределах ограниченного участка. За пределами этого участка структуры, называемого активной областью антенны, ток быстро падает.

Рассматриваемая вибраторная логопериодическая антенна (рисунок 7.21)

состоит из двухпроводной линии передачи и подключенных к ней вибраторов.

В логопериодической антенне длины вибраторов, их диаметры и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии:

_(7.10)

где , , , —соответственно длины и диаметры соседних вибраторов, а , - расстояния между ними.

Логопериодическая вибраторная антенна может быть использована для приема передач многопрограммных телецентров.

На рисунке 7.21 приведены размеры и расположение вибраторов одного из самых простых вариантов логопериодической антенны, который может обеспечить без перестройки прием программ телевизионного вещания на каналах 1—12.

Рисунок 7.21 – Расположение и размеры вибраторов в логопериодической

антенне, предназначенной для приема телевизионного

вещания на каналах 1–12

В тех случаях, когда прием осуществляется в зонах, где напряженность поля, создаваемого передающей антенной телевизионной станции, достаточно велика, можно не выносить антенну за пределы здания и ограничиться использованием комнатной антенны. Установлено, что на метровых волнах напряженность поля внутри здания в среднем в 6—7 раз меньше, чем снаружи. На дециметровых волнах это соотношение доходит до 10 ... 12. Естественно, при этом обычно на верхних этажах уровень сигнала выше, чем на нижних, а также в помещениях, у которых окна выходят в сторону телецентра, поле больше, чем в тех помещениях, у которых окна выходят на противоположную сторону. Напряженность электромагнитного поля внутри здания из-за отражений от стен, труб, электропроводки и пр. имеет ярко выраженный неоднородный характер, и поэтому при установке комнатной антенны следует искать ее месторасположение и ориентацию. Причем это место может оказаться различным для разных каналов.

В качестве комнатных антенн на метровых волнах можно использовать проволочные горизонтальные или наклонные симметричные вибраторы, но предпочтительнее пользоваться раздвижными вибраторами, позволяющими изменять длину, угол между двумя половинами вибратора и плоскость, в которой лежат вибраторы. Такие раздвижные вибраторы позволяют осуществлять в широких пределах выбор положения и ориентации, длины и поляризации антенны, приспосабливая их к структуре поля в комнате. На метровых волнах в качестве комнатных антенн удобно применять укороченные раздвижные вибраторы. Укорочение длины вибраторов производится совместно с компенсацией его емкостного реактивного сопротивления последовательным включением в оба плеча индуктивностей.

На дециметровых волнах можно применять направленные антенны — директорные, логопериодические и т. п. Их размеры невелики на этом диапазоне волн, и поэтому их легко приспосабливать к структуре поля в помещении.