ЗИГЗАГООБРАЗНЫЕ ДМВ АНТЕННЫ ХАРЧЕНКО
Зигзагообразная антенна, предложенная К. П. Харченко, пользуется большой популярностью у радиолюбителей благодаря простой конструкции, хорошей повторяемости и широкополосности. Она представляет собой синфазную антенную решетку из двух ромбовидных элементов (РЭ), расположенных друг над другом и имеющих одну общую пару точек питания а-б (рис. 1,а).
На рис. 2, а и б показаны соответственно кривые зависимости коэффициента бегущей волны (КБВ) при непосредственном подключении к точкам питания зигзагообразной антенны 75-омного фидера и коэффициента усиления G (по сравнению с полуволновым вибратором) от отношений l/λ и l/d, где l - длина стороны РЭ, λ - длина волны принимаемого сигнала, d - диаметр проводника, из которого, выполнены РЭ.
Зигзагообразную антенну наиболее часто применяют в качестве широкополосной антенны для приема программ телевидения в диапазонах 1 - 5, 6 - 12 или 21 - 60 каналов, используя интервал отношений l/λ от 0,22 до 0,44 и l/d не более 30. При конструировании одноканальных антенн обычно используется интервал отношения l/λ от 0,25 до 0,28, что позволяет получить КБВ не менее 0,7 и изготовить антенну из проводника небольшого сечения.
Представляет большой интерес построение одноканальной антенны, настроенной на максимальное усиление (l/λ = 0,375) и. выполненной из тонкого проводника. Но при непосредственном подключении к такой антенне 75-омного фидера КБВ будет слишком мал.
Обратимся к рис. 1, а. и б, где стрелками показано распределение тока вдоль полотна антенны при l/λ = 0,25 и l/λ= 0,375 соответственно. Точками обозначены места пучностей тока, а крестиками - пучностей напряжения. Стрелками внутри РЭ показано направление вектора электрической составляющей электромагнитного поля E. В обоих случаях по длине проводника каждого РЭ укладывается целое число полуволн, т. е. имеет место резонанс и, следовательно, реактивная составляющая входного сопротивления антенн близка к нулю. При l/λ = 0,375 в точках питания находятся пучности напряжения и поэтому активная составляющая входного сопротивления антенны намного превышает волновое сопротивление 75-омного фидера (рис. 2, в). Можно несколько уменьшить входное сопротивление антенны (рис. 2, г) путем увеличения угла a до 120° (рис. 1, в). Это практически не вызовет изменение коэффициента усиления, а лишь , повлияет на диаграмму направленности антенны: в горизонтальной плоскости она станет чуть уже, а в вертикальной - шире. Используя кривые зависимостей, показанные на рис. 2, в и г, можно построить зигзагообразную антенну с максимальным усилением и входным сопротивлением 200...500 Ом, подключив ее точки питания к 75-омному фидеру при помощи полуволновой петли, которая уменьшает входное сопротивление антенны в четыре раза. КБВ в фидере при этом будет не менее 0,6, а при входном сопротивлении антенны 300 Ом - близок к 1.
Более высокий коэффициент усиления, достигающий 10 дБ, можно получить, изготовив антенну с l/λ = 0,5 и разорвав проводники РЭ, как показано на рис. 3, а. При такой форме антенны с достаточной для практики телевизионного приема, точностью можно пользоваться кривыми зависимостей на рис. 2, в, сместив их максимумы в область l/λ = 0,5 и уменьшив значения входного сопротивления вдвое.
Если добавить к рассмотренной конструкции еще два разомкнутых РЭ (рис. 3, б), то получится достаточно эффективная, удобная для применения в диапазоне ДМВ антенна с коэффициентом усиления около 13,5 дБ. В области резонанса этой антенны ее входное сопротивление примерно в три раза меньше, чем показано на рис. 2, в. Усиление антенн, выполненных из разомкнутых РЭ, можно увеличить еще на 1...1,5 дБ, если добавить к полотну четыре элемента длиной 0,5λ, как показано на рис. 3 штриховой линией. Антенны, показанные на рис. 3, можно выполнить складными, используя в точках изгиба их полотна шарнирные соединения. В этих точках находятся пучности напряжения и поэтому требование к качеству электрических контактов невысоко.
Коэффициенты усиления всех рассмотренных антенн можно увеличить примерно на 3 дБ, если снабдить их рефлекторами, расположенными параллельно полотну антенны на расстоянии h, равном 0,21...027λ. Обычно используется апериодический рефлектор шириной не менее 0,5λ-max, а его высота на 5...10% больше высоты полотна антенны. Рефлектор выполнен из расположенных параллельно вектору E прутков, трубок, полос или натянутых на рамку тонких проводов, при расстоянии между ними не более 0,1λ-min (λ-man и λ-mix—соответственно максимальная и минимальная длина волны рабочего диапазона). Для одноканальных антенн, изображенных на рис. 1, можно изготовить рефлектор из настроенных элементов длиной 0,53...0,56λ, при расстоянии между ними 0,2...0,33λ. Элементы такого рефлектора следует соединять с металлическими деталями конструкции только в средней части. При непосредственном креплении настроенных элементов к металлической мачте их длину увеличивают на половину диаметра мачты. На рис. 4, а показан рефлектор из настроенных, изолированных от металлической мачты элементов для антенн, показанных на рис. 3. На рис. 4, б представлен вариант рефлектора, полотно которого выполнено из тонких проводов, имеющего сравнительно небольшие массу и парусность. На несущую конструкцию туго натянут синтетический шнур или тонкий трос, к которому прикреплены отрезки провода диаметром 0,6...2 мм. Детали несущей конструкции такого рефлектора работают на сжатие и могут иметь небольшое сечение. При большой высоте рефлектора устанавливают дополнительные распорки, показанные штриховой линией.
На рис. 5 показано полотно антенны дециметрового диапазона, состоящее из четырех РЭ, изготовленных из медного или дюралюминиевого провода диаметром 2...3,3 мм. Полотно в средних точках изгиба зажато пятью парами изоляционных пластинок толщиной 4...7 мм. В пластинках профрезерованы канавки по форме полотна антенны и птицезащитных штырьков. Каждая пара пластинок зажимает полотно и прикреплена к мачте при помощи двух винтов М4 или М5. Если антенна с рефлектором, то вместо винтов используют шпильки (с гайками). Шпильки обеспечивают необходимое расстояние между полотном антенны и рефлектором, который крепят непосредственно к мачте. Входное сопротивление антенны составляет примерно 300 Ом. При сравнительных испытаниях с наиболее близкой по техническому решению антенной, предлагаемая конструкция показала лучшие результаты, имея на порядок меньшие парусность и материалоемкость. Как показала длительная эксплуатация, эта антенна способна выдерживать значительные ветровые нагрузки, а птицы к полотну такой конструкции совершенно равнодушны.
При расчете одноканальных антенн в качестве λ берется длина волны λср, соответствующая средней частоте телевизионного канала:
λср=300/fmax * fmin
где f-max и f-min - соответственно максимальная и минимальная частота диапазона, занимаемого телевизионным каналом. Если частота берется в мегагерцах, то длина волны получается в метрах.
Антенны, показанные на рис. 3, более узкополосные, чем антенны, изображенные на рис. 1. Поэтому при их расчете необходимо учитывать коэффициент укорочения Ky : 1 = 0,5λ * Ky. Для антенн, показанных на рис. 3, выполненных из тонкого проводника (l/d более 60), Ky примерно равен 0,98.
При конструировании диапазонных антенн расстояние h принимается в пределах 0,17..:0,2λ-max, чтобы избежать раздвоения основного лепестка диаграммы направленности на волне длиной λ-min, так как это происходит при приближении h к 0,5λ.
Зазоры между левыми и правыми половинами РЭ выбираются в пределах 10...15 мм—в дециметровом и 20...25 мм — в метровом диапазонах волн.
Все соединения полотна антенны желательно производить в местах пучностей напряжения. Точки нулевого потенциала, где находятся пучности тока, при необходимости можно соединять с металлическими деталями конструкции. В диапазоне УКВ сильно выражен поверхностный эффект: глубина проникновения тока в диапазонах, занимаемых телевидением и УКВ-ЧМ радиовещанием, находится в пределах от 2,3 до 10 мкм. Поэтому поверхность элементов антенн диаметром менее 8 мм должна быть гладкой, а у антенн ДМВ - полированной. При выполнении паяных соединений не следует залуживать проводники за зонами пайки. Полотно антенны можно изготовить из полосы шириной, в два раза большей расчетного значения диаметра d. В метровом диапазоне допускается применение электрического эквивалента полосы - набора из 3 - 4 тонких проводов, расположенных параллельно в одной плоскости, шириной 3d. При этом можно использовать обмоточный провод в эмалевой изоляции, надежно защищающей его от окисления. Места паек и разделки кабелей покрываются водостойким лаком.
Фидер у антенн с входным сопротивлением, близким к 75 Ом, традиционно прокладывают вдоль одной из сторон полотна антенны (рис. 1, а) и непосредственно подключают к точкам питания а - б. Антенны, у которых в точках а – б находятся пучности напряжения, подключают к 75-омному фидеру через полуволновую петлю (рис. 6, а). Фидер при этом расположен вдоль мачты и подходит к полотну антенны вблизи точек питания. Длина фидера антенн дециметрового диапазона должна быть минимальной.
Описанные антенны, рассчитанные, и изготовленные в соответствии с приведенными рекомендациями, не требуют настройки: КБВ в фидере должен получиться не менее 0,5. Но при желании можно добиться более высокого КБВ, близкого к единице. Для этого входное сопротивление при расчете выбирают несколько большим 300 Ом, к точкам а - б подключают четвертьволновой шлейф с короткозамыкающей подвижной перемычкой, а фидер присоединяют к шлейфу через скользящие контакты вблизи точек а - б (рис. 6, б). Расстояние между осевыми линиями проводников шлейфа должно быть в 6...10 раз больше диаметра этих проводников. От положения перемычки и скользящих контактов зависит соответственно величина реактивной и активной составляющих сопротивления в месте подключения фидера. Изменяя в небольших пределах эти положения, можно добиться точного согласования антенны с фидером. При этом можно взять за основу методику настройки на максимальный КБВ входного или выходного контура усилителя. Если нет необходимого опыта или приборов, то настройку производят, подключив фидер антенны к телевизору и визуально контролируя качество телевизионного сигнала, добиваясь наиболее контрастного, с наименьшие уровнем «снега», изображения. При этом, для обеспечения более точной настройки, фидер желательно временно подключить через аттенюатор, имеющийся в продаже.
В качестве настроечного шлейфа у антенны, изображенной на рис. 5, можно использовать две шпильки, крепящие узел питания к мачте, соединив их с точками питания антенны. Для удобства подключения фидера эту пару шпилек лучше установить так, чтобы они располагались в горизонтальной плоскости и были перпендикулярны полотну антенны.
Точку нулевого потенциала шлейфа можно соединить с металлической мачтой, или заземлить.
|
Меню сайта
