Широкополосная антенна для приема программ в одном из телевизионных диапазонов метровых волн была описана в [1]. Она состоит из двух ромбических ячеек, образованных двумя замкнутыми на концах проводниками, изогнутыми зигзагом (рис. 1). Антенна была названа "зигзагообразной", но радиолюбители чаще называют ее просто "восьмеркой". Популярность "восьмерки" объясняется не только неплохими электрическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками трех- и четырехэлементных антенн типа "волновой канал", но и возможностью ее изготовления из доступных материалов.
Рис.1.
Размеры антенны для конкретных диапазонов удобно выбирать с использованием графиков, приведенных на рис.2..4 [2]. Зависимость активной составляющей входного сопротивления зигзагообразной антенны от рабочей длины волны при различных соотношениях размеров конструктивных элементов имеет резонансный характер. Антенна со стороной ромба 0,375 рабочей длины волны настроена в резонанс, обладает наибольшей направленностью и усилением, но и наибольшим входным сопротивлением, что требует специальных мер для согласования с кабелем.
Рис.2.
Если пойти на некоторое ухудшение направленных свойств и усиления антенны, уменьшив ее размеры по сравнению с резонансными, то благодаря уменьшению входного сопротивления до 50…100 Ом можно обеспечить работу антенны непосредственно на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом при приемлемом согласовании в диапазоне частот, в котором входное сопротивление антенны не выходит за указанные пределы. Это уже не настроенная, а диапазонная антенна. И именно под таким названием — "Диапазонная направленная антенна" — представлена зигзагообразная антенна в целом ряде весьма добротных конструкций простых и сложных антенн [3].
Рис.3.
Для улучшения согласования и, соответственно, обеспечения успешной работы антенны на более низких частотах часть проводников зигзагообразной антенны замыкают дополнительными перемычками, пластинами, сетчатым полотном. Увеличения количества принимаемых антенной телевизионных программ можно добиться не только расширением полосы рабочих частот основной диапазонной антенны, но и совмещением в одной механической конструкции антенн различных диапазонов.
Рис.4.
В двухдиапазонном варианте антенны [4] введением дополнительных перемычек не только замкнута часть полотна основной зигзагообразной антенны, но и образованы ячейки двух зигзагообразных антенн меньших размеров (рис.5.). При стороне большого квадрата 4/-80 см малые (дециметровые) антенные ячейки на частотах 28-го телевизионного канала имеют входное сопротивление, близкое к 150 Ом, что позволяет от точек питания левой и правой малых антенн отрезками коаксиального кабеля равной длины с волновым сопротивлением 150 Ом подключиться к одному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, а для приема 9…11 каналов — подключить второй 75-омный кабель к точкам питания средней или большой зигзагообразной антенны.
Рис.5.
В данной антенне можно ограничиться подключением только одного кабеля к метровой (большой) антенной ячейке, т.к. две дециметровые антенные ячейки, частично включенные в метровую, обеспечивают расширение диапазона и вверх, благодаря чему она довольно эффективно работает и в дециметровом диапазоне. Следует отметить, что дополнительные антенные ячейки могут быть повернуты относительно основной. Например, антенна, изображенная на рис.6, обеспечивает в дециметровом диапазоне прием волн с горизонтальной поляризацией, а в метровом — с вертикальной.
Для работы на 1...5 телевизионных каналах размеры зигзагообразных антенн довольно велики, а сами антенны громоздки. Однако есть возможность для приема на одном из этих каналов использовать зигзагообразную антенну 6...12 каналов, подключив к ней соответствующим способом линейный полуволновой вибратор.
Рис.6.
Как известно, такой вибратор представляет собой металлический проводник, разорванный посередине и подключенный в месте разрыва к фидеру, соединяющему антенну с приемником. Входное сопротивление полуволнового линейного вибратора близко к 75 Ом, поэтому использование коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом обеспечивает согласование кабеля с антенной. Однако при непосредственном подключении несимметричного по конструкции коаксиального кабеля к симметричному вибратору ток смещения с плеча вибратора, подключенного к центральной жиле кабеля, течет в пространстве не только на второе плечо вибратора, но и на подключенную к нему оплетку кабеля.
Симметрия в распределении токов и напряжений по вибратору нарушается, и амплитуды их уменьшаются. Это приводит к уменьшению напряжения, поступающего из антенны, искажению ее диаграммы направленности и к приему антенной системой радиоволн и с вертикальной поляризацией. Последнее для приемной антенны весьма нежелательно, т.к. помимо радиоволн от телевизионного передатчика, имеющих обычно горизонтальную поляризацию, внешняя оболочка кабеля начинает воспринимать волны и от источников промышленных помех, имеющих преимущественно вертикальную поляризацию.
Чтобы избежать этого, при подключении к симметричному вибратору коаксиального кабеля осуществляют симметрирование антенно-фидерной системы, добиваясь электрической симметрии каждой половины вибратора относительно внешней (экранной) оболочки кабеля.
Большое разнообразие конструкций симметрирующих устройств часто сводится к подключению в точках питания вибратора, помимо коаксиального кабеля, еще и двухпроводной линии, замкнутой на конце (рис.7.). Из рисунка видно, что внешняя оболочка кабеля оказывается подключенной как к правому, так и к левому плечам вибратора через одинаковые по длине проводники короткозамкнутой линии, т.е. симметрично.
Рис.7.
Чтобы короткозамкнутая линия не шунтировала вибратор, ее длину выбирают близкой к четверти длины волны, т.к. сопротивление такой линии очень велико (теоретически — бесконечное). При отклонении размеров линии на 10…15% ее сопротивление остается достаточно большим, что обеспечивает работу антенны в достаточном для приема телевидения диапазоне частот.
Вместо двухпроводной однородной линии можно использовать и неоднородную линию” что не нарушает условий симметрирования и позволяет в качестве симметрирующей линии применить проводники нижнего ромба зигзагообразной антенны (рис.8.). Подключение верхнего ромба симметрирования не нарушает и на согласовании не сказывается, т.к. его сопротивление так же велико, как и нижнего.
Рис.8.
Таким образом, подключение к точкам питания зигзагообразной антенны симметричного полуволнового вибратора позволяет обеспечить их работу на один коаксиальный кабель при сохранении, как симметрирования, так и согласования обеих антенн. Геометрические размеры плеч полуволнового вибратора определяются как обычно — средней длиной волны требуемого телевизионного канала с учетом коэффициента укорочения (0,94). Размеры ромбических ячеек зигзагообразной антенны при подключении симметричного вибратора должны быть близких четверти рабочей длины волны вибратора. Если отклонение превышает 10...15%, в ромбы следует ввести отрезки двухпроводной линии соответствующей длины.
Если вибратор подключить к антенне, описанной в [5] по этому принципу можно построить трехдиапазонную антенну. Один из вариантов этой антенны — со стороной ромба 30 см и длиной короткозамкнутого шлейфа 15 см — обеспечивает прием в диапазонах 6…12 и 21...30 телевизионных каналов. Подключение линейного вибратора добавит еще один канал с 1 по 5.
Длину шлейфов этой антенны с четверти длины волны дециметрового канала следует увеличить до половины длины волны (до 30 см.). Полуволновая линия имеет нулевое входное сопротивление и ее включение в разрыв проводников зигзагообразной антенны (в пучности тока) не нарушает, в отличие от четвертьволновой, распределение тока в антенне и позволяет приблизить размеры ромба зигзагообразной антенны со шлейфом к требуемой на 1...5 каналах четверти длины волны.
Если на 1…5 каналах требуется другое направление приема, плечи линейного вибратора можно установить под углом к плоскости зигзагообразной антенны. Эта трехдиапазонная антенна имеет один кабель питания. Для телевизоров с двумя антенными входами, метровым и дециметровым, можно использовать двухдиапазонную антенну Бабынина (рис.5) в качестве трехдиапазонной, добавив к ней два горизонтальных отрезка (на рис показаны пунктиром) и, в случае необходимости, два короткозамкнутых шлейфа.
Эта антенна на метровом (6…12 каналы) и, особенно, дециметровом диапазоне имеет большее усиление, чем описанная выше, даже если использовать подключенный к метровой антенной ячейке кабель питания. Для увеличения усиления указанные конструкции антенн, как и объятые зигзагообразные, могут быть снабжены плоским рефлектором для 6... 12 каналов и расположенными ближе малыми рефлекторами для дециметрового диапазона. Весьма удобны для зигзагообразных антенн рамочные рефлекторы, описанные в [3].
Рис.9.
Если напряженность поля в месте приема мала и полуволновой вибратор не обеспечивает качественный прием телевизионных передач и есть возможность установить зигзагообразную антенну для 1.. .5 каналов, ее можно преобразовать в трехдиапазонную антенну Бабынина - рис.9. Схема питания дециметровых ячеек к этой антенне довольна сложна, поэтому целесообразно прием на дециметровом диапазоне осуществлять на ячейки б—12 каналов, подключив один кабель к ним, а другой — к ячейке 1...5 каналов.
В. Бабынин
Литература:
- К. П. Харченко, Зигзагообразная антенна, — Радио. — 1961 г.
- К. П. Харченко. УКВ антенны. — ДОСААФ, 1969.
- В. П. Кисмерешкин, Телевизионные антенны для индивидуального приема. — Москва: Связь, 1976 г.
- Антенна Бабынина, А. с. СССР №1403151.
- В. Шелонин, Двухдиапазонная антенна. — Радио. — №3. — 1980. — с.17.
