Передающие телевизионные антенны

Для передачи ТВ вещания применяют преимущественно многовибраторные антенны. Вибраторы таких антенн должны быть широкополосными. Расширить полосу пропускания можно применением вибраторов с малым волновым сопротивлением и использованием схем с компенсацией реактивной составляющей входного сопротивления. На первых телевизионных станциях в нашей стране применялись вибраторы, Б. В. Брауде, представля­ющие собой плоский вибратор, совмещенный с короткозамкнутым шунтом. На рис а приведена конструкция вибратора Б. В. Брауде и его эквивалентная схема. Реактивные составляю­щие входных сопротивлений вибратора и шунта имеют разные знаки и частично компенсируются. Наличие нулевого потенциала в точке короткого замыкания шунта позволяет крепить вибратор к опоре в этой точке без изоляторов. Это упрощает грозозащиту. Оптимальные размеры вибратора Б. В. Брауде: а= (0,25... 0,4)λ,;

1= (0,63 ... 0,66) λ При этом Rа== 140 ... 160Ом.

В вибраторе Брауде горизонтальные проводники возбуждают­ся токами разных амплитуд. Объясняется это тем, что по мере продвижения по шунту напряжение от максимального значения в точках питания падает до нуля в точке короткого замыкания. То­ки в проводниках можно выровнять, выполнив плечи вибратора в форме трапеции. Для этого в точках, расположенных ближе к короткозамыкателю, длину горизонтальных проводников берут резонансной, т. е. близкой к значению l≈0,25λ, а про­водники, расположенные ближе к точкам питания, укорачиваются. С укорочением вибратора появляется реактивная составляющая и его входное сопротивление возрастает. Большое распростране­ние получили Ж-образные вибраторы, совмещающие в себе два плоских трапецеидальных вибратора (рис.б). Питание под­водится к середине вибратора, в том месте, где расположен корот­кий горизонтальный проводник. Входное сопротивление вибрато­ра равно 150 Ом (по 75 Ом на плечо), полоса пропускания fмах/f min =1,4

В передающих антеннах часто применяют симметричные од­новолновые вибраторы (21= λ) цилиндрической формы, выпол­ненные из труб диаметром примерно 0,02 λ. Крепление волновых вибраторов к апериодическому рефлектору осуществляется в точ­ках нулевого потенциала, расположенных в центрах плеч вибра­тора, посредством “металлических изоляторов” — стрежней или труб длиной, приблизительно равной 0,25 λ. Входное сопротивле­ние одноволнового вибратора при небольшой расстройке изменя­ется аналогично сопротивлению параллельного контура, т. е. при ω>ωо имеет емкостный, а при ω<ωо — индуктивный характер. Для расширения полосы пропускания одноволнового вибратора между каждым его плечом и симметричной линией включают по­следовательно разомкнутые шлейфы, располагая их внутри виб­ратора (рис.а). Длины шлейфов берутся равными 0,25 λ ср с волновым сопротивлением

Wш=0,5 Wв((Wв² /RΣп) – Rвх л) / √ RΣп Rвх л

где Rвх.л — входное сопротивление линии со стороны вибратора.

Симметричный одноволновый вибратор имеет относительно большое входное сопротивление (W²в/ RΣп=250 ... 500 Ом).

В кон­структивном отношении удобно из двух (или нескольких) вибра­торов с апериодическим рефлектором создавать блок—панель.

кон

Рис. 11.9. Панельные антенны:

а—волновый вибратор; б—панель с цилиндрическими одиоволновыми вибраторами; е-панель с плоскими полуволновыми вибраторами

На рис.,б показана панель антенны, состоящая из двух одно­волновых вибраторов 1 цилиндрической формы, расположенных над апериодическим рефлектором 2, имеющим решетчатую конструкцию. Вибраторы укорочены и соединены между собой симметричной линией 3, к центру которой подключается симметрирующее устройство 4. Панель имеет несимметричный ко­аксиальный вход с сопротивлением 75 Ом. Переход от коаксиаль­ной линии к симметричной осуществляется посредством симмет­рирующей приставки длиной 0,25λ. Подбором волнового сопро­тивления симметричной линии Wс.л обеспечивается согласование

Для согласования необходимо, чтобы Wcл= V2WфW²в / RΣп

Подбором расстояний между вибраторами и между вибраторами и рефлектором можно получить примерно одинаковые ДН в плоскостях Е и Н. Это позволя­ет одни и те же панели соответствующей их ориентацией исполь­зовать для создания антенн, излучающих горизонтально или вертикально поляризованные волны.

На рис. в приведена панель из двух полуволновых вибраторов 1, выполненных из стальных оцинкованных полос сечением 10х60 мм² для работы в IV ТВ диапазоне. Начальные участки вибраторов для лучшего согласования выполнены в виде конуса 2а=60°, концы вибраторов закруглены. Симметричная двухпроводная линия 3 с Wс.л==150 Ом (D/d==l,9) выполняется из труб диаметром 20 ... 35 мм и длиной, равной средней длине волны ди­апазона, замкнутая на концах. Расстояние между вибраторами берут равным 0,5λ. Согласование осуществляется подбором расстояний от вибраторов до короткозамыкающих мостиков 5. Это расстояние определяется из условия

lш=(λ/2π)arcsinV Rв/Wc.л где входное сопротивление вибратора Rа=75...80 Ом; Wc.л= =150 Ом. Симметрирующее устройство 4 выполнено в виде согнутой четвертьволновой приставки. Можно обойтись без симметрирующего устройства. В этом случае кабель с W=75 Ом вводят в одну из трубок симметричной линии со стороны короткозамыкающего мостика и выводят в центре между вибраторами (на рис.б показано штриховой линией).

Горизонтальный симметричный или Ж-образный вибраторы в горизонтальной плоскости имеют ДН в форме восьмерки. Для формирования ненаправленной ДН применяют системы из двух вибраторов, расположенных перпендикулярно друг другу, или и нескольких панелей, образующих кольцевую решетку (см. рис. )

В так называемой турникетной антенне два симметричных петлевых или Ж-образных вибратора располагаются перпендикулярно друг другу (рис.,а) и плечи соседних вибраторов пи тают со сдвигом по фазе на 90° (переменно-фазное питание). Такие антенны выполняются с относительно небольшим К.У (до 10 дБ). Для его повышения необходимо увеличить число этажей в антенне, а, следовательно, и диаметр трубы, к которой крепятся вибраторы, с целью усиления ее механической прочности.

Если диаметр трубы взять больше 0,1 λ, то плечи вибраторов окажут­ся заметно разнесенными, ДН каждого вибратора сузится и ре­зультирующая ДН будет существенно отличаться от ненаправ­ленной.

Значительно большие К.У позволяют получить панельные ан­тенны, в которых панели (излучатели) образуют кольцевую ре­шетку. При сечении опоры до 2 λ, достаточно четырех панелей в кольце. С увеличением сечения опоры ДН ухудшается и число па­нелей в кольце увеличивают до 5, 6 или 8. При четырех панелях в кольце (рис.,6) в любом направлении от антенны можно учитывать поля, созданные только двумя панелями, поскольку две другие панели затенены рефлекторами. Для суммирования полей отдельных панелей необходимо знать расположение их фазовых центров. Фазовые центры панелей находятся между их вибрато­рами и рефлекторами.

Результирующее поле панельной антенны

E=√E1² +E2² +2E1E2 cos∆Ψ

В случае синфазного питания при сложении полей следует учитывать сдвиг по фазе, обусловленный разностью хода волны

Переменно-фазное питание позволяет получить хорошее согла­сование в более широкой полосе частот и применяется в случаях, когда сечение опоры не превышает λ. С увеличением сечения опо­ры ДН становится неравномерной. В этих случаях применяют синфазное питание панелей, обеспечивающее лучшую равномер­ность ДН, но обладающее несколько меньшей полосой пропуска­ния. Улучшить ДН при переменно-фазном питании в относитель­но узкой полосе можно за счет так называемого тангенциального сдвига. Для этого панели располагают не по центру сторон сече­ния опоры, а со сдвигом к краю (рис.,0).

Антенны передающей станции центрального телевидения в Останкине (Москва), работающие в 1-м и 3-м ТВ каналах, представляют собой десяти­этажные кольцевые решетки из восьми радиальных штырей-вибраторов в каж­дом этаже. Штыревая конструкция антенны (рис. 11.11) позволила при пере­менно-фазном питании получить малую неравномерность ДН в горизонталь­ной плоскости (±1,2 дБ) при относительно большом сечении опор (4 и 3 м).

Для формирования узкой ДН в вертикальной плоскости ан­тенны выполняют многоэтажными с расстояниями между центра­ми вибраторов по высоте в панельных антеннах 0,5 λ,, а в турникетных с Ж-образными вибраторами λ.

Для наклона направления максималь­ного излучения на угол ∆ к поверхности земли необходимо, чтобы в этом направ­лении сдвиг фазы к∆г, обусловленный раз­ностью хода лучей ∆г от соседних этажей, был скомпенсирован сдвигом фаз ∆Ψ за счет питания (рис.), т. е.

∆Ψ =k∆г или ∆Ψ =kdэ sin∆м

Та бляца 11.1

Антенна турникетная	Антенна панельная
Число этажей						. 8
D	3,6	5,6	7,2	1,8	3,7	7,5	9,5	11,0	15,0	22,0	45,0
D, дБ	5,5	7,5	8,5	2,6	5,7	8,7	9,8	10,4	11,7	13,4	16,5
G	2,2	3,4	4,4	1,1	2,3	4,6	5,8	6,7	9,2	13,5	27,5
G. дБ	3,4	5,3	6,4	0,4	3,6	6,6	7,6	8,3	9,6	11,3	14,4

Здесь dэ — расстояние между этажами. Если принять наклон ∆м=1°, то при dэ==0,5 λ каждый вышерасположенный этаж должен иметь опережение по фазе питания примерно 3°.

Для сглаживания минимумов в ДН вибраторы в нескольких этажах антенны питают со взаимным сдвигом по фазе до 100° (±50°). Сглаживание нулей и наклон ДН, например, в 16-этаж­ной антенне, можно получить при следующей фазировке: два ниж­них этажа питать нулевой фазой, следующие пары этажей соот­ветственно фазами —40, —50, —40, +40, +50, +40 и 0°.

Фазовый сдвиг в 90° между токами в вибраторах соседних па­нелей одного этажа, необходимый для переменно-фазного питания, достигается удлинением одной из соединительных линий на 0.25 λ (рис.). При этом с изменением фазы меняется знак реактив­ной составляющей отраженной волны. Следовательно, реактив­ность вибратора 3 в точке В компенсируется реактивностью виб­ратора 2. Аналогично реактивность вибратора 4 компенсируется в точке С реактивностью вибратора 1 (первая ступень компенса­ции). Кроме того, суммарная реактивность вибраторов 1 и 4 ком­пенсируется суммарной реактивностью вибраторов 2 и 3. Схемы. многократной компенсации значительно расширяют диапазонные свойства антенн. Следует отметить, что для обеспечения необхо­димой фазировки вибратор 1 в верхней и вибратор 4 в нижней панелях питаются с изменением фазы на л. Это достигается пово­ротом панели на 180°. Следующую ступень компенсации осуще­ствляют введением сдвига фаз на 90° между парами соседних этажей (рис.). Возбуждение вибраторов токами одинако­вых амплитуд обеспечивается подбором волновых сопротивлений отрезков линий АВ, ВС, CD и AD.

В многоэтажных антеннах с многократной компенсацией сигналы, отра­женные от вибраторов; не поступают в главный фидер, а после многократного прохождения по распределительной системе излучаются антенной. При значи­тельной длине межэтажных распределительных линий эти сигналы имеют за­метное запаздывание и ухудшают качество изображения. Для поглощения запаздывающих сигналов между

линиями групп вибраторов, питаемыхсо сдви­гом фаз на 90° на расстоянии 0,257i от точки разветвления, подключают пог­лощающее сопротивление величиной 2W (рис.).

Типовая антенная система для работы в IV ТВ диапазоне (470... 630 МГц) образуется из панелей размером 1130Х480Х Х220 мм. Каждая панель состоит из четырех горизонтальных одноволновых вибраторов (четыре этажа) с апериодическим реф­лектором. При размещении антенны на опоре квадратного сече­ния 300х300 мм (0,55 λср) в кольцевой решетке, формирующей ДН в горизонтальной плоскости, берут по четыре панели, располагая их по граням сечения опоры. В случае опоры круглого сечения ди­аметром 720... 1020 мм (1,3 ... 1,9 λ ср) число панелей в горизон­тальной кольцевой решетке увеличивают от пяти до восьми.

Рис. 11.12. К наклону ДН

Рис. 11.14. Поглощение отражен­ных сигналов в межэтажных рас­пределительных линиях

Рис. 11.13. Переменно-фазная схема питания с многократной компенсацией

Пи­тание панелей в кольцевых решетках переменно-фазное со сдвигом фаз питающих токов в соседних панелях 60 ... 90°. В вертикальной плоскости система состоит из 12—16 панелей (48—64 этажа). Система состоит из двух антенн, допускает работу на половину панелей и одновременную работу двух передатчиков на разных частотах. Фидер имеет два кабеля с W==75 Ом. Антенна снаб­жается стеклопластиковым обтекателем.