сборник «В помощь радиолюбителю», вып. 103, с. 21-35.

В. Никитин

Несмотря на то что к началу 12-й пятилетки более 92 % населения страны охвачено телевизионным вещанием, интерес к дальнему приему телевидения не ослабевает, что подтверждается большим количеством писем, поступающих в Письменную радиотехническую консультацию Центрального радиоклуба СССР, с вопросами на эту тему. Сегодня телезритель уже не удовлетворяется приемом одной телевизионной программы. Помимо первой общесоюзной программы хочется принимать также вторую и местную республиканскую. Многие хотят принимать передачи из соседней союзной республики. Вопросам достижения дальнего приема телевидения и посвящена эта статья.

В первую очередь необходимо четко разграничить уверенный и случайный прием. Уверенным называется прием передач определенного передатчика, который осуществляется независимо от условий погоды, солнечной активности, времени года, суток и других факторов. Случайный прием зависит от перечисленных факторов и возможен лишь при благоприятно сложившихся условиях.

Уверенный прием телевидения обеспечивается за счет распространения прямой или, как говорят, «земной» волны вдоль поверхности Земли. Ультракороткие волны, используемые в телевидении, распространяются прямолинейно и почти не отражаются ионосферой. Поэтому максимально возможная дальность приема должна определяться расстоянием прямой видимости передающей антенны из точки, где установлена приемная антенна. Исходя из сферической формы поверхности Земли, расстояние прямой видимости должно равняться

D=3,57(H ½ +h ½)

где D - расстояние прямой видимости в км; Н - высота передающей антенны в м; h -высота приемной антенны в м (рис. 1).

В действительности уверенный прием телевизионных передач оказывается возможным на большем расстоянии чем расстояние прямой видимости, за счет некоторого огибания распространяющимся сигналом земной поверхности, а также за счет переотражения сигнала различными местными предметами. Область, в пределах которой оказывается возможен уверенный прием» можно разбить на две зоны: зону прямой видимости и зону полутени. В зоне прямой видимости уверенный прием возможен с помощью обычных антенн. В зоне полутени напряженность поля сигнала мала, что вынуждает для уверенного приема использовать высокоэффективные антенны. При достаточно большой мощности передатчика на равнинной местности зона полутени ограничена расстоянием 200...220 км от передатчика, работающего на 1-5-м каналах, 120...150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах, а для дециметрового диапазона зоны полутени практически не существует. Указанные границы не являются резкими, значительно размыты и очень приближенны, так как не учитывают фактического рельефа местности. При наличии горных преград даже вблизи передатчика уверенный прием может оказаться невозможным. На ровной же местности за границей зоны полутени уровень напряженности поля равен нулю и уверенный прием также оказывается невозможен даже при использовании высокоэффективных антенн.

В отличие от уверенного приема случайный прием иногда наблюдается на расстояниях в несколько тысяч километров и поэтому называется сверхдальним приемом. Сверхдальний прием связан с аномальными состояниями ионосферы, наблюдается крайне редко, как правило, только на 1-2-м каналах Сеансы его непродолжительны - от нескольких минут до нескольких часов - и совершенно не поддаются прогнозу. Ориентироваться на сверхдальний прием нет смысла.

Основной характеристикой телевизора, которая определяет возможность дальнего приема, являются чувствительность. Чем меньше значение чувствительности, тем дальнобойнее приемник. Однако существует несколько понятий чувствительности, что вносит путаницу, если не понимать различия между ними или не указывать, о какой чувствительности идет речь.

Чувствительность, ограниченная усилением,- это минимальное напряжение сигнала на входе телевизора, при котором обеспечивается номинальной уровень сигнала на модуляторе кинескопа. Номинальным уровнем принят размах напряжения, соответствующий уровням белого и черного на экране. Чувствительность, ограниченная синхронизацией,- это минимальное напряжение сигнала на входе телевизора, при котором еще достигается устойчивая синхронизация изображения. Наконец, чувствительность, ограниченная шумами,- это минимальное напряжение сигнала на входе телевизора, при котором обеспечивается номинальный уровень сигнала на модуляторе кинескопа при его превышении над уровнем шумов на 20 дБ (т. е. в 10 раз по напряжению). Во всех случаях имеется в виду чувствительность канала изображения.

Видно, что чувствительность, ограниченная усилением, характеризует лишь коэффициент усиления приемно-усилительного тракта. Чем больше коэффициент усиления, тем меньше (т. е. лучше) чувствительность, ограниченная усилением. Отсюда путем простого увеличения количества усилительных каскадов можно достичь как угодно малого значения чувствительности, ограниченной усилением. Это приводит к наиболее распространенному заблуждению, когда в условиях дальнего приема пытаются его улучшить за счет использования различных усилительных приставок. Чувствительность, ограниченная усилением, отнюдь не характеризует возможность приема слабых сигналов телевизионным приемником, так как не учитывает влияние собственных шумов телевизионного приемника. Шум каждого каскада усиливается последующими каскадами наравне с сигналом. Наиболее сильно усиливается шум первого каскада, так как он усиливается всеми каскадами. Если уровень шумов на выходе приемника разделить на его коэффициент усиления, получится уровень шумов, приведенный ко входу этого приемника. Наиболее важен уровень шумов первого каскада приемника, а шумами последующих каскадов можно пренебречь. Очевидно, что напряжение шумов, приведенных ко входу приемника, не зависит от количества каскадов и от коэффициента усиления приемного тракта. Чем больше коэффициент усиления тракта, тем меньшее напряжение сигнала нужно подать на вход приемника, чтобы получить на выходе номинальный сигнал, и тем лучше (меньше) чувствительность/ограниченная усилением. Однако ясно, что при подаче на вход приемника сигнала, меньшего по уровню, чем напряжение шумов, приведенных ко входу, такой слабый сигнал будет забит шумами. На экране телевизора при этом изображения не получится, а будут видны лишь шумы в виде хаотических мерцающих белых и черных точек. В таком случае говорят, что на экране виден снег. Чтобы получить изображение на экране, напряжение сигнала должно превышать напряжение шумов. Чем больше напряжение сигнала на входе телевизора по сравнению с напряжением шумов, приведенных ко входу, тем качество изображения будет лучше. Для оценки соотношения между напряжением сигнала и напряжением шумов принято брать их отношение.

Чувствительность, ограниченная шумами, учитывает наличие собственных шумов телевизионного приемника и характеризует его способность принимать слабые сигналы, то есть работать в условиях дальнего приема. Чувствительность, ограниченная шумами, измеряется при определенном отношении сигнал/шум, равном 10 на модуляторе кинескопа. В связи с тем что в телевидении кроме несущей; частоты изображения передается только одна боковая полоса частот, а вторая боковая подавляется, коэффициент усиления сквозного тракта для сигнала в два раза меньше, чем для шумов. Поэтому для получения на выходе приемника отношения; сигнал/шум, равного 10, на входе приемника это отношение должно быть равно 20. Указанное отношение сигнал/шум при определении чувствительности принято условно, так как оно соответствует очень плохому качеству изображения, обеспечивается лишь разборчивость крупных деталей, Для получения изображения хорошего качества отношение сигнал/шум на входе, телевизора должно быть не менее 100. Таким образом, если известно что чувствительность, ограниченная шумами, для какого-то телевизора составляет, например, 70 мкВ, подача на антенный вход этого телевизора такого сигнала обеспечит лишь получение разборчивого изображения плохого качества. Для получения же хорошего изображения напряжение сигнала на входе телевизора должно быть в 5 раз больше, то есть 350 мкВ.

Сравнивая значения чувствительности, ограниченной нами, для разных типов телевизоров, можно выбрать такой тип телевизора, который наиболее подходит для условий дальнего приема, то есть имеет минимальное значение чувствительности.

Для нормальной работы всей схемы телевизора он должен иметь запас усиления. Поэтому обычно чувствительность, ограниченная усилением, имеет меньшее значение, чем чувствительность, ограниченная шумами. Чувствительность, ограниченная синхронизацией, представляет собой промежуточную величину и гарантирует лишь устойчивую синхронизацию без учета качества изображения. Поэтому ее значение не может быть положено в основу определения пригодности телевизора для работы в условиях дальнего приема.

Следует учесть, что если не указано, о какой чувствительности телевизора идет речь, нужно понимать чувствительность, ограниченную усилением. Сравнивать между собой телевизоры по этой характеристике для определения их пригодности для дальнего приема нельзя.

Все разработанные после 1979 г. черно-белые и цветные стационарные и переносные телевизоры обладают чувствительностью, ограниченной шумами, в диапазонах метровых волн -100 мкВ, а в диапазоне дециметровых волн - 140 мкВ. Согласно ГОСТу эти значения являются предельными, фактическая чувствительность может быть лучше. Телевизоры, разработанные ранее 1979 г. и еще имеющиеся в продаже, могу иметь другие значения чувствительности. Худшей чув-свительностью, ограниченной шумами,-150 мкВ в диапазонах МВ и 500 мкВ в диапазонах ДМВ - обладают телевизоры типа УПИМЦТ-61-II, в названия которых входят индексы Ц-201 и Ц-202. Эти телевизоры менее пригодны для дальнего приема.

Из определения чувствительности, ограниченной шумами, видно, что она определяется уровнем собственных шумов телевизионного приемника, приведенным к его входу. Уровень шумов определяется в основном конструкцией первого каскада усиления в селекторе каналов, типом и режимом лампы или транзистора, которые используются в этом каскаде. Для современных селекторов каналов напряжение шумов на входе составляет примерно 5 мкВ в диапазонах МБ и 7 мкВ в диапазонах ДМВ. Отсюда и получается чувствительность, равная 100 и 140 мкВ (в 20 раз больше уровня шумов). По этой причине улучшение чувствительности, ограниченной шумами, может быть достигнуто исключительно путем снижения уровня собственных шумов, приведенного к входу, но не за счет увеличения коэффициента усиления приемного тракта заменой в нем ламп, транзисторов или использованием каких-либо усилительных приставок.

Радикальных мер уменьшения уровня собственных шумов телевизионного приемника без ухудшения качества изображения в настоящее время не имеется. Используемые в первых каскадах селекторов каналов СВЧ транзисторы ГТ346А имеют коэффициент шума при внутреннем сопротивлении источника сигнала 75 Ом, равный 7 дБ. Это - наименее шумящие из отечественных транзисторов р-n-р структуры. Если использовать в первом каскаде селектора каналов зарубежный транзистор типа АР251 с коэффициентом шума 4,8 дБ, уровень шумов уменьшится на 2,2 дБ, и чувствительность телевизора, ограниченная шумами, сможет быть улучшена до 80/110 мкВ. Однако приобретение малошумящих транзисторов зарубежного производства представляет собой трудновыполнимую задачу.

Значительно проще решается вопрос, если в целях улучшения чувствительности допустить некоторое ухудшение четкости изображения по горизонтали за счет сужения полосы пропускания. В условиях дальнего приема паспортная четкость изображения телевизора не реализуется, так как малоконтрастное изображение поражено интенсивной шумовой помехой. Как известно, четкость по горизонтали пропорциональна полосе пропускания приемно-усилительного тракта, а напряжение собственных шумов пропорционально корню квадратному из полосы пропускания. Если сузить полосу пропускания в 2 раза, четкость ухудшится также в 2 раза, до 250 элементов, что в условиях дальнего приема можно считать вполне приемлемым, а уровень собственных шумов уменьшится на 3 дБ, что соответствует улучшению чувствительности до 70/100 мкВ. При этом качество изображения субъективно улучшается за счет двух факторов: ослабления шумовой помехи и увеличения контрастности (так как сужение полосы пропускания приводит к увеличению коэффициента усиления тракта).

Проще всего сузить полосу пропускания можно путем увеличения сопротивлений нагрузки видеодетектора и видеоусилителя. В телевизорах УЛПТ-61-П-22 и УЛПТ-61-II-28 увеличивают сопротивления резисторов 3-R42 и 3-R47, в телевизорах УЛТ-50-Ш-2 и ЗУЛПТ-50-III-I - 2-R13 и 2-R22, в телевизорах 2УПИТ-61-II-1/2 и УСТ-61-3/4 - R25 и R26. В телевизорах цветного изображения с блоками радиоканала БРК-1, 2, 3 можно увеличить сопротивление резистора R65 в этих блоках, однако сужение полосы пропускания в цветном телевизоре может привести к пропаданию цветности, и изображение будет воспроизводиться черно-белым. Не следует стремиться к чрезмерному увеличению сопротивлений указанных резисторов, особенно в каскадах видеоусилителя, во избежание нарушения нормальных режимов электронных ламп и транзисторов. Можно считать допустимым увеличение сопротивлений нагрузки видеодетектора примерно в 2 раза и сопротивлений нагрузки видеоусилителя в 1,2 раза. При этом изменение режима оказывается в пределах допуска, а полоса пропускания сужается примерно в 2 раза.

Очевидно, что для получения на экране телевизора изображения, на его антенный вход необходимо подать сигнал, уровень которого должен быть выше чувствительности данного телевизионного приемника, ограниченной шумами. От того, насколько уровень сигнала будет превышать чувствительность, зависит качество изображения. Если нет возможности воздействовать на чувствительность для ее значительного улучшения, нужно постараться увеличить уровень сигнала на антенном входе телевизора, чтобы он оказался больше значения чувствительности. Чем определяется уровень сигнала на входе телевизионного приемника? В первую очередь Уровнем напряженности электромагнитного поля в той точке пространства, в которой находится приемная антенна, коэффициентом усиления этой антенны, ее действующей длиной и, наконец, затуханием сигнала в фидере, которым антенна соединена с телевизором. Конечно, антенна должна быть хорошо согласована с фидером, а фидер - с телевизором, иначе появятся дополнительные ослабления сигнала за счет его отражения и излучения обратно в пространство.

Напряженность поля в точке приема зависит от мощности передатчика, расстояния до этого передатчика, рельефа местности на трассе, затухания сигнала в атмосфере. Радикально воздействовать на уровень напряженности поля в точке приема нет возможности. Но обычно имеется выбор места расположения антенны, и можно, проделав несколько экспериментов, выбрать оптимальное положение антенны на крыше здания и высоту ее расположения, соответствующие максимальному уровню сигнала на входе телевизора. Действующая длина антенны зависит исключительно от длины волны принимаемого сигнала, то есть от номера канала: чем меньше длина волны (чем больше номер канала), тем меньше действующая длина антенны. Таким образом, в целях увеличения уровня сигнала на входе телевизора остается возможность воздействия на коэффициент усиления антенны и затухание сигнала в фидере.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз напряжение сигнала на выходе данной антенны превышает напряжение сигнала на выходе полуволнового вибратора, помещенного в ту же точку электромагнитного поля. Коэффициент усиления может также выражаться в децибелах. Чем больше коэффициент усиления антенны, тем больше будет напряжение сигнала на входе телевизора при прочих равных условиях. Поэтому в условиях дальнего приема необходимо использовать антенны с большим коэффициентом усиления. Характерно, что увеличение коэффициента усиления антенны не приводит к увеличению уровня шумов. Если улучшение чувствительности телевизионного приемника, ограниченной шумами, и выбор оптимального расположения антенны позволяют лишь в небольших пределах улучшить прием, то использование высокоэффективной антенны может привести к увеличению уровня сигнала во много раз. Таким образом, выбор антенны является решающим фактором при дальнем приеме.

И чем более высокочастотный сигнал необходимо принимать (чем больше номер канала), тем больше должен быть коэффициент усиления антенны. Это связано с тем, что действующая длина антенны пропорциональна длине волны сигнала. Поэтому при одинаковой напряженности поля двух сигналов, например 1-го и 12-го каналов, и использовании однотипных антенн с одинаковым коэффициентом усиления напряжение сигнала на выходе антенны 12-го канала окажется в 4,3 раза меньше, чем на выходе антенны 1-го канала. Только по этой причине для получения одинакового напряжения сигнала на входе телевизора коэффициент усиления антенны 12-го канала должен быть больше коэффициента усиления антенны 1-го канала в 4,3 раза по напряжению, что соответствует 12,7 дБ. В дециметровом диапазоне необходимость использования антенн с повышенным коэффициентом усиления по этой причине еще больше возрастает.

В том частотном диапазоне, который отведен для телевидения, используются различные типы высокоэффективных антенн. В профессиональной аппаратуре (радиосвязь, радиолокация и т. п.) предпочтение обычно отдается многоэлементным антеннам типа «Волновой канал». В любительских же условиях применение таких антенн нецелесообразно по следующим причинам. Многоэлементные антенны нуждаются в тщательной настройке, которая производится путем изменения размеров каждого элемента антенны и расстояний между ними. Настройка производится в полигонных условиях по приборам при контроле формы диаграммы направленности антенны, величины и характера ее входного сопротивления. Произвести такую настройку антенны радиолюбитель не в состоянии. Многоэлементная антенна, даже в том случае, если она выполнена точно по чертежам, оказывается расстроенной, подобно тому как оказывается расстроен многоконтурный радиоприемник сразу после сборки. В результате такой расстройки параметры антенны получаются значительно хуже паспортных, и положительного эффекта такая антенна не дает. У расстроенной антенны искажается форма и расширяется главный лепесток диаграммы направленности, увеличиваются боковые и задний ее лепестки, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Максимум главного лепестка диаграммы отклоняется от геометрической оси антенны. Кроме того, чтобы антенна была согласована с фидером, ее входное сопротивление должно быть чисто активным и равняться волновому сопротивлению фидера. У расстроенной антенны входное сопротивление имеет комплексный характер и содержит реактивную составляющую, а активная составляющая значительно отличается от номинального значения. Профессиональная аппаратура обычно содержит специальные блоки для контроля за согласованием антенны с фидером. Телевизионный приемник таких блоков не содержит. В результате рассогласования дополнительно теряется часть энергии сигнала, что приводит к уменьшению напряжения сигнала на выходе антенны и равносильно уменьшению ее коэффициента усиления. Чем больше элементов содержит антенна типа «Волновой канал», тем острее встает вопрос о необходимости ее настройки. Практика показывает, что удовлетворительно могут работать без настройки лишь трехэлементные антенны типа «Волновой канал». Однако коэффициент усиления трехэлементной антенны по напряжению не превышает 2,2 (около 6,8 дБ), что слишком мало для дальнего приема. Пятиэлементная антенна имеет коэффициент усиления 2,8 (около 9 дБ), но из-за неизбежной расстройки на практике она дает такой же результат, что и трехэлементная антенна. Теоретически коэффициент усиления по напряжению 11-элементной антенны типа «Волновой канал» составляет 4 (около 12 дБ). Но такое усиление соответствует лишь настроенной и согласованной с фидером антенне. Из-за большого количества элементов расстройка такой антенны после ее сборки оказывается значительной, что приводит также к значительному ухудшению ее эффективности как благодаря падению фактического коэффициента усиления, так и за счет сильного рассогласования антенны с фидером. Этими причинами объясняются частые неудачи радиолюбителей, пытавшихся за счет использования многоэлементных антенн добиться улучшения телевизионного приема в условиях слабого сигнала. Вызывает сожаление, что, несмотря на многократные публикации изложенного, многие авторы статей и книг продолжают рекомендовать радиолюбителям использование многоэлементных антенн в условиях дальнего приема телевидения, по-видимому, основываясь исключительно на теоретических предпосылках.

В связи с тем что в настоящее время значительная часть территории страны охвачена двух- и даже трех-программным телевизионным вещанием, при выборе приемной антенны весьма заманчивым представляется возможность использования широкодиапазонной антенны, что позволило бы одной антенной обеспечить прием двух или трех телевизионных программ по разным каналам. Такие антенны существуют, например зигзагообразные и логопериодические антенны. Однако их использование возможно лишь в зоне прямой видимости, так как коэффициент усиления сравнительно мал. Если же передатчики расположены в разных направлениях, широкодиапазонную антенну приходится устанавливать на поворотной мачте и каждый раз при переходе с приема одной программы на другую переориентировать. При этом за счет неточной ориентировки антенны сигнал дополнительно ослабляется. В зоне полутени при необходимости принимать несколько программ по разным каналам необходимо устанавливать раздельные узкополосные антенны. Две раздельные антенны можно подключить к общему фидеру с помощью разделительного фильтра. Если же количество антенн больше двух, дополнительная коммутация может осуществляться контактами электромагнитного реле, установленного вблизи антенн, управление которым производится дистанционно, тумблером, установленным у телевизора. При этом питание обмотки реле может поступать от телевизора по тому же фидеру без использования дополнительных проводов.

В радиолюбительских условиях для дальнего приема телевизионных передач хорошо зарекомендовали себя синфазные системы, состоящие из нескольких сравнительно простых антенн. Две антенны, расположенные одна над другой, образуют двухэтажную систему, которая характеризуется суженной диаграммой направленности в вертикальной плоскости. Четыре антенны могут образовать двухэтажную двухрядную систему с суженной диаграммой в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Сужение диаграммы направленности соответствует увеличению коэффициента усиления. Каждое удвоение количества антенн в синфазной системе соответствует увеличению коэффициента усиления на 3 дБ (в 1,41 раза по напряжению) только за счет суммирования сигналов, принятых каждой антенной. Дополнительно, за счет сужения диаграммы направленности, коэффициент усиления увеличивается примерно еще на 1 дБ при каждом удвоении количества антенн в системе.

Использование в составе синфазной системы сравнительно простых антенн позволяет получить большой коэффициент усиления без необходимости настройки антенн. Необходимо лишь обеспечить согласование системы с фидером, что легко выполняется, поскольку значения входного сопротивления простых антенн известны и мало зависят от настройки антенны. Таким образом, наращивая количество антенн в системе, можно неограниченно увеличивать коэффициент усиления. Это часто оказывается необходимо в диапазоне ДМВ, где при прочих равных условиях напряжение сигнала на выходе антенны значительно меньше, чем в диапазоне МВ, из-за уменьшения длины волны. Вместе с тем, благодаря малым размерам антенн этого диапазона увеличение их количества в системе легко выполнимо и не приводит к чрезмерным габаритам системы.

Наибольшее распространение среди любителей дальнего приема телевидения нашли синфазные системы, собранные из двухэлементных и трехэлементных рамочных антенн «Двойной квадрат» и «Тройной квадрат». Двухэлементные рамочные антенны обычно используются в диапазонах МВ, а трехэлементные - в диапазонах ДМВ. По данным некоторых авторов, двухэтажная двухрядная синфазная система, собранная из четырех двухэлементных рамочных антенн, обладает коэффициентом усиления по напряжению порядка 6-8 (16... 18 дБ), а такая же система из трехэлементных рамочных антенн-11-13 (21...23 дБ). Достичь такого усиления с помощью многоэлементной антенны типа «волновой канал» невозможно, так как даже коэффициент усиления 16-элементной антенны «Волновой канал» не превышает 14 дБ, да и то, если она тщательно настроена и согласована с фидером.

Следует предостеречь от частых попыток сборки синфазных систем из нескольких широкодиапазонных антенн. Таким путем пытаются достичь высокого коэффициента усиления при широкополосности антенны, для того чтобы в условиях дальнего приема иметь возможность одной антенной системой принимать передачи нескольких программ по разным каналам. Такие попытки, как правило, оказываются безуспешными, так как не удается согласовать антенну в диапазоне частот. Элементы согласования обычно содержат резонансные узлы в виде полуволновых и четвертьволновых отрезков кабеля, выполняющих свои функции только на определенной частоте. В широком диапазоне частот они работать не могут. Не дают также успеха попытки сборки синфазных систем из нескольких многоэлементных антенн «Волновой канал». Из-за того, что антенны расстроены по-разному, фазы напряжений сигнала на их выходах также оказываются различными, и синфазного сложения их не получается, а порой вместо сложения происходит вычитание.

Рис. 2. Графики затухания сигнала в высокочастотном кабеле

При дальнем приеме антенна устанавливается на высокой мачте и соединяется с телевизором длинным фидером. Чем длиннее фидер, тем большее затухание он вносит и тем меньше напряжение сигнала на входе телевизора. Для фидера наиболее распространен кабель марки РК-75-4-11, обладающий погонным затуханием 0,07 дБ/м на 1-5-м каналах, 0,13 дБ/м на 6-12-м каналах, 0,25-0,37 дБ/м на 21-60-м каналах. Графики погонного затухания разных марок кабеля приведены на рис. 2. Если при длине фидера 50 м затухание сигнала на 1-5-м каналах невелико (3,5 дБ), то на 33-м канале оно достигает 15 дБ, что соответствует уменьшению напряжения сигнала почти в 6 раз. Для компенсации затухания сигнала в фидере используют антенный усилитель, установленный на мачте около антенны. Это позволяет обеспечить поступление на вход антенного усилителя сигнала, который еще не ослаблен за счет прохождения по длинному фидеру. При этом сохраняется высокий уровень отношения сигнал/шум на входе антенного усилителя и на антенном входе телевизионного приемника. В этом состоит принципиальное отличие от случая, когда антенный усилитель устанавливается около телевизора и никакого полезного эффекта не дает. Антенный усилитель потому и называется антенным, что должен устанавливаться около антенны, а не около телевизора. Коэффициент усиления антенного усилителя должен быть по крайней мере таким же, как величина затухания сигнала в фидере, лучше - на 5.., 10 дБ больше. Тогда уровнем собственных шумов телевизионного приемника можно будет пренебречь, и качество изображения будет определяться исключительно отношением сигнал/шум на входе антенного усилителя.

Отечественной промышленностью выпускается несколько типов антенных усилителей. Наибольшее распространение в настоящее время имеют усилители УТДИ-I-III (усилитель телевизионный диапазонный индивидуальный на частоты I-III диапазонов) метровых волн. Усилители содержат встроенный блок питания и рассчитаны на питание от сети переменного тока напряжением 220 В. Коэффициент усиления их не менее 12 дБ, а уровень собственных шумов несколько меньше, чем у телевизионных приемников. Выпускаются также одноканальные антенные усилители типа УТКТИ, рассчитанные на усиление сигнала одного определенного канала, номер которого указан в конце обозначения типа усилителя. Коэффициент усиления усилителей УТКТИ-1-УТКТИ-5 не менее 15 дБ, а УТКТИ-6 - УТКТИ-12 не менее 12 дБ. Антенные усилители для дециметровых диапазонов индивидуального пользования промышленностью пока не выпускаются. Поэтому при необходимости можно рекомендовать любительские конструкции. Описание одного из таких усилителей приведено в журнале «Радио», 1983, № 6, с. 57. Он рассчитан на усиление сигнала в диапазоне 27-37-го каналов и обладает усилением 18 дБ. Описание другого усилителя на 21-43-й каналы с коэффициентом усиления 18-20 дБ помещено в сборнике «В помощь радиолюбителю», вып. 70, с. 9-15.

Необходимость в использовании длинного фидера иногда возникает в условиях закрытой местности, когда телевизор расположен в ложбине. Если антенну установить на вершине ближнего холма, уверенный прием будет обеспечен, но длина соединительного фидера окажется порядка 100...200 м. Даже на частоте 1-го канала

при длине фидера 200 м затухание сигнала в нем составит 14 дБ. И в этом случае установка антенного усилителя около антенны позволит скомпенсировать затухание сигнала. Если усиления одного усилителя недостаточно, можно включить два усилителя последовательно один за другим, разместив их равномерно по длине фидера.

Нужно также обратить внимание на возможность использования в качестве фидера коаксиальных кабелей различных марок. Кабель РК-75-9-13 обладает меньшим погонным затуханием, чем кабель РК-75-4-11. Особенно это заметно в диапазонах ДМВ: на частоте 60-го канала кабель РК-75-9-13 вносит затухание примерно в три раза меньше по напряжению, чем кабель РК-75-4-11. Таким образом, за счет использования лучшего кабеля при его большой длине можно поднять уровень сигнала на входе телевизора в несколько раз.

Так как при покупке кабеля обычно нет возможности определить его марку, можно руководствоваться тем, что чем больше диаметр кабеля, тем меньшее затухание он вносит. В качестве фидера всегда используется кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Если марка кабеля и его волновое сопротивление неизвестны, его легко определить при наличии штангенциркуля, если кабель имеет сплошную полиэтиленовую изоляцию. Отношение наружного диаметра внутренней полиэтиленовой изоляции к диаметру центральной жилы у кабелей с волновым сопротивлением 75 Ом должно находиться в пределах от 6,5 до 6,9.

Литература

Сотников С. К. Дальний прием телевидения.- М. : Энергия, 1968.

Ломозова Н. 3., Сорокина Т. М. Прием телевидения в дециметровом диапазоне волн.- М. : Связь, 1971.

Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г. Пассивные ретрансляторы для радиорелейных линий.- М. : Связь, 1973.

Никитин В. А. Как добиться хорошей работы телевизора.- М.: ДОСААФ, 1988.

Телевизионный прием .
Этот раздел посвящен проблемам приема телевизионных сигналов.
Здесь Вы можете найти полезные рекомендации, схемы и описание различных усилителей, конструкции телевизионных антенн.

В общем случае расчет дальности приема чрезвычайно сложен. На дальность приема накладываются десятки факторов, включая даже время года и суток.

Тем не менее, специально для жителей Москвы , мы приводим 3 граничных графика (рис.1) для приема цифровых DVB-T2 пакетов (мультиплексов).

Все 3 графика построены для 3-х условий приема:

1 – дальнобойный прием (приемные антенны с коэффициентом усиления 16-18 дБ, класс "дальнобойные");

2 – средний прием (приемные антенны с коэффициентом усиления 10-12 дБ, класса балконных антенн);

3 – ближний прием (комнатная антенна «Дельта»).

Во всех случаях принято, что использована или активная антенна со встроенным мачтовым усилителем, или использован внешний малошумящий мачтовый усилитель (F=2 дБ). Разумеется, что использование более дорогостоящих «дальнобойных» антенн обеспечит много лучший (надежный) прием даже при любых всепогодных условиях и при многих лет эксплуатации. Чем выше цена антенны, тем более привлекательнее ее внешний вид и большая долговечность в использовании.

Длина кабеля снижения при наличии мачтового усилителя (любого типа) не имеет никакого значения ни на качество приема, ни на его «дальнобойность». При отсутствии мачтового усилителя длина кабеля снижения (особенно при работе на 2 и более телевизоров) играет уже очень важное значение.

При использовании комнатных антенн (Кусиления = 6 дБ) необходимо помнить, что стены (а радиоволны наверняка будут проходить через оконный проем или стены) обладают экранировкой (ослаблением радиоволн). В расчетах принят коэффициент радиоэкранирования в 6 дБ. На практике он может достигать 14…18 дБ. Иными словами это означает, что реальная дальность действия может быть снижена в 2-3 раза, в зависимости от места установки комнатной антенны и коэффициента радиоэкранной защиты стен.

Кривая с Кусиления=0 дБ соответствует распространенным активным комнатным зарубежным антеннам (как правило, они питаются от сетевого напряжения ~220 В/50 Гц). Такие антенны обладают нулевым коэффициентом усиления (без встроенного усилителя), но довольно эстетичны на внешний вид.

Для жителей регионов на рисунке ниже представлены аналогичные зависимости дальности приема R 0 в зависимости от высоты подъема приемной антенны h для разных высот установки передающих антенн - Н . Кривые построены для «дальнобойных» антенн при излучаемой мощности передатчика в 4 кВт на частоте 600 МГц.

Если у вас реальная мощность передатчика Р отличается от 4 кВт, то расчет реальной дальности приема необходимо скорректировать по формуле :
Полезно отметить, что если высота подвеса приемной антенны свыше 15 метров, то можно провести расчеты дальности приема R для высоты 15 м, а затем сделать перерасчет по формуле :

Так, для высоты подъема приемной антенны на 30 метров, дальность приема увеличивается примерно в 1,4 раза (например, с 48,3 км до 68,1 км).

В заключение приведем ряд полезных практических советов по цифровому DVB-T2 приему:

Совет 1
В настоящее время не имеет практического смысла устанавливать громоздкие антенны МВ диапазонов. С учетом появившегося цифрового DVB-T2 вещания выгоднее потратиться на одну единственную качественную антенну ДМВ в комплекте со встроенным или внешне подсоединяемым мачтовым усилителем.

Совет 2
Выбирайте мачтовый усилитель с коэффициентом усиления 12-20 дБ и минимальным коэффициентом шума (не более 3 дБ) . Если вы приобретаете мачтовый усилитель на рынке, то учитывайте тот факт, что там торгуют не специалисты. Поэтому, не слушая их рекомендаций старайтесь выбрать усилитель с максимальным током потребления (порядка 40-70 мА). Большему току потребления соответствует больший динамический диапазон (минимизация искажений).

Совет 3
Постарайтесь позаботиться, чтобы мачта, на которую крепится антенна, была заземлена. Желательно между антенной и мачтовым усилителем установить устройство грозозащиты . Если же прием осуществляется в доме, где уже предусмотрена штатная система грозозащиты, то никакой дополнительной системы вам не потребуется.

Совет 4
Желательно выбирать антенну с максимально возможным коэффициентом усиления . Данный критерий для диапазона ДМВ при приеме цифровых DVB-T2 сигналов является основным. При прочих равных условиях выбирайте антенну с минимальной ветровой нагрузкой и массой.

Совет 5
Старайтесь минимизировать длину кабеля снижения (между антенной и первым усилителем). Длина кабеля снижения в 5-10 метров для большинства практических применений считается допустимой.

Совет 6
Удобно использовать мачтовый усилитель с напряжением питания 5 В вместо традиционных 12 В или 24 В. Источник дистанционного питания 5 В присутствует практически в каждом DVB-T2 ресивере, что очень удобно, т.к. не требуется приобретение дополнительного источника питания.

Совет 7
Для нормальной читаемости цифровых DVB-T2 пакетов, вполне достаточно уровня сигнала на выходе антенны величиной 36 дБмкВ. Мачтовый усилитель служит только для компенсации потерь в кабеле снижения и разветвителе на несколько телевизоров.

Совет 8
Для увеличения дальности приема выбирайте приемную антенну с максимально возможным коэффициентом усиления и устанавливайте ее по возможности, максимально высоко относительно поверхности Земли . Мачтовый усилитель следует располагать как можно ближе к антенне или приобретать сразу активную антенну.

5.1. ОСОБЕННОСТИ ДАЛЬНЕГО ПРИЕМА

Основная особенность дальнего приема телевизионных передач состоит в низком уровне напряженности поля принимаемого сигнала из-за большого расстояния между передающей и приемной антеннами в дальней части зоны прямой видимости и из-за затенения поверхностью земли за границей зоны прямой видимости - в зоне полутени. По мере удаления от передатчика напряженность поля монотонно уменьшается, но в зоне полутени это уменьшение становится более резким. В зоне прямой видимости увеличение расстояния от передатчика сопровождается уменьшением плотности потока мощности сигнала (уменьшается густота силовых линий поля) просто хотя бы потому, что увеличивается длина окружности с увеличением ее радиуса. За границей зоны прямой видимости напряженность поля определяется почти исключительно дифракцией и нормальной рефракцией радиоволн.

Другая особенность дальнего приема заключается в наличии помех от других телевизионных передатчиков, работающих на томже или на соседнем частотном канале. Для ослабления таких помех действующими нормами установлены минимальные расстояния между передатчиками:

около 500 км между передатчиками, работающими на одинаковых каналах, и около 300 км между передатчиками, работающими на соседних по частоте каналах. Тем не менее в условиях дальнего приема такие помехи имеют место и приходится использовать специальные меры для их ослабления.

В условиях дальнего приема сильное влияние на уровень напряженности поля оказывает погода. В случае тумана, дождя или снега резко увеличивается поглощение энергии сигнала в пространстве, особенно в диапазоне дециметровых волн, и прием иногда вообще становится невозможен.

Важное значение имеет поверхность на трассе, над которой распространяется сигнал. Сплошные и протяженные леса ухудшают условия распространения, над равниной, болотами и особенно над морем сигнал распространяется лучше. Очень плохими оказываются условия приема телевизионных передач в горных условиях, где границы зоны прямой видимости не зависят от расстояния до передатчика, а целиком определяются местным рельефом. Естественно, что и на равнинной местности встречаются холмы и долины. При этом даже на сравнительно близком расстоянии от передатчика, когда пункт приема расположен в долине, напряженность поля может оказаться достаточно низкой. Поэтому нельзя ориентироваться исключительно на расстояние до телецентра или ретранслятора, а следует учитывать рельеф местности.

Одна из особенностей дальнего приема - наличие замираний сигнала, т. е. регулярных изменений напряженности поля. В зоне полутени, где уровень напряженности поля сильно зависит от нормальной рефракции,

наблюдаются суточные и сезонные изменения напряженности поля. При ясной погоде в дневное время рефракция радиоволн возрастает, и напряженность поля увеличивается. Как правило, напряженность поля увеличивается также летом. Такие медленные замирания особенно заметны на высокочастотных каналах: в диапазоне 6-12-го каналов и в дециметровом диапазоне. Помимо медленных наблюдаются также и быстрые замирания, период которых не превышает часа. Такие замирания связаны с наличием местных возмущении атмосферы на трассе при порывах ветра, наличием отдельных облаков или, наоборот, просветов в сплошной облачности. Быстрые замирания в условиях дальнего приема бывают достаточно глубокими, порой напряженность поля может изменяться в десятки раз.

Низкий уровень напряженности поля сигнала в условиях дальнего приема телевизионных передач диктует необходимость установки высокоэффективной антенны с большим коэффициентом усиления, так как напряжение принимаемого сигнала на выходе антенны определяется произведением напряженности поля на коэффициент усиления антенны. В связи с тем, что радиус зоны прямой видимости определяется высотой расположения приемной антенны, в дальней части зоны прямой видимости и в зоне полутени напряженность поля в точке приема зависит от высоты расположения антенны, причем зависимость эта оказывается примерно пропорциональной: при увеличении высоты антенной мачты вдвое напряженность поля также увеличивается в 2 раза. Поэтому всегда целесообразно использовать антенную мачту максимально возможной высоты. Установка приемной антенны с большим коэффициентом усиления на высокой мачте обеспечит увеличение напряжения сигнала на выходе антенны как при устойчивом уровне напряженности поля, так и в условиях замираний.

Для борьбы с замираниями сигнала все радиоприемники, радиовещательные и телевизионные, снабжаются системой автоматической регулировки усиления АРУ, которая уменьшает усиление приемного тракта при увеличении сигнала на входе и увеличивает усиление при его уменьшении. Однако система АРУ способна противостоять замираниям только в тех случаях, когда минимальный сигнал оказывается все-таки больше порога чувствительности приемника. Такой уровень напряжения сигнала на входе телевизионного приемника и должна обеспечить используемая антенна.

5.2. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ"

5.2. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ"

Ранееуже были рассмотрены достоинства и недостатки многоэлементных антенн типа "Волновой канал" и в любительских условиях не рекомендовалось заниматься изготовлением таких антенн. В условиях дальнего приема допустимо использование многоэлементных антенн "Волновой канал" промышленного производства. Тогда есть вероятность того, что антенна настроена заводом-изготовителем.

В радиолюбительской литературе часто публикуются описания конструкций самодельных многоэлементных антенн "Волновой канал", приводятся их коэффициенты усиления и рекомендуются такие антенны для использования в условиях дальнего приема. Не подвергая сомнениям результаты, полученные авторами этих конструкций, хотелось бы заме

тить, что оценка пригодности той или иной конкретной конструкции антенны может быть сделана только при многократном повторении этой конструкции, а не по единичному результату. Отклики же радиолюбителей, которые пытались изготовить и установить подобные антенны, в большинстве случаев оказываются отрицательными, что свидетельствует о плохой повторяемости этих конструкций антенн. Кроме того, необходимо учесть, что отнюдь не все эксперименты по созданию многоэлементных антенн заканчиваются соответствующими публикациями. Естественно, что в тех случаях, когда получались плохие результаты, они не находили отражения в литературе. В то же время по многочисленным откликам повторяемость рамочных антенн оказывается очень высокой, да и коэффициент усиления этих антенн значительно больше. Это и вынуждает рекомендовать в условиях дальнего приема применение рамочных антенн вместо антенн "Волновой канал".

5.3. МИФЫ О "ЧУДЕСНЫХ" АНТЕННАХ

5. 3. МИФЫ О "ЧУДЕСНЫХ" АНТЕННАХ

Телевизионные антенны, предназначенные для дальнего приема передач, как правило, отличаются большими габаритами и сравнительно сложной конструкцией. Особенно большие габариты имеют антенны, рассчитанные на прием сигнала по первому и второму частотным каналам, которые являются самыми длинноволновыми в диапазоне, отведенном для телевидения. Поэтому каждый любитель дальнего приема телевизионных программ стремится найти такую конструкцию антенны, которая обладала бы большим коэффициентом усиления и в то же время имела минимальные габариты и простейшую конструкцию. Подобные требования противоречивы и не могут быть выполнены, так как в природе за все приходится "платить": в данном случае за увеличение коэффициента усиления приходится платить увеличением габаритов антенны. Кроме того, возникает естественное возражение: если бы можно было создать такую антенну, кто бы стал строить крупногабаритные антенны?

Тем не менее некорректный спрос рождает соответствующие предложения. Поэтому время от времени в периодической литературе появляются статьи с описаниями чудодейственных антенн, позволяющих получить уверенный прием телевизионных передач на очень больших расстояниях от телецентра при малых размерах и простой конструкции антенн. Некоторые конструкции таких антенн содержат жидкую ртуть или металлические опилки. Подобные сообщения вызваны заблуждением или недобросовестностью авторов статей и технической неграмотностью редакторов. Благодаря поверхностному эффекту высокочастотные токи сигнала, принятого антенной, протекают исключительно по тончайшему поверхностному слою металла антенны, толщина которого не превышает сотых долей миллиметра. Свойства глубинных слоев материала совершенно не влияют на работу антенны. Антенны, элементы которых выполнены из сплошного прутка, из трубок или даже из тонкой фольги, наклеенной на деревянные бруски, работают совершенно одинаково при одинаковых наружных размерах. При проверках указанных сообщений оказывается, что конструктор такой антенны принимал сигнал близкорасположенного ретранслятора, который транслировал передачу далеко расположенного телецентра, или имел место

случайный сверхдальний прием благодаря благоприятно сложившимся условиям распространения сигнала. Когда же такая антенна проверялась на прием известного телевизионного передатчика, никаких чудес, естественно, не обнаруживалось.

Предпринимались также попытки добиться резкого уменьшения размеров антенны по сравнению с длиной волны принимаемого канала. В одной из статей предлагалось поместить приемную антенну в коробку из оргстекла, наполненную дистиллированной водой. Исходя из того, что вода обладает диэлектрической проницаемостью, равной 80, длина волны в воде должна быть в 9 раз короче, чем в воздухе. Поэтому размеры такой антенны должны быть также в 9 раз меньше, чем в воздухе. Однако при этом упускалось из виду, что для действительного проявления такого эффекта антенна должна находиться в свободной и равномерной среде, а для этого размеры сосуда с водой должны быть хотя бы в несколько раз больше длины волны. Тогда действительно в сосуд можно поместить малогабаритную антенну.

В периодической печати иногда приводятся самые разные конструкции антенн нетрадиционного устройства с использованием различных цилиндрических или конических пружин, а также и других экзотических элементов. Телевизионный прием на такие антенны, конечно, возможен, как возможен он на любой кусок обычного провода. Но ожидать каких-то улучшенных характеристик подобных антенн или какого-то эффекта от их применения не следует. Всегда затраты времени и средств на изготовление и установку таких антенн оказываются напрасными.

Часто некоторые радиолюбители или любители дальнего приема телевизионных программ спрашивают, можно ли установить телевизионные антенны нетрадиционной конструкции, не противоречит ли их установка действующим законам и положениям. В нашей стране, как впрочем и во всем мире, никаких запретов на конструкции приемных антенн нет. Можно устанавливать антенны любой конструкции, если вообще разрешается установка индивидуальных антенн на крыше. Дело в том, что на крышах зданий, оборудованных коллективными телевизионными антеннами, установка индивидуальных антенн запрещена, исходя из архитектурно-эстетических соображений. В отдельных же случаях по ходатайствам местного радиоклуба зарегистрированным радиолюбителям районный архитектор может разрешить установку индивидуальной антенны, необходимой для работы.

Отдельно следует предостеречь радиолюбителей от постройки телевизионных антенн с использованием ртути. Дело в том, что работа с открытой ртутью чрезвычайно опасна. Ртуть легко испаряется на воздухе при комнатной температуре даже через значительный слой воды. Пары ртути очень ядовиты, и их вдыхание даже при малых концентрациях приводит к опасным отравлениям. Хранение ртути допускается только в герметических металлических сосудах. Использовать сосуды из стекла категорически запрещается, так как они легко бьются. Пролитую ртуть нужно тщательно собрать, не касаясь ее руками, так как она всасывается в кожу. Особенно необходимо беречь детей от контактов с ртутью, так как они могут трогать ее руками и даже брать в рот.

5.4. СИНФАЗНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

5. 4. СИНФАЗНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Синфазная антенная решетка представляет собой сложную направленную антенную систему, состоящую из отдельных слабонаправленных антенн, разнесенных в пространстве и расположенных таким образом, что фазы наведенных в них сигналов оказываются одинаковыми. Антенны в решетке соединяют между собой, они должны работать на общую согласованную нагрузку. Как правило, синфазную решетку собирают из одинаковых антенн, расположенных в несколько рядов и несколько этажей. Схема соединения антенн решетки должна быть составлена так, чтобы не нарушалась синфазность сигналов, поступающих от каждой антенны в нагрузку, так как только при одинаковых фазах этих сигналов они будут складываться. Кроме того, схема соединения антенн решетки одновременно должна обеспечивать их согласование с нагрузкой, так как при рассогласовании общего входного сопротивления решетки с сопротивлением нагрузки часть энергии принятого антеннами сигнала отразится от нагрузки и будет излучаться обратно в пространство, что приведет к уменьшению коэффициента усиления антенной решетки.

Использование вместо одной антенны нескольких таких же антенн, соединенных в синфазную решетку, приводит к увеличению сигнала на выходе такой антенной системы, сужению диаграммы направленности и в результате к увеличению коэффициента усиления по сравнению с коэффициентом усиления одиночной антенны, входящей в состав решетки. Увеличение коэффициента усиления синфазной антенной решетки происходит за счет двух факторов.

Во-первых, в каждой антенне решетки электромагнитным полем принимаемого передатчика наводится сигнал определенной мощности, той самой, которая наводилась бы в одиночной антенне данного типа, а затем мощности сигналов, принятых всеми антеннами, складываются в нагрузке. Поэтому результирующая мощность сигнала на выходе синфазной решетки во столько же раз больше мощности сигнала на выходе одиночной антенны того же типа, сколько антенн содержится в решетке. В связи с тем, что сопротивление нагрузки остается неизменным, независимо от того, используется одна антенна или несколько, напряжение результирующего сигнала на выходе синфазной решетки увеличивается по сравнению с напряжением сигнала на выходе одиночной антенны того же типа не во столько раз, сколько антенн содержится в решетке, а в число, равное корню квадратному из числа антенн. Так, при наличии в решетке четырех антенн мощность сигнала на выходе решетки увеличивается в 4 раза, а напряжение - в 2 раза (на 6 дБ), при девяти антеннах мощность увеличивается в 9 раз, а напряжение сигнала - в 3 раза (на 9, 5 дБ) и т. д. Соответственно увеличивается коэффициент усиления синфазной решетки по сравнению с коэффициентом усиления одиночной антенны.

Во-вторых, поперечные размеры антенной решетки относительно направления, с которого приходит сигнал, больше поперечных размеров одиночной антенны. Иначе говоря, при использовании синфазной решетки увеличивается поверхность абсорбции антенны, та поверхность, из которой антенна поглощает мощность электромагнитного поля. Это приводит к сужению диаграммы направленности антенной системы, что эквивалентно

дополнительному увеличению коэффициента усиления антенны, т. е. дополнительному увеличению напряжения сигнала на выходе решетки. Сужение диаграммы направленности решетки обусловлено тем, что только те сигналы, которые принимает каждая антенна с главного направления, перпендикулярного плоскости решетки, оказываются синфазными. Сигналы же, приходящие под углом к главному направлению, поступают к антеннам решетки, разнесенным в пространстве, не одновременно, а со сдвигом во времени или по фазе. Таким образом, сигналы, приходящие под углом, за счет разности хода наводят в антеннах решетки напряжения, сдвинутые по фазе, которые складываются геометрически, как векторы. Их геометрическая сумма оказывается меньше арифметической суммы напряжении, наведенных в антеннах решетки сигналами, приходящими с главного направления. Чем больше поперечные размеры решетки, тем больше разность хода сигналов, приходящих под тем же самым углом к главному направлению, и тем больше сдвиг фаз, т. е. меньше результирующий сигнал. Следовательно, с увеличением поверхности абсорбции сужается диаграмма направленности и увеличивается коэффициент усиления синфазной решетки. Увеличение вертикального размера решетки сужает диаграмму направленности в вертикальной плоскости, увеличение горизонтального размера решетки сужает диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Теоретически увеличение поверхности абсорбции вдвое должно приводить к увеличению коэффициента усиления решетки на 3 дБ.

Таким образом, можно определить коэффициент усиления синфазной антенной решетки. В первую очередь он зависит от коэффициента усиления антенн, входящих в состав решетки, и должен быть увеличен за счет увеличения числа антенн решетки, а также за счет увеличения поверхности абсорбции решетки по сравнению с поверхностью абсорбции одиночной антенны.

Часто допускается ошибка, когда число антенн, входящих в состав решетки, не учитывают, а исходят только из коэффициента усиления одиночной антенны и увеличения поверхности абсорбции. Истоки этой ошибки лежат в аналогии между приемными и передающими антеннами, исходя из принципа взаимности. При рассмотрении передающей антенны предполагается, что мощность передатчика постоянная и не зависит от числа антенн в решетке. При увеличении числа антенн мощность, приходящаяся на каждую антенну, уменьшается. Соответственно уменьшается и та доля энергии электромагнитного поля, которая обусловлена излучением каждой из антенн решетки. Поэтому напряженность поля в точке приема не зависит от числа антенн в решетке передающей антенны. Если бы к каждой антенне передающей решетки был подключен свой передатчик, увеличение числа антенн в решетке приводило бы к увеличению излученной энергии. При этом напряженность поля в точке приема увеличивалась бы от увеличения не только эффективной поверхности решетки (эквивалентной поверхности абсорбции приемной антенны), но и числа антенн в решетке. Именно в этих условиях применима аналогия между передающей и приемной антеннами, так как напряженность поля в точке приема считается неисчерпаемой и не уменьшается при увеличении числа антенн в решетке приемной антенной системы.

Исходя из приведенных соображений, можно сделать вывод: при

увеличении числа антенн синфазной решетки в 2 раза и таком же увеличении поверхности абсорбции коэффициент усиления решетки должен увеличиться на 6 дБ. На практике, однако, такого увеличения коэффициента усиления по сравнению с одиночной антенной не получается в связи с тем, что происходит частичное перекрытие поверхностей абсорбции отдельных антенн и неизбежно некоторое рассогласование в цепях фазирования антенн и в цепях согласования сопротивлений антенн и нагрузки. Поэтому в зависимости от расстояния между антеннами можно считать, что при увеличении числа антенн в решетке в 2 раза коэффициент усиления увеличивается в пределах 4... 5 дБ.

Форма диаграммы направленности синфазной антенной решетки определяется диаграммой направленности антенн, составляющих решетку, и конфигурацией самой решетки (число рядов, число этажей и расстояния между ними). При двух ненаправленных антеннах, размещенных рядом на расстоянии, равном половине длины волны (между осями антенн), диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имеет вид восьмерки, а прием с боковых направлений, перпендикулярных главному, отсутствует. Если увеличивать расстояние между антеннами, ширина главного лепестка диаграммы направленности уменьшается, но появляются боковые лепестки с максимумами в направлениях, перпендикулярных главному. При расстоянии между антеннами 0, 6 длины волны уровень боковых лепестков составляет 0, 31 уровня главного лепестка, а ширина диаграммы направленности по половинной мощности уменьшается в 1, 2 раза относительно решетки с расстоянием между антеннами, равным 2/2. При расстоянии между антеннами 0, 75 длины волны уровень боковых лепестков увеличивается до 0, 71 уровня главного, а ширина диаграммы направленности уменьшается в 1, 5 раза. Наконец, при расстоянии между антеннами, равном длине волны, уровень боковых лепестков достигает уровня главного лепестка, но ширина диаграммы направленности уменьшается в 2 раза по сравнению с расстоянием между антеннами в полволны. Из этого примера видно, что целесообразнее выбирать расстояния между антеннами, равными длине волны. Это обеспечивает наибольшее сужение главного лепестка диаграммы направленности. Наличия боковых лепестков опасаться нет нужды, так как при использовании в составе решетки направленных антенн они с направлений, перпендикулярных главному, сигналов не принимают.

Располагать антенны в решетке на расстояниях, меньших половины длины волны (даже если конструкция антенн это позволяет), нецелесообразно, так как при этом перекрываются поверхности абсорбции и эффект получается слабым. Увеличивать же расстояния сверх длины волны недопустимо, так как при этом в диаграмме направленности появляются дополнительные боковые лепестки, неперпендикулярные главному направлению.

Синфазные решетки могут быть собраны из антенн самых различных типов. Обычно в решетке используют одинаковые антенны, что упрощает их согласование с нагрузкой и фазирование. Однако не исключено использование в решетке и разных антенн. В условиях дальнего приема телевизионных передач радиолюбители в основном применяют синфазные решетки, собранные из антенн типа "Волновой канал" и рамочных. При этом к тем

недостаткам многоэлементных антенн "Волновой канал", которые были рассмотрены ранее, следует добавить еще один. Две или несколько антенн этого типа, даже в том случае, если они изготовлены точно по чертежам и из одинаковых материалов, оказываются расстроены по-разному. Поэтому фазы принятых ими сигналов на выходах антенн одинаковыми не получаются и неизбежно наличие расфазирования, что значительно уменьшает коэффициент усиления решетки. Таким образом, для радиолюбителей можно считать допустимым использование синфазных решеток, собранных лишь из трехэлементных антенн "Волновой канал", естественная расстройка которых, как отмечалось ранее, незначительна и не приводит к необходимости индивидуальной настройки каждой антенны, а также к фазированию антенн в решетке.

В качестве примера на рис. 5. 1 показана двухрядная антенная решетка, собранная из двух трехэлементных антенн "Волновой канал". Антенна

Рис. 5. 1. Двухрядная синфазная антенна

предназначена для приема сигнала с вертикальной поляризацией на границе зон прямой видимости и полутени. Коэффициент усиления антенны составляет примерно 10 дБ. Элементы антенны выполняют из металлической трубки диаметром 12... 20 мм для антенн, работающих на 1-5-м каналах, или диаметром 8... 15 мм для антенн, работающих на 6-12-м каналах. Стрелы могут быть металлическими или деревянными, мачта же обязательно должна быть выполнена из изоляционного материала и лишь на 2 м ниже антенны мачта может быть металлической. Размеры каждой антенны можно взять из табл. 4. 3, а расстояние между антеннами Н и длина шлейфа Ш приводятся в табл. 5. 1.

Таблица 5. 1 Размеры двухрядной трехэлементной антенны

Согласующее устройство состоит из двух соединительных линий и симметрирующего коротко замкнутого четвертьволнового шлейфа. Входное сопротивление каждой антенны при указанных в табл. 4. 3 размерах составляет примерно 150 Ом. Линии, каждая из которых выполнена из двух отрезков 75-омного коаксиального кабеля, также имеют волновое сопротивление 150 Ом и хорошо согласуются с антеннами. Длина линий может быть взята произвольной, но обе линии должны быть одинаковой длины. В точках соединения линий два сопротивления по 150 Ом соединены параллельно, образуя 75 Ом. К этим точкам с помощью симметрирующего шлейфа подключен фидер. Шлейф и фидер выполняют также из 75-омного кабеля.

Синфазность антенн в решетке достигается применением одинаковых антенн, одинаковых линий, а также благодаря их синфазному соединению. Для этого точки "а" обеих линий должны быть подключены именно к точкам "а" (верхним концам) вибраторов обеих антенн. Если данную антенную решетку повернуть на 90° так, чтобы элементы антенн заняли горизонтальное положение, получится двухэтажная антенная решетка, которую можно использовать для приема передач с горизонтальной поляризацией сигнала.

Использование синфазных антенных решеток позволяет при необходимости значительно увеличить коэффициент защитного действия антенны для ослабления помехи, приходящей со стороны, противоположной направлению на передатчик. Для этого в синфазной решетке нужно выдвинуть одну из антенн, например нижнюю, как показано на рис. 5. 2, вперед по направлению на телецентр на четверть длины волны принимаемого канала, одновременно увеличив также на четверть длины волны в кабеле соответствующую линию, в данном случае - подключенную к нижней антенне. Сигнал, приходящий спереди, поступит к нижней

антенне на 1/4 периода раньше, чем сигнал, поступивший к верхней антенне. Но за счет более длинной линии сигнал от нижней антенны будет задержан также на 1/4 периода. Таким образом, сигналы от нижней и верхней антенн к точкам соединения линий поступят одновременно, в фазе, и будут складываться. Помеха, приходящая сзади, поступит к нижней антенне с запаздыванием на 1/4 периода по сравнению с помехой, поступившей к верхней антенне. Дополнительно помеха, принятая нижней антенной, будет задержана более длинной соединительной линией еще на 1/4 периода. Таким образом, помеха, принятая нижней антенной, поступит к точке соединения линий на полпериода позже, чем помеха, принятая верхней антенной. Поэтому они окажутся в противофазе и будут вычитаться. Такой способ позволяет увеличить КЗД антенной решетки примерно на 20 дБ, если направления на источники сигнала и помехи противоположны, т. е. угол между этими направлениями составляет 180°. Однако и при меньших углах, вплоть до 150°, имеет смысл использовать такой способ увеличения КЭД.

Это может понадобиться, когда слабый сигнал отдаленного телевизионного передатчика не может быть принят с удовлетворительным качеством из-за наличия ближе расположенного или более мощного передатчика, работающего на том же канале. При постройке антенной решетки с повышенным КЗД необходимо помнить, что длина волны в кабеле в 1, 52 раза меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Поэтому выдвигать одну из антенн вперед нужно на 1/4 длины волны в свободном пространстве (этот размер соответствует размеру Ш в таблицах 4. 6 и 5. 1), а удлинять одну из соединительных линий нужно на 1/4 длины волны в кабеле (этот размер соответствует размеру Т в табл. 4. 6). Разница в размерах Ш, приведенных в указанных таблицах, объясняется тем, что размеры одной из таблиц рассчитаны для настройки антенны на несущую частоту изображения, а другой - на среднюю частоту канала.

На рис. 5. 3 показана четырехэтажная синфазная решетка, собранная из четырех трехэлементных антенн "Волновой канал". Размещение антенн в четыре этажа значительно сужает диаграмму направленности в вертикальной плоскости и позволяет прижать ее лепесток к земле. Это очень важно в условиях дальнего приема телевизионных передач, когда сигнал приходит с линии горизонта. Коэффициент усиления такой антенной решетки достигает 14 дБ. Размеры антенн могут быть взяты из табл. 4. 3. Согласование антенн осуществляется следующим образом. Первый (нижний) этаж соединяется со вторым соединительной линией с волновым сопротивлением 150 Ом, образованной двумя отрезками 75-омного коаксиального кабеля. Длина соединительных линий, которыми соединены первый со вторым и третий с четвертым этажами, должна быть равна половине длины волны в кабеле. В связи с тем, что сигнал,

проходя по линиям такой длины, задерживается на полпериода, т. е. его фаза меняется на обратную, для компенсации отрезки кабеля в линиях перекрещены. В точках питания антенн второго и третьего этажей два сопротивления по 150 Ом соединены параллельно, образуя 75 Ом. К этим точкам подключены трансформаторы, образованные отрезками 50-омного кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом длиной Т. Поэтому в точках "в-в" входные сопротивления двух нижних этажей и входные сопротивления двух верхних этажей оказываются равными 150 Ом, соединены параллельно, образуя 75 Ом. К этим точкам и подключается фидер с помощью четвертьволнового симметрирующего шлейфа длиной Ш. Размеры трансформаторов Т и шлейфа Ш можно взять из одной из помещенных ранее таблиц. На концах линий и трансформаторов оплетки кабеля соединяют между собой. Центральную жилу фидера, соединенную с центральной жилой и оплеткой шлейфа, подключают к левой точке "в", а оплетку фидера - к правой точке "в". С оплетками трансформаторов оплетку фидера не соединяют.

В § 4. 9 была рассмотрена семизлементная широкополосная антенна типа АТВК-7/6-12, рассчитанная на прием передач по любому из каналов в диапазоне с шестого по двенадцатый. Широкополосность этой антенны достигнута взаимной расстройкой ее элементов и в результате коэффициент усиления оказывается небольшим. Некоторые радиолюбители пытаются собирать из таких антенн синфазные решетки для увеличения коэффициента усиления и использования таких решеток в условиях дальнего приема. Все попытки приводят к отрицательным результатам по следующим причинам. Антенна АТВК-7/6-12 рассчитана на применение в сравнительной близости от телевизионного передатчика, поэтому она не согласована с фидером, а лишь симметрируется с помощью кабельной петли. Обеспечить согласование антенн в решетке по их входным сопротивлением с волновым сопротивлением фидера во всем диапазоне невозможно, так как согласование осуществляется резонансными элементами - трансформаторами сопротивления, выполняемыми из отрезков кабеля длиной в 1/4 длины волны. Такой элемент является трансформатром только на той частоте сигнала, при которой его длина равна 1/4 длины волны. На другой частоте длина будет уже отличаться от 1/4 длины волны и как трансформатор он работать уже не будет, следовательно, произойдет рассогласование. Кроме того, антенны этого типа неидентичны по своим фазовым характеристикам. Фазы сигналов на выходах двух внешне одинаковых антенн могут быть также неодинаковыми. Это относится и к случаю, если из антенн собирается решетка, предназначенная для работы только на одном канале. В таком случае нецелесообразно использовать антенны, являющиеся широкополосными. Выгоднее использовать в решетке либо более простые антенны с таким же усилением, но стабильной фазовой характеристикой, либо антенны такой же степени сложности, но узкополосные, обладающие более высоким коэффициентом усиления. Те же соображения можно применить и к другим видам широкополосных антенн. Собирать из них синфазные решетки нецелесообразно порой из-за трудностей согласования, порой из-за трудностей фазирования.

Хорошие результаты дают синфазные решетки, собранные из рамочных антенн. В диапазонах метровых волн наибольшее распространение получили двухэтажные и двухэтажные двухрядные синфазные решетки, собранные из двухэлементных рамочных антенн. На рис. 5. 4 показаны двухэтажная синфазная решетка и схема симметрирующе-согласующего устройства к ней. Обе антенны этой решетки выполняют согласно рис. 4. 5 и табл. 4. 5. Симметрирование антенн осуществляется четвертьволновыми симметрирующими короткозамкнутыми шлейфами, не изменяющими входного сопротивления антенн. Поэтому линии, выполненные как и шлейфы из 75-омного кабеля, хорошо согласуются с антеннами. Линии берутся произвольной, но одинаковой длины. В точке соединения линий два сопротивления по 75 Ом соединены параллельно, образуя 37, 5 Ом. Для

Рис. 5. 4. Двухэтажная синфазная рамочная антенна

согласования такого сопротивления с волновым сопротивлением фидера, которое составляет 75 Ом, используется трансформатор в виде отрезка кабеля длиной в 1/4 длины водны в кабеле. Волновое сопротивление кабеля, из которого выполняется трансформатор, определяется путем извлечения квадратного корня из произведения сопротивлений на входе и выходе трансформатора, что дает 53 Ома. Таким образом, трансформатор должен быть выполнен из кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.

Часто возникают затруднения в связи с отсутствием отрезка 50-омного кабеля. В этом случае можно выполнить согласование по другой схеме, показанной на рис. 5. 5. Все элементы этой схемы выполнены кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. В схеме использованы два трансформатора, включенные последовательно. Первый трансформатор образован тремя параллельными отрезками кабеля и имеет волновое сопротивление 25 Ом. Второй трансформатор образован двумя отрезками кабеля и имеет волновое

сопротивление 37, 5 Ом. Входное сопротивление решетки равно 37, 5 Ом, на выходе первого трансформатора оно уменьшается до 16, 7 Ом, а на выходе второго трансформатора увеличивается до 84, 4 Ом. Хотя и не обеспечивается полное согласование такого сопротивления с волновым сопротивлением фидера, равным 75 Ом, но рассогласование можно считать вполне допустимым. При этом рассогласовании коэффициент бегущей волны составляет 0, 89, что соответствует передаче в фидер 98 % мощности сигнала, принятого антенной. Коэффициент усиления двухэтажной синфазной решетки из двух двухэлементных рамочных антенн примерно равен 12... 13 дБ.

Если необходимо увеличить КЗД двухэтажной рамочной антенны, верхняя антенна выдвигается вперед по направлению на телецентр на расстояние, равное Ш, а верхняя линия удлиняется относительно нижней на длину Т.

Двухэтажная решетка из рамочных антенн имеет узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости и более широкую в горизонтальной. Это представляет большое удобство, так как антенная решетка не нуждается в тщательном ориентировании по азимуту, а узкий лепесток диаграммы направленности в вертикальной плоскости, прижатый к линии горизонта, благоприятствует дальнему приему телевизионных передач. Использовать эту антенную решетку рекомендуется в зоне полутени, прилегающей к зоне прямой видимости.

Если после установки двухэтажной синфазной решетки из рамочных антенн экспериментально будет установлено, что ее коэффициент усиления недостаточен для получения уверенного приема с хорошим качеством изображения, можно изготовить еще две рамочные антенны и собрать решетку из четырех антенн, расположенных в два ряда и в два этажа. Такая антенная решетка со схемой согласования показана на рис. 5. 6. Все ее

Рис. 5. 6. Двухэтажная двухрядная рамочная антенна

размеры берутся из таблицы 4. 5. За счет удвоения рядов сужается диаграмма направленности решетки в горизонтальной плоскости, а коэффициент усиления возрастает до 16... 17 дБ. Использовать такую антенную решетку целесообразно в дальней части зоны полутени.

Все элементы симметрирующе-согласующего устройства выполняют из отрезков 75-омного кабеля. Входное сопротивление двух верхних антенн в точке соединения верхних линий составляет 37, 5 Ом. Верхний трансформатор увеличивает его до 150 Ом. Такое же входное сопротивление имеют две нижние антенны. В точке соединения трансформаторов два сопротивления по 150 Ом соединены параллельно, образуя 75 Ом. Сюда и подключается фидер. Согласование получается достаточно хорошим. Синфазность обеспечивается одинаковыми антеннами и одинаковой длиной всех четырех линий, которая может выбираться произвольно. Для соблюдения синфазности нужно обратить особое внимание на правильность подключения линий к антеннам: центральные жилы всех четырех линий подключают к левым концам вибраторных рамок, а оплетки - к правым. Иначе произойдет расфазирование.

При необходимости увеличения КЗД две верхние антенны выдвигают вперед на расстояние Ш, а обе верхние линии удлиняют относительно нижних на длину Т.

В этой конструкции антенной решетки перекладины обязательно должны быть выполнены из изоляционного материала. Можно использовать текстолит, винипласт или деревянные рейки, проваренные в каком-либо противогнилостном составе и окрашенные. Мачта может быть выполнена из металла. Во избежание прогиба перекладин мачту можно сделать выступающей вверх за пределы антенны на высоту Н/2 и подвязать все стрелы антенн к вершине мачты капроновым шнуром (использовать проволоку нельзя!). На вершине мачты можно установить громоотвод в виде заостренного металлического штыря, приваренного к мачте, если она металлическая, или соединенного толстым проводом, проведенным по деревянной мачте, с надежным заземлением у основания мачты. Металлическая мачта также надежно заземляется.

Весьма привлекательны синфазные решетки, собранные из трехэлементных рамочных антенн. Двухэтажная синфазная решетка, собранная из двух трехэлементных рамочных антенн, должна обладать коэффициентом усиления примерно 19 дБ, а двухэтажная двухрядная синфазная решетка из четырех трехэлементных рамочных антенн - около 23 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала на выходе антенной решетки в 14 раз по сравнению с полуволновым вибратором. Размеры трехэлементных рамочных антенн можно взять для дециметрового диапазона из табл. 3. 2, а для метрового диапазона - из табл. 4. 6. Согласование осуществляется в соответствии с рис. 5. 4 или 5. 5 для двухэтажной решетки из двух антенн, или рис. 5. 6 - для двухэтажной двухрядной решетки из четырех антенн. Согласно тем же рисункам выполняется конструкция самих антенных решеток.

Несмотря на то, что конструкция двухэтажной двухрядной решетки, собранной из трехэлементных рамочных антенн, для метровых диапазонов оказывается достаточно громоздкой (особенно для 1-го и 2-го каналов), ее можно рекомендовать для уверенного приема передач на дальней границе

зоны полутени или в тех случаях, когда использование более простых антенн не дает хороших результатов.

При изготовлении трехэлементных рамочных антенн для дециметрового диапазона расстояние между концами вибраторной рамки, как показано на рис. 3. 6, берется равным 15 мм. Такое небольшое расстояние взято для того, чтобы оно было значительно меньше стороны квадрата рамки. Если же антенну выполняют для работы в метровом диапазоне, это расстояние может быть увеличено до 40 мм.

В табл. 4. 6 расстояние между трехэлементными рамочными антеннами синфазной решетки по вертикали и по горизонтали Н указано максимально допустимым, примерно равным длине волны для получения наибольшего коэффициента усиления. Если такие большие расстояния окажутся неприемлемыми из-за громоздкости конструкции, разнос антенн по горизонтали можно уменьшить в 1, 5 раза, хотя при этом коэффициент усиления решетки уменьшится примерно па 1 дБ. Можно также уменьшить расстояние между этажами решетки также в 1, 5 раза, если это необходимо, что приведет к уменьшению коэффициента усиления решетки еще па 1 дБ. Вообще вовсе не обязательно, чтобы расстояния между этажами и рядами решетки были равны между собой.

Двухэтажная двухрядная синфазная решетка достаточно громоздка, особенно для приема передач на 1-5 каналах. В условиях дальнего приема

Рис. 5. 7. Трехэтажная рамочная антенна

телевидения в зоне полутени, когда передающая антенна находится за линией горизонта, особенно важно, чтобы главный лепесток диаграммы направленности приемной антенны был прижат к Земле. В то же время, из-за низкое напряженности поля ориентирование антенны по азимуту при узкой диаграмме направленности в горизонтальной плоскости представляет определенных трудности. Поэтому можно рекомендовать трехэтажную однорядную синфазную решетку из трех двухэлементных или трехэлементных рамочных антенн показанную со схемой согласования на рис. 5. 7. Все размеры здесь такие же как для уже рассмотренных рамочных антенн и синфазных решеток из них Особенность же в том, что для согласования этой решетки с фидеров требуются два соединенных последовательно трансформатора. Трансформа тор 1 образован параллельным соединением отрезков 75-омного и 50-омного кабелей, трансформатор 2 выполнен из отрезка 50-омного кабеля. Напомним все три линии выполняются одинаковой длины из одной и той же марки 75 омного кабеля.

Коэффициент усиления такой решетки из двухэлементных рамочных антенн - 14-16 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала в 5- (раз, а из трехэлементных рамочных антенн около 21 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала в 11 раз относительно полуволнового вибратора. В горизонтальной плоскости диаграмма направленности сравнительно широка.

Рис. 5.1. Двухрядная синфазная антенна

Изображение:

Рис. 5.2. Синфазная решетка с повышенным КЗД

Изображение:

Рис. 5.2. Четырехэтажная синфазная решетка

Изображение:

Рис. 5.4. Двухэтажная синфазная рамочная антенна

Изображение:

Рис. 5.5. Вариант согласования двухэтажной антенны

Изображение:

Рис. 5.6. Двухэтажная двухрядная рамочная антенна

Изображение:

Рис. 5.7. Трехэтажная рамочная антенна

Изображение:

Таблица 5.1 Размеры двухрядной трехэлементной антенны

Изображение:

5.5. ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ СИНФАЗНЫХ РЕШЕТОК

5. 5. ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ СИНФАЗНЫХ РЕШЕТОК

Диаграмма направленности синфазной антенной решетки определяется диаграммой направленности самих антенн, входящих в решетку, и, кроме того, параметрами решетки. Если решетка сформирована в вертикальном направлении, то есть построена в два или несколько этажей, сужается диаграмма направленности в вертикальной плоскости. Если же решетка сформирована в горизонтальном направлении, сужается диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. Наконец, большое значение имеет расстояние между антеннами в решетке.

Рассмотрим формирование диаграммы направленности решетки, состоящей из двух полуволновых вибраторов, расположенных рядом, на расстоянии Н между ними (рис. 5. 8). Если сигнал приходит с направления, перпендикулярного плоскости, в которой лежат антенны, фазы наведенных в антеннах ЭДС одинаковы и мощности принятых сигналов арифметически складываются. Если же сигнал поступает под углом я, отличающимся от 90°, как показано на рисунке, сигнал к антенне 2 поступает позже, чем к антенне 1 благодаря тому, что появляется разность хода d=Hcosa. Запаздывание сигнала, приходящего к антенне 2, приводит к сдвигу фазы ЭДС, наведенной в антенне 2 по отношению к ЭДС, наведенной в антенне 1. Этот угол сдвига фазы (в) так относится к полному углу 2*3.14, как разность хода d относится к длине волны:

На рис. 5.10 приведена диаграмма направленности указанной синфазной решетки в одной горизонтальной полуплоскости (диаграмма во второй полуплоскости аналогична) для пяти разных значений К. Видно, что при разносе между антеннами, равном половине длины волны (К =0,5) диаграмма имеет один лепесток с шириной по уровню 0,7 (уровень половинной мощности) немного меньше 50°. Для сравнения можно указать, что ширина диаграммы направленности одиночного полуволнового вибратора на том же уровне составляет чуть больше 100°. Это означает значительное увеличение коэффициента усиления антенной решетки по сравнению с одиночной антенной. Улучшается также пространственная избирательность антенны. При поступлении помехи под углом а=45° наведенная ЭДС в решетке составляет 0, 28 от максимума, а в одиночном полуволновом вибраторе 0, 63. Таким образом, по напряжению помеха ослабляется в 2, 25 раз, а по мощности - в 5 раз, то есть на 7 дБ.

Диаграмма показывает, что при разносе между антеннами, превышающем половину длины волны, появляются боковые лепестки. Если разнос равен 0, 75 длины волны, диаграмма содержит два боковых лепестка с уровнем 0, 19 от максимума. С дальнейшим увеличением разноса растет и уровень боковых лепестков, достигая 0, 7 при К=1,5. Если же разнос превышает 1,5 длины волны, вместо двух диаграмма приобретает четыре боковых лепестка. Так, при К = 2 два лепестка имеют уровень 0, 29 (а =27°) и два других - 0, 83 (а =61°). Боковые лепестки большого уровня крайне вредны, так как сильно ухудшают пространственную избирательность антенны не только к индустриальным помехам, но и к отраженным сигналам, что может привести к повторам на экране телевизора. Правда, при этом главный лепесток получается очень

Рис. 5. 10 Диаграммы направленности синфазной решетки

узким: его ширина на уровне 0, 7 не превышает 15°. Однако интенсивные боковые лепестки сводят это достоинство на нет. Поэтому рекомендуется выбирать разнос между антеннами в пределах от 0, 5 до 0, 75 длины полны принимаемого канала. В крайнем случае, если нужен особенно большой коэффициент усиления решетки, можно увеличить разнос до длины волны, что приведет к сужению главного лепестка диаграммы направленности до 28°. Небесполезно напомнить: чем уже диаграмма направленности антенны, тем больше ее коэффициент усиления. Увеличивать разнос между антеннами сверх значения, равного длине волны, не рекомендуется.

Приведенные диаграммы направленности были рассчитаны для синфазной решетки, собранной из двух полуволновых вибраторов, как простейшей антенны, для которой и аналитическое выражение диаграммы является наиболее простым. Однако основные свойства диаграмм направленности остаются такими же и для синфазных решеток из более сложных узкополосных антенн, рассчитанных на прием одного определенного частотного канала. Если же узкополосная антенна способна принимать несколько соседних по частоте каналов, как, например, в диапазоне дециметровых волн, необходимо предусмотреть, чтобы для самого высокочастотного канала разнос между антеннами не превышал длины волны.

Весьма характерно, что на всех приведенных диаграммах направленности, независимо от значения разноса между антеннами (при любом значении К), отсутствует прием с боковых направлений (а=0). Это объясняется тем, что

теоретически у полуволновых вибраторов (как и у большинства других телевизионных антенн) прием с боковых направлений отсутствует. Тем не менее на практике из-за того, что невозможно абсолютно точно изготовить антенну, слабый прием сбоку может иметь место. И, если в боковом направлении близко расположен мощный телевизионный передатчик, работающий на том же или на соседнем частотном канале, он может создавать заметную помеху приему основного сигнала. Такая помеха может выражаться в сбоях синхронизации или в накладке на основное изображение слабой посторонней картинки, перемещающейся в горизонтальном или вертикальном направлении. Для резкого ослабления такой помехи целесообразно использовать вместо одной антенны синфазную решетку из двух таких же антенн, расположенных рядом на расстоянии, равном половине длины волны того частотного канала, на котором работает передатчик, создающий помеху. В связи с тем, что помехи приходят к антеннам решетки не одновременно, а со сдвигом во времени на половину периода, их фазы сдвинуты на 180°. Если антенны совершенно одинаковы, такой сдвиг приводит при сложении к взаимному уничтожению принятых антеннами помех. К обеим антеннам с помощью симметрирующе-согласующих устройств, предназначенных для данного типа антенн, подключаются линии одинаковой длины из 75-омного коаксиального кабеля, а соединение линий с фидером осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора из отрезка 50-омного кабеля, как показано на рис. 5. 4, длина которого Т соответствует четверти длины волны в кабеле для основного канала. Кроме ослабления помехи, такая решетка обеспечит увеличение уровня полезного сигнала примерно па 3 дБ за счет увеличения коэффициента усиления и ослабит прием отраженных сигналов за счет сужения диаграммы направленности антенной решетки по сравнению с шириной диаграммы одной, ранее использованной антенны.

Создание такой двухрядной синфазной решетки с расстоянием между рядами, равным половине длины волны, может быть связано с трудностями при использовании антенн типа "Волновой канал". Дело в том, что длина рефлектора у этих антенн превышает половину длины волны, и необходимый разнос между антеннами оказывается неосуществимым. Поэтому такую решетку можно собирать только из антенн, максимальный горизонтальный размер которых меньше половины длины волны. В качестве примера на рис. 5. 11 показана синфазная двухрядная решетка из двухэлементных рамочных антенн. Все размеры этой решетки можно взять из таблицы 4. 5. Такую же решетку можно собрать из трехэлементных рамочных антенн с размерами согласно таблице 4. 6 для метрового диапазона или таблице 3. 2 для дециметрового диапазона. Однако для дециметровой решетки расстояние между антеннами берется равным половине длины волны канала изображения (таблица 1. 2) мешающего телевизионного передатчика.

Широкое распространение получили синфазные решетки, содержащие два или более этажа. Поэтому важно знать, как влияет разнос между этажами на форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В условиях дальнего приема на равнинной местности необходимо, чтобы антенна лучше всего принимала сигнал с линии горизонта - при угле места, равном нулю. Независимо от количества этажей решетки и разноса между этажами при угле места, равном нулю, диаграмма направленности имеет максимум. Однако в условиях холмистой или горной местности, а также при сверхдальнем приеме

Рис. 5. 11 Двухрядная фазированная решетка

(при использовании отражении от ионосферы) сигнал может поступать и под другими углами места. Если (как и для диаграммы направленности в горизонтальной плоскости) провести анализ формы диаграммы двухэтажной решетки из двух полуволновых вибраторов, в этих условиях оптимальным оказывается разнос между этажами, равный половине длины волны принимаемого частотного канала. Диаграмма направленности такой двухэтажной решетки содержит один лепесток с нулевым приемом из зенита (угол места 90°), а уровень половинной мощности соответствует углу места 30°. Достаточно широкая диаграмма направленности при этом благоприятствует приему сигнала с направлений под углами относительно линии горизонта. Когда же требуется обеспечить дальний прием за счет увеличения коэффициента усиления антенной решетки, есть смысл увеличить разнос между этажами. При разносе в 3/4 длины волны в диаграмме появляется боковой лепесток под углом места 90° и сужается главный лепесток - угол места половинной мощности около 20°, а нулевой прием соответствует углу места 42°. Еще более узкий главный лепесток диаграммы направленности можно получить при разносе между этажами, равном длине волны. В этом случае также образуется боковой лепесток, направленный в зенит, угол места, соответствующий половинной мощности составляет 14, 5°, а нулевого приема

30°. Наконец, допустимо увеличить разнос до полутора длин волн. При этом боковой лепесток имеет максимум под углом места около 42°, половинная мощность главного лепестка соответствует углу места 9, 6°, а нулевого приема

20°. Увеличивать разнос сверх этого значения не следует, так как появляются два боковых лепестка. Так, при разносе между этажами в 2, 5 длины волны главный лепесток, направленный на линию горизонта (угол места равен нулю) оказывается очень узким: половинной мощности главного лепестка диаграммы соответствует угол места, равный всего 5, 7°, но диаграмма направленности решетки в этом случае оказывается изрезана боковыми лепестками. Ближний к главному боковой лепесток имеет максимум под углом места 23, 6° и отделен

от главного лепестка направлением пулевого приема под углом места 11, 5°. Второй боковой лепесток имеет максимум под углом места 53° и отделен от первого бокового лепестка вторым направлением пулевого приема под углом места 37°. Если на трассе имеются даже небольшие холмы, нельзя Отрицать возможность поступления сигнала под небольшим углом места, который попадет в зону диаграммы направленности, соответствующую пулевому приему. В этом случае сигнал не сможет быть принят или будет значительно ослаблен.

Хотя приведенный анализ диаграмм направленности в вертикальной плоскости относился к двухэтажной антенной решетке из двух полуволновых вибраторов, такой же характер должны иметь диаграммы решеток, собранных из более сложных антенн, например, из антенн типа "Волновой канал" или из рамочных антенн. Разница будет лишь в значениях углов места, соответствующих половинной мощности, нулевому приему и максимумам боковых лепестков. Поэтому при выборе величины разноса между этажами синфазной решетки, собранной из самых разных (но одинаковых!) антенн, можно руководствоваться приведенными выше соображениями.

Рис. 5.10 Диаграммы направленности синфазной решетки

Изображение:

Рис. 5.11 Двухрядная фазированная решетка

Изображение:

Рис. 5.8. К определению разности хода

Изображение:

Рис. 5.9. Сложение векторов

Изображение:

5.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ АНТЕНН

5. 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ АНТЕНН

Сканированием антенны называют управляемое пространственное перемещение по определенному закону направления максимального приема, при котором последовательно "просматривается" заданный сектор или другая зона обзора. Так, антенна радиолокационной станции кругового обзора вращается вокруг вертикальной оси и за каждый оборот позволяет обследовать все окружающее пространство. Такое сканирование является механическим - механическое вращение антенны обеспечивает обзор заданной зоны. В отличие от механического в радиолокации в последние годы часто используют электрическое сканирование, при котором антенна представляет собой неподвижную решетку, а изменение направления главного лепестка диаграммы направленности достигается соответствующим фазированием антенн решетки. Если, например, сигналы, принятые двумя антеннами, складываются непосредственно, максимум главного лепестка диаграммы направлен перпендикулярно линии, соединяющей антенны. Но если перед сложением сигналов один из них задержать на часть периода, то есть сдвинуть его по фазе относительно сигнала, принятого другой антенной, диаграмма направленности повернется на некоторый угол, для которого разность хода будет скомпенсирована введенной задержкой. При главном и непрерывно меняющемся сдвиге фаз максимум диаграммы направленности так же плавно и непрерывно изменяет свое направление.

В технике телевизионного приема подобие механического сканирования использовалось давно. Антенна при этом устанавливалась на поворотной мачте и либо вручную, либо с применением электродвигателя, оснащенного редуктором, ее поворачивали в направлении нужного телевизионного передатчика. Такие устройства использовались любителями телевизионного приема достаточно редко, так как были громоздкими и дорогими.

Принцип электрического сканирования позволяет очень просто поворачивать максимум диаграммы направленности неподвижной антенной решетки за

счет фазирования ее антенн. Вернемся к рассмотрению рис. 5. 8. Пусть антенны 1 и 2 - ненаправленные. Если направление на передатчик перпендикулярно линии, соединяющей антенны, принятые ими сигналы будут синфазны, и максимум диаграммы будет направлен па передатчик. Если же передатчик находится под углом а, между принятыми сигналами возникает сдвиг фаз в, соответствующий разности хода, и прием произойдет на склоне диаграммы направленности. Но достаточно задержать сигнал, принятый антенной 1, сдвинув его по фазе на тот же угол в, чтобы оба сигнала оказались в фазе. В результате максимум диаграммы повернется и окажется в направлении а. При использовании направленных антенн зависимость угла максимального приема от сдвига по фазе одного из сигналов становится сложной. Форма диаграммы направленности фазированной двухрядной решетки из полуволновых вибраторов при расстоянии между ними, равном половине длины волны описывается формулой:

В этой формуле угол в соответствует необходимой задержке сигнала, принятого антенной 1, для того чтобы максимум диаграммы направленности решетки оказался повернут в направлении а.

Диаграммы направленности рассмотренной решетки для пяти значений фазирования антенн приведены на рис. 5. 12. При рассмотрении диаграмм

можно сделать следующие выводы. Фазирование решетки приводит к раздвоению диаграммы на два лепестка. С увеличением угла фазирования главный лепесток уменьшается, а боковой - увеличивается. Когда угол фазировапия достигает 180°, лепестки становятся одинаковыми!. Расчет показывает, что при дальнейшем увеличении угла фазирования боковой лепесток становится главным, что равносильно фазированию другой антенны. В связи с тем, что полуволновый вибратор принимает сигналы одинаково спереди и сзади, диаграмма направленности в противоположной полуплоскости аналогична приведенной.

Отсутствие аналитического выражения диаграмм направленности других антенн не дает возможности проследить результаты их применения в фазированной решетке, но можно считать, что качественно они будут такими же.

Для примера можно рекомендовать использование фазированной решетки при необходимости приема программ двух телевизионных передатчиков, работающих на одинаковых или соседних по частоте каналах и расположенных в разных направлениях.

Фазирование антенны в решетке легко осуществить за счет разной длины линий, например, показанных на рис. 5. 11. Увеличение длины одной линии относительно другой производится на величину z, которая находится в зависимости от необходимого угла фазирования в (в градусах) и длины волны сигнала L, в кабеле (в мм) по следующей формуле (длина волны в кабеле в 1, 52 раз меньше, чем в свободном пространстве).

Рис. 5.12. Диаграммы направленности рассмотренной решетки

Изображение:

Увеличение длины одной линии относительно другой

Изображение:

Форма диаграммы направленности фазированной двухрядной решетки

Изображение:

5.7. ПАССИВНЫЕ РЕТРАНСЛЯТОРЫ

5.7. ПАССИВНЫЕ РЕТРАНСЛЯТОРЫ

Встречаются такие условия, когда уверенный прием телевизионных передач оказывается невозможен из-за чрезмерно низкого уровня напряженности поля в точке приема. Это может быть связано с большим расстоянием до телевизионного передатчика, но иногда причина состоит в том, что неблагоприятен рельеф местности и точка приема расположена в ложбине. При этом прямому прохождению сигнала препятствует наличие холма или горной преграды. В таких условиях прибегают к использованию активного или пассивного ретранслятора.

Активный ретранслятор представляет собой совокупность приемной антенны, радиоприемника полного телевизионного сигнала, преобразователя частотного спектра, радиопередатчика преобразованного сигнала и передающей антенны. Преобразователь частотного спектра необходим для того, чтобы передача сигнала ретранслятором производилась на другом частотном канале относительно того канала, по которому сигнал был принят. Это требуется для устранения помех для тех телевизоров, которые могут попасть в зону, где возможен прием и основного сигнала, и ретранслируемого. В первые годы развития массового телевидения, когда число телевизионных центров было невелико, некоторые радиолюбительские коллективы создавали активные ретрансляторы для обеспечения возможности уверенного приема телевизионных передач в своем населенном пункте. В настоящее время сеть действующих

телевизионных центров и государственных активных ретрансляторов стала настолько густой, что выбрать свободный номер канала, не создающий помех сигналам окружающих передатчиков, порой оказывается невозможно. Поэтому органами министерства связи категорически запрещена постройка любительских активных ретрансляторов. Установка же государственных активных ретрансляторов производится по плану, с учетом уже действующих передатчиков в каждом регионе и их частотных полос. При этом зачастую для установки нового ретранслятора приходится изменять номера каналов действующих телецентров и ретрансляторов.

Пассивный ретранслятор отличается тем, что не содержит приемопередающей или усилительной аппаратуры, а прием и передача осуществляются исключительно антенными системами.

Различают пассивные ретрансляторы трех типов: преломляющего, отражающего и препятствия.

Ретранслятор преломляющего типа в простейшем случае представляет собой комбинацию двух остронаправленных антенн, одна из которых ориентирована па антенну передатчика, а вторая направлена в точку приема. Таким образом, производится переизлучение сигнала в нужном направлении.

Ретранслятор отражающего типа выполняется в виде одного или двух плоских антенных зеркал, которые обеспечивают изменение направления распространения сигнала. Антенны ретрансляторов преломляющего и отражающего типов должны быть выполнены с высокой точностью рабочих поверхностей при больших размерах полотен этих антенн, доходящих до сотен квадратных метров в телевизионном диапазоне частот. Кроме того, должна быть обеспечена жесткая фиксация рабочих поверхностей антенн в пространстве, что требует использования сверхжестких опор. Поэтому ретрансляторы преломляющего и отражающего типов в последнее время редко находят применение на государственных линиях связи и совершенно неприемлемы в радиолюбительских условиях для приема телевизионных передач.

Пассивный ретранслятор типа препятствия был предложен в 1954 г. Г. 3. Айзенбергом и А. М. Моделем. Такой ретранслятор представляет собой металлическую поверхность, расположенную между передатчиком и приемником, находящимся относительно передатчика в зоне тени (рис. 5. 13). В отсутствие ретранслятора антенна передатчика, установленная в точке А, практически не создает в точке приема Б электромагнитного поля, так как точка приема затенена. При установке на пути распространения сигнала в точке В препятствия, в точке Б возникает поле. Это связано с тем, что

Рис. 5. 13. К пояснению установки пассивного ретранслятора

препятствие в соответствии с принципом Гюйгенса возбуждается падающей на него волной и становится источником вторичного излучения. При соответствующем выборе формы и размеров препятствия напряженность поля в точке Б может оказаться значительной и достаточной для уверенного приема телевизионного сигнала. Роль препятствия в том, что на трассе распространения сигнала образуются поверхность с нулевой напряженностью поля на той стороне, которая обращена к пункту приема.

Деформации рабочей поверхности ретранслятора типа препятствия, вызванные ветром, или отклонения ее из-за неточности изготовления не влияют на интенсивность излучения и на уровень напряженности поля в точке приема. Это - основное преимущество ретрансляторов типа препятствия перед ретрансляторами преломляющего и отражающего типов. Поэтому полотно ретранслятора типа препятствия может быть выполнено не в виде жесткой металлической конструкции, а в виде проволочной сетки, жесткость же конструкции рамы такой сетки определяется исключительно необходимой механической прочностью. Отпадает также необходимость выполнения юстировки рабочей поверхности ретранслятора после его установки, обязательной для ретрансляторов преломляющего и отражающего типов. Все это указывает на то, что пассивные ретрансляторы типа препятствия могут найти широкое применение для уверенного приема телевизионных передач в сложных рельефных условиях при их установке радиолюбителями.

Оптимальная форма полотна ретранслятора типа препятствия - дугообразная. Однако практически из-за того, что горизонтальные размеры полотна значительно меньше расстояния до ретранслируемого передатчика, дуга вырождается в прямую, и такие же результаты дает полотно прямоугольной формы. Полотно ретранслятора устанавливают в вертикальной плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей точки А и Б. Установка полотна ретранслятора на опорах показана на рис. 5. 14. Наибольшая высота полотна равна высоте зоны Френеля и может быть определена по формуле

Наибольшая ширина полотна определяется допустимой расфазировкой полей, излученных серединой и краями полотна:

Рис. 5. 14. Полотно Пассивного ретранслятора

В этих формулах L - длина волны принимаемого телевизионного канала, а - угол между направлениями падающего на полотно поля и излученного поля на пункт приема, R2 - наклонное расстояние между полотном ретранслятора и приемной антенной. Формулы справедливы, когда расстояние между передающей антенной и ретранслятором значительно больше расстояния между ретранслятором и приемной антенной. В противном случае вместо R2 следует подставлять в формулу значение R1R2/(R1 + R2). Размеры полотна получаются в метрах, если также в метрах выражены расстояния.

При расчете размеров пассивного ретранслятора следует учесть, что полученные размеры являются максимально допустимыми: увеличение этих размеров приводит к снижению эффективности ретранслятора. Фактически в диапазонах I и II метровых волн эти размеры могут оказаться реально невыполнимыми. Приведем следующий пример. Допустим, расстояние от передатчика до ретранслятора R1 =30 км, расстояние от ретранслятора до приемной антенны R2 = 1 км, а угол между этими направлениями а = 10°. Тогда для первого телевизионного канала с длиной волны L = 6 м наибольшая высота полотна получится равной 17, 3 м, а наибольшая ширина полотна 132 м. В таких условиях полотно может быть выполнено меньших размеров, хотя эффективность ретранслятора, которая пропорциональна площади поверхности полотна, уменьшится. Для тех же условий, если ведется прием передач по 12-му каналу с длиной волны 1, 32 м, размеры полотна оказываются уже ближе к реальности: высота -3, 7 м, ширина - 61, 3 м. Наконец, для 33-го канала дециметрового диапазона волн при длине волны 0, 53 м размеры полотна получаются еще меньше: высота - 1, 5 м, и ширина - 39, 1 м.

Эффективность пассивного ретранслятора типа препятствия можно характеризовать отношением напряженности поля в точке размещения ретранслятора к напряженности поля в точке приема:

напряженность поля в точке приема окажется в 5, 3; 11, 2 и 18 раз меньше напряженности поля в точке установки ретранслятора соответственно для 1, 12 и 33-го каналов.

Из преобразованной формулы видно, что при малых углах а напряженность поля в точке приема обратно пропорциональна этому углу, а ее зависимость от расстояния до ретранслятора и от длины волны слабее,

поскольку их значения входят в формулу под знаком радикала, если размеры полотна выбраны максимально допустимыми. В то же время максимальные размеры полотна зависят от длины волны, с уменьшением длины волны они также уменьшаются, особенно высота полотна, которая зависит от длины волны в первой степени. Таким образом, эффективность ретранслятора при уменьшении длины волны можно было бы увеличить, если бы можно было увеличить размеры полотна сверх максимально допустимых. Это оказывается возможно, если полотно сделать не сплошным, а состоящим из нескольких горизонтальных полос, перекрывающих зоны Френеля через одну, т. е. одного знака. В связи с тем, что в дециметровых диапазонах волн максимально допустимая высота полотна оказывается небольшой, можно выполнить полотно из двух или трех полос, причем высота каждой полосы и расстояние между ними по высоте берутся равными найденному значению максимальной высоты полотна. Такие ретрансляторы называются многоэлементными.

Эффективность многоэлементного ретранслятора типа препятствия возрастает пропорционально квадрату числа полос. Таким образом, если в приведенном примере выполнить полотно ретранслятора для 33-го канала из трех полос высотой 1, 5 м каждая с расстоянием между ними по высоте также 1, 5 м, эффективность ретранслятора увеличится в 9 раз. При этом напряженность поля в точке приема окажется уже не в 18 раз меньше напряженности поля в точке установки ретранслятора, а всего в два раза.

На равнинной местности при большой протяженности трассы использование радиолюбительских пассивных ретрансляторов типа препятствия становится нереальным по следующим причинам. Установка ретранслятора должна производиться в такой точке трассы, где напряженность поля достаточно велика, а эта точка обычно находится за десятки километров от точки приема. С увеличением этого расстояния падает эффективность ретранслятора при равной эффективной поверхности полотна. Угол между направлениями падающего на ретранслятор поля и излученного на пункт приема уменьшается до долей градуса, что приводит к увеличению максимально допустимой высоты полотна. При этом установка многоэлементного ретранслятора даже для дециметрового диапазона становится нереальной в связи с тем, что у ретрансляторов в таких условиях высота каждой полосы и расстояний между ними по высоте оказываются недопустимо большими.

Пассивные ретрансляторы типа препятствия целесообразно устанавливать в условиях, когда точка приема закрыта в направлении на передатчик близкорасположенной высокой преградой, а на вершине этой преграды, на которой будет установлен ретранслятор, напряженность поля сигнала достаточно велика. Тогда полотно ретранслятора удается выполнить максимально допустимых размеров даже для первого телевизионного канала, а для 12-го канала ретранслятор может быть выполнен многоэлементным.

Рассмотрим теперь практическое исполнение полотна ретранслятора. Теория пассивных ретрансляторов основана на предположении, что препятствие представляет собой сплошной металлический лист. Однако на практике полотно выполняют в виде проволочной сетки. Такие сетки хорошо отражают электромагнитные волны, если поляризация падающего поля параллельна проводам сетки. Тогда при горизонтальной поляризации сигнала полотно должно быть выполнено в виде горизонтальных проводов, а при вертикальной

поляризации - вертикальных. Расстояние между проводами должно быть значительно меньше рабочей длины волны. Можно считать достаточным, если их отношение будет не менее 20. Диаметр проводов также имеет значение: чем больше диаметр проводов, тем меньше просачиваемая мощность и тем лучше работает полотно. Хорошие результаты при изготовлении полотна ретранслятора дает антенный канатик. Для обеспечения прочности провода полотна можно скрепить поперечными проводами любого диаметра, пропояв все точки пересечений. Расстояния между поперечными проводами выбирается произвольно из соображений механической прочности. Полотно ретранслятора устанавливают на двух или нескольких опорах. Если используются промежуточные опоры, все части полотна должны находиться в одной плоскости. Прямоугольная форма полотна обеспечивается его подвеской к капроновому шнуру. Изолировать полотно от опор нет необходимости. Высота нижней кромки полотна над поверхностью земли должна быть не менее нескольких длин волны принимаемого канала.

Изображение:

Изображение:

5.8. ОСОБЕННОСТИ СВЕРХДАЛЬНЕГО ПРИЕМА ТЕЛЕВИДЕНИЯ

5. 8. ОСОБЕННОСТИ СВЕРХДАЛЬНЕГО ПРИЕМА ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Как уже отмечалось, сверхдальний прием телевизионных передач наблюдается сравнительно редко, сеансы его непродолжительны и не поддаются прогнозированию. Сверхдальний прием возможен при случайно сложившихся благоприятных условиях распространения сигнала. Рассмотрим, каковы же эти условия и чем объясняется сверхдальний прием телевидения?

Как известно, основой распространения радиоволн длинноволнового и средневолнового диапазонов является земная волна, которая характеризуется тем, что энергия электромагнитного поля огибает земную поверхность за счет преломления в атмосфере. Это преломление происходит благодаря уменьшению плотности воздуха с высотой. Радиоволны коротковолнового диапазона слабо преломляются в атмосфере, но способны отражаться от верхних ионизированных ее слоев.

Долгое время считалось, что радиоволны метрового диапазона не огибают поверхность земли (не подвержены рефракции) и не отражаются ионосферой. Это, однако, оказалось не так. Степень ионизации слоев ионосферы резко возрастает в годы солнечной активности, а также и по другим причинам. Это приводит к образованию условий, способствующих отражению волн метрового диапазона. Наиболее важными в этом отношении являются слой Е, расположенный на высоте 95... 120 км над поверхностью земли, и слой F2, расположенный на высоте 230... 400 км. Считается, что образование слоя Е связано с ионизацией молекул азота и кислорода рентгеновским и ультрафиолетовым излучением Солнца, а образование слоя F2 - ионизацией тех же газов ультрафиолетовым и корпускулярным излучениями Солнца. Слой Е характеризуется большим постоянством электронной концентрации изо дня в день, которая возрастает днем и уменьшается ночью, а слой F является неустойчивым образованием. В этом слое как электронная концентрация, так и высота расположения ее максимума в разные дни колеблются в значительных пределах. Однако днем концентрация электронов в этом слое также выше, чем ночью, и, кроме того, зимой она значительно больше, чем летом. В предрассветные часы наблюдается глубокий минимум электронной концентрации слоя F2.

Время от времени в области Е образуется сильно ионизированный слой, который называют "спорадическим слоем Е". Интенсивность спорадического слоя Е во много раз выше интенсивности нормального слоя Е. Исследования показали, что спорадический слой Е представляет собой скопление электронных облаков, которые имеют горизонтальную протяженность в десятки и сотни километров и движутся со скоростью до 300 км/ч. Время существования этого слоя колеблется в широких пределах, но не превышает нескольких часов. Спорадический слой Е может возникать в любое время суток и года, однако в средних широтах он чаще образуется в летние дни. Предполагается, что образование спорадического слоя Е связано с просачиванием заряженных частиц из выше расположенных слоев и с потоками метеоров. Подобно тому как радиоволны длинноволнового и средневолнового диапазонов преломляются в атмосфере, радиоволны У К В диапазона преломляются в ионосфере. Степень преломления зависит от электронной концентрации слоя и от длины радиоволны или ее частоты.

Чем больше частота волны, тем более высокая концентрация электронов требуется для того, чтобы за счет преломления и полного внутреннего отражения волна вернулась на Землю. Кроме того, доказано, что в точке отражения волны электронная концентрация обязательно должна возрастать с высотой. Отражение не может происходить в области максимума и тем более в области уменьшения электронной концентрации с высотой. Непостоянство электронной концентрации в ионизированных слоях, ее изменения в течение года и в течение суток, кратковременность и случайность спорадического слоя Е приводят к тому, что условия достаточного преломления и полного внутреннего отражения, необходимые для возврата радиоволн на землю, возникают также случайно, длятся кратковременно и не прогнозируются.

Измеренные с помощью геофизических ракет электронные концентрации различных слоев в разное время объясняют, почему сверхдальний прием телевидения наблюдается только в пределах первого диапазона (1-й и 2-й телевизионные каналы). Частота волн последующих диапазонов больше и требует для возврата волны на землю таких электронных концентраций, которых в слоях не бывает. Волны этих диапазонов от ионосферы не отражаются, а пронизывают ее насквозь. Сверхдальний прием телевизионных программ обусловлен появлением слоя F2 и спорадического слоя Е. Однако электронная концентрация нормального слоя Е недостаточна для отражения волн телевизионного диапазона, следовательно, и сверхдальнего приема не происходит.

Согласно законам преломления луч, падающий на преломляющую поверхность нормально (под прямым углом), не преломляется. Чем более полого падает луч на преломляющую поверхность, тем больше вероятность того, что будут достигнуты условия для полного внутреннего отражения, тем меньшая электронная концентрация для этого потребуется. Поэтому сверхдальний прием телевидения наблюдается только на больших расстояниях (около 1000 км и более) от телевизионного передатчика, а меньшие расстояния для сверхдальнего приема образуют мертвую зону.

Протяженность электронных облаков и электронная концентрация ионизированных слоев изменяются в широких пределах. Поэтому также в широких пределах изменяется напряженность поля телевизионного сигнала при появлении сверхдальнего приема. Эти пределы настолько широки, что иногда оказывается возможен сверхдальний прием с хорошим качеством изображения даже при использовании комнатных антенн, как это наблюдалось в 1957 г. Тем не менее вероятность получения устойчивого изображения при сверхдальнем приеме увеличивается при использовании высокоэффективных антенн и высокочувствительных телевизионных приемников. Из числа таких приемников можно рекомендовать телевизор для дальнего приема Н. Швырина, описание которого приводилось в журнале "Радио" 12 за 1972 г. Этот телевизор пригоден для приема сигналов с разными стандартами разложения изображения. Однако следует учесть, что постройка такого телевизора, а особенно его налаживание и настройка доступны лишь очень опытным радиолюбителям. К тому же в журнале приводилось недостаточно подробное описание, Для опытов по сверхдальнему приему можно использовать и обычный телевизионный приемник черно-белого изображения промышленного производства, приняв меры к улучшению его чувствительности.

В качестве антенн целесообразно использовать узкополосные антенны с большим коэффициентом усиления, например, двухрядную синфазную решетку из трехэлементных рамочных антенн, построенную по размерам для первого канала. Установить антенну желательно на высокой мачте, а если длина фидера превысит 50 м, использовать малошумящий антенный усилитель, установив его на мачте в непосредственной близости от антенны. В связи с тем, что заранее неизвестно, с какого направления окажется возможным осуществить сверхдальний прием при сложившихся благоприятных условиях распространения сигнала, необходимо иметь возможность быстро и оперативно ориентировать антенну. Для этого антенну устанавливают на поворотной мачте, которая может вращаться с приводом от реверсивного электродвигателя, оснащенного редуктором с большим коэффициентом передачи. Благодаря такому редуктору мощность двигателя может быть небольшой, так как момент вращения с вала двигателя увеличивается пропорционально коэффициенту передачи редуктора. Естественно, что выходные шестерни редуктора должны быть рассчитаны на большие усилия. Во избежание скручивания фидера система поворота антенной мачты должна быть оснащена концевыми выключателями питания электродвигателя, которые ограничивают поворот мачты. Эти же концевые выключатели могут быть использованы для сигнализации о достижении предельного поворота антенны. Некоторые радиолюбители дополняют систему дистанционного поворота антенны парой сельсинов. Это дает возможность по шкале, установленной на оси сельсина-приемника, определять направление антенны в любом ее положении.

Конечно, в тех случаях, когда установка для сверхдальнего приема предназначена для приема телевизионных передач одного определенного телецентра, нет нужды антенну выполнять поворотной. В этом случае антенна ориентируется по направлению на передатчик раз и навсегда при ее установке.

АНТЕННЫ ДЛЯ ПРИЕМА НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ИЗ КАТАЛОГА ФИРМЫ "БЕЛКА"

Приложение 1

АНТЕННЫ ДЛЯ ПРИЕМА НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ИЗ КАТАЛОГА ФИРМЫ "БЕЛКА"

Антенны для приема наземного телевидения предназначены как для индивидуального приема, так и для оборудования систем коллективного приема телевизионных передач от телевизионных центров и наземных ретрансляторов. Эти антенны подразделяются на одноканальные, однодиапазонные, двухдиапазонные и широкодиапазонные. Одноканальные антенны рассчитаны на прием только одной определенной программы, передаваемой по тому частотному каналу, на который настроена данная антенна. Однодиапазонные антенны рассчитаны на прием нескольких программ, которые передаются на частотах одного определенного диапазона: I метрового (1, 2 каналы), II метрового (3... 5 каналы), III метрового (6... 12 каналы) или IV-V дециметрового (21... 80 каналы). Двухдиапазонные антенны способны принимать сигналы нескольких программ в каких-либо двух указанных диапазонах, а широкодиапазонные - более, чем в двух диапазонах. Антенны, рассчитанные на прием сигналов диапазона II (3... 5 каналы), могут также принимать сигналы УКВ-ЧМ радиовещания.

Все перечисленные ниже антенны являются пассивными за исключением антенн типа АЭЗ-07 и 20/6-12/21-60, которые содержат широкодиапазонные антенные усилители. В приводимых данных каждой антенны значение коэффициента усиления дается по отношению к полуволновому вибратору. Коэффициент защитного действия показывает отношение уровней главного лепестка диаграммы направленности антенны к уровню ее заднего лепестка. Большей частью указаны две марки каждой антенны: по номенклатуре корпорации "Белка" и по номенклатуре изготовителя (например: АЭ1-01 и DIPOL 5/3-5).

АНТЕННА ОДНОДИАПАЗОННАЯ

Номера каналов 3... 5 Коэффициент усиления, дБ 3... 8 Вид поляризации сигнала горизонтальная Количество элементов 5 Коэффициент защитного действия, дБ 8 Входное сопротивление, Ом 300 Масса, кг 1.6 Марка изготовителя DIPOL 5/3-5