1.5. Согласование телевизионных антенн с фидером

1.5. Согласование телевизионных антенн с фидером

При изготовлении антенны мастерам-радиолюбителям следует особое внимание уделять вопросам согласования выходного сопротивления активного вибратора антенны с сопротивлением кабеля снижения, которые, как правило, отличаются друг от друга.

Во всех случаях приемная ТА соединяется с входом телевизора с помощью кабеля снижения, который передает принятые антенной сигналы на телевизор. Фидерное устройство обладает, как правило, высоким кпд, в большой степени зависящим от материалов, из которых изготовлены его составные части, и от схемы согласования фидерной линии антенны и телевизора. В качестве фидерных линий используются высокочастотные симметричные или несимметричные коаксиальные кабели.

Согласование антенны делается для обеспечения более высокого КБВ в кабеле снижения. Согласующее устройство преобразует входное сопротивление антенны в сопротивление, близкое или равное волновому сопротивлению фидерной линии.

Симметрирование антенны осуществляется с целью увеличения помехозащищенности при приеме телепередач и производится в тех случаях, когда к симметричной антенне подключается несимметричная коаксиальная фидерная линия. Специальное симметрирующее устройство устраняет токи радиочастоты на наружной поверхности экрана коаксиального кабеля и искажения диаграммы направленности антенны.

Оба процесса выполняются одновременно одним симметрирующе-согласующим устройством (УСС). Рассмот рим поочередно следующие УСС: фазосдвигающее колено;

волновое U-образное колено; четвертьволновой коротко-замкнутый мостик; четвертьволновой стакан; полуволновое U-образное колено; эквивалент кабельной петли; воздушный симметрирующе-согласующий трансформатор (ВССТ); симметрирующе-согласующий трансформатор на ферритах (ССТФ)

На рис. 1.5 дано УСС типа «фазосдвигающее колено», которое применяется в полосе частот ±5 % от средней частоты телеканала. Полуволновой линейный неразрезной вибратор с фазосдвигающим коленом относится к простейшим слабонаправленным антеннам и применяется в качестве самостоятельной антенны на расстоянии не более 10 км от ТЦ и ретрансляторов при отсутствии помех и отраженных сигналов.

При этом следует заметить, что подключение коаксиального кабеля к неразрезному вибратору показано условно. При подключении фидера к фазосдвигающему колену необходимо выполнить следующее условие. Оплетка коаксиального кабеля должна быть припаяна в точке а непосредственно к трубке вибратора без переходного проводника.

На рис. 1.6, а, оплетка кабеля снижения также должна быть припаяна к правому вибратору в точке 1 без промежуточного проводника. Это позволяет обеспечить относительно плавный переход из симметричной двухпроводной линии в антенну.

Улучшения согласования антенного устройства с кабелем снижения можно в некоторых случаях добиться применением неоднородностей в виде различных конструктивных элементов, не приводящих к заметному изме-

нению диаграммы направленности. Главным условием применения согласующих неоднородностей является их геометрическая симметрия в обоих плоскостях поляризации. Улучшение согласования достигается за счет того, что знак реактивной составляющей входного сопротивления антенны изменяется медленно, так как во всех широкополосных антеннах с таким устройством компенсация реактивного сопротивления происходит непосредственно на входе антенны.

Изготавливается данное УСС из латунной трубки диаметром, равным диаметру полуволнового линейного вибратора, который, в свою очередь, равен одной пятидесятой длины волны (1/50lдл.).Длина колена l1 = 1/10lдл

На рис. 1.6 а, б, приведены конструкция и схема подключения несимметричного коаксиального кабеля к полуволновому линейному вибратору с помощью симметрирующего мостика и УСС типа «волновое U-образное колено». В метровом диапазоне волн широко используется симметрирующий шлейф, изображенный на рис. 1.6 а, который изготавливается из трубок диаметром d1 = 10—15 мм, приваренных к вибраторам из трубок диаметром d = 12—25 мм. Перемычка 2 делается из металла и накоротко замыкает оба отрезка трубки 1. При изготовлении УСС необходимо выполнить следующее: первый

отрезок трубки приваривают к тому плечу вибратора, который питается от центральной жилы коаксиального кабеля и вместе со вторым отрезком трубки и с наружной оболочкой кабеля образует двухпроводную симметричную линию. Перемычку 2 присоединяют на расстоянии l1 от входных клемм антенны, оно равно 1/4lдлср, где lдлср — средняя длина волны.

При подключении в точках 1 к левой 4 и к правой 5 половинам вибратора короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии симметрии токов в плечах восстанавливаются. Применение симметрирующего шлейфа обеспечивает пропорциональное ответвление токов в левом и правом плечах вибратора, компенсацию разности токов, незначительное ответвление токов по оболочкам кабелей без изменения входного сопротивления вибратора. Конструкция симметрирующего мостика позволяет изменять положение короткозамыкающей перемычки, а это дает возможность использовать его в очень широком диапазоне частот. Дополнительной регулировкой расстояния между трубками симметрирующего мостика в пределах 60— 80 мм можно добиться полного согласования антенны с кабелем снижения при равенстве волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны.

Широкое применение в радиолюбительской практике получило УСС типа «волновое U-образное колено» (рис. 1.6, б). Подключается оно к активному вибратору большинства ТА типа «волновой канал». Конструктивные размеры этого УСС, изготовленного из коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией марки РК-75, приведены в табл. 1.8.

Антенны с входным сопротивлением, отличающимся от волнового сопротивления кабеля снижения, согласуются между собой с помощью УСС типа «волновое U-образное

колено», у которого в качестве согласующего трансформатора применен четвертьволновой отрезок коаксиального кабеля, а удлинение одной ветви на отрезок, равный полуволне,—для изменения фазы тока, питающего вторую половину вибратора антенны.

Волновое сопротивление кабеля, образующего U-колено, определяется по следующей формуле: R^2 = RA • Wф, где RA — сопротивление нагрузки (волновое сопротивление антенны), Wф — волновое сопротивление фидера.

Для сохранения симметрии вибратора антенны при подключении к нему несимметричного коаксиального кабеля марки РК-75 может быть применен другой тип УСС:

четвертьволновой короткозамкнутый мостик (рис. 1.7). Изготавливается это устройство из металлических трубок диаметром d и d1, которые соединяются между собой по одному из вариантов конструктивного исполнения и крепятся к металлической мачте. Сквозь одну из трубок протягивают кабель снижения, оплетку его подключают

к той половине вибратора, к которой подсоединена трубка с кабелем, а центральная жила кабеля подводится к другой половине вибратора. Длина мостика l от вибратора

до короткозамкнутой перемычки равна 1/4lдлср и выбирается для каждого канала в соответствии с данными, приведенными в табл. 1.9 и 1.10.

Концы трубок, спускающиеся ниже короткозамкнутой перемычки, могут быть произвольной длины. Симметрирующий мостик не нарушает согласования, так как его входное сопротивление очень велико во всей полосе частот телеканала и не шунтирует антенну. Настройка мостика на нужный канал достигается путем перемещения металлической замыкающей перемычки вдоль трубок.

Следующее УСС для полуволнового линейного разрезного вибратора является наиболее простым по конструкции (рис. 1.8). Оно называется также «четвертьволновой короткозамкнутый мостик», но изготавливается из отрезков коаксиального кабеля, в котором роль мостика играют экраны кабелей. Как следует из рисунка, экран кабеля 5, соединяющего антенну с телеприемником, подключается к одной трубке вибратора, а экран кабеля 4 — к другой. Внутренний проводник кабеля 5 соединяют с той же трубкой вибратора, к которой подключен экран кабеля 4. На расстоянии 1/4lдл от вибратора экраны кабелей 4 и 5 соединяются друг с другом, образуя четвертьволновой

короткозамкнутый мостик. Внутренний проводник кабеля 4 припаивается либо к оплетке этого кабеля, либо к вибратору 1. Отрезки кабеля 4 и 5 закрепляются диэлектрическими планками 3. Длина мостика l3 = 1/4lдл; размер l1= 50—80 мм; l2= 50—80 мм; l4= 1—10 мм.

На рис. 1.9 дана конструкция оригинального УСС типа «четвертьволновой стакан», которое состоит из двух тонкостенных трубок, соединенных между собой, как показано на рисунке. Вибраторы 1 и 2 изготавливаются из трубок диаметром, равным 1/50lдл. Наружный корпус «четвертьволнового стакана» делается из трубки диаметром 50—60 мм и толщиной стенки 1—3 мм. Внутренний цилиндр — из тонкостенной трубки диаметром 8—16 мм и толщиной стенки 1—2 мм. Наружный 4 и внутренний 5 цилиндры соединяются между собой металлическим диском 7, который припаривается или припаевается, как указано на рисунке. Сверху между внутренним и наружным цилиндрами вставляется кольцо 3, изготавливаемое из диэлектрика. Размер наружного стакана: l1=1/4lдл l2=2—10 мм; l= 1/10lдл.

Экран коаксиального кабеля 6 подключается к верхней части внутреннего стакана и к одной трубке вибратора. Внутренний проводник кабеля соединяют со второй трубкой вибратора.

УСС типа «полуволновое U-образное колено» (рис. 1.10) при изготовлении антенн типа «волновой канал» используется в качестве активного элемента.

Как следует из схемы соединений, симметричные зажимы петлевого вибратора 1 соединены между собой по-

луволновым отрезком коаксиального кабеля 2, а несимметричный фидер 3 также своей внутренней жилой присоединяется к одному из зажимов вибратора в точке 1. Вследствие того что электрическая длина петли 2 равна полуволне, ток правой половины вибратора в точке 1 изменит свое направление на обратное, а следовательно, токи обеих половин вибратора в точке присоединения центральной жилы кабеля будут в фазе и сложатся. Симметрия токов в каждом плече вибратора сохранится.

Длина петли определяется так: l2 = lдлcp/2e^2. Длина отрезков коаксиального кабеля для изготовления УСС типа «полуволновое U-образное колено» дается в табл. 1.11.

УСС в виде кабельной петли может применяться во всех существующих конструкциях одноканальных антенн, однако в многодиапазонных антеннах (1—12-й каналы) оно не обеспечивает получение требуемых электрических характерис-

тик, да и во многих случаях оказывается неудовлетворительным из-за значительных размеров кабельной петли. Хорошие результаты можно получить, если применить УСС типа «эквивалент кабельной петли» (ЭКП), рис. 1.11. Оно представляет собой несимметричную длинную линию, свернутую и спираль. Изготавливается данное УСС на металлической трубке диаметром 5 мм, на нее наматывается изолированный провод марки ПЭВ-2 или ПЭЛШО. Наматывается сразу три провода рядовой намоткой — виток к витку, которые на выходе соединяются между собой, и все три обмотки работают параллельно. При плотной намотке на каркас, расстояние между щечками которого равно 25 мм, укладывается 16—17 витков. Схема подключения ЭКП приведена на рис. 1.12. Центральная жила коаксиального кабеля подсоединяется к точке 1 вибратора и к соединенным между собой выводам спиралей.

ЭКП обеспечивает в антеннах, рассчитанных на прием телепередач на 6—12-м каналах, и в кабелях снижения, подключаемых к ним, KБB не менее 0.6.

Устанавливается ЭКП в герметичной пластмассовой коробке непосредственно на антенне и прикрепляется к деревянной "или металлической мачте в точке 0, которая выполняет функцию заземления.

При изготовлении УСС типа ЭКП металлическая трубка диаметром 5 мм должна иметь продольный сквозной паз (прорезь) шириной до 1 мм.

На рис. 1.1.3 показано одно из наиболее эффективных УСС, которое называется воздушный симметрирующе-согласующий трансформатор (ВССТ). Устройство включается в многодиапазонные ТА, рассчитанные, например, на прием 1-5го каналов. Изготавливается ВССТ в виде двух катушек-спиралей, соединенных между собой боковыми щечками. Каждая катушка-спираль наматывается на тонкий каркас из диэлектрического материала и представляет собой отрезок двух электромагнитно связанных линий, свернутых в спираль. Катушка содержит 10 х 2 витков, намотанных рядовым способом из провода марки ПЭВ-2 или ПЭЛШОК диаметром до 0,31 мм. Диэлектрический каркас должен иметь на наружном диаметре двухзаходную резьбу с шагом 1 мм и диэлектрическую проницаемость 3,5—4.

Описываемое УСС обеспечивает в диапазонах 1—5-го каналов КБВ в 75-омном кабеле снижения не менее 0,6. Таким образом, данное УСС представляет собой четыре длинные линии, свернутые в спираль, которые включаются в цепь антенны последовательно-параллельным способом по определенной схеме. УСС устанавливается на входе ТА в пластмассовом корпусе, изолированном от мачты антенны. Схема соединений обмоток ВССТ приведена на рис. 1.14.

На рис. 1.15 изображено наиболее эффективное УСС, которое применяется в широкополосных антеннах всех типов, включая и комнатные. Называется данное УСС симметрирующе-согласующий трансформатор на ферритах (ССТФ). Оно отличается от ВССТ только конструктивным исполнением и улучшенными электрическими параметрами. Схема включения обмоток ССТФ точно такая же, как и у ВССТ (рис. 1.16). Устройство хорошо работает на всех первых 12 каналах телевидения.

Изготавливается ССТФ на высокочастотных ферритовых кольцах марки 50ВЧ с размерами 7х4х2; марки

1000BH с размерами 7х4х2; марки 100ВЧ с размерами 8,4х3,5х2. В конструкции трансформатора могут быть использованы два ферритовых кольца со своими обмотками или одно кольцо с двумя обмотками. Каждая обмотка трансформатора содержит восемь витков обмоточного провода, намотанных в два провода. Можно применить обмоточный провод марки ПЭВ-2, ПЭЛ, ПЭЛШО или ПЭВТЛ диаметром 0,23 мм, с изоляцией. Но необходимо иметь в виду, что использование трансформатора на одном ферритовом кольце дает низкий результат. В схему соединений трансформатора введен конденсатор С типа КД-1-1 пФ.

Как следует из схемы, начало обмотки I соединяется с правым плечом вибратора, а ее конец — с внутренней жилой коаксиального кабеля снижения; начало первичной обмотки I, а — с началом обмотки II и заземляется в точке 0 полуволнового вибратора. Конец первичной обмотки I, а соединяется через конденсатор С с внутренней жилой кабеля снижения. Конец обмотки II соединяется напрямую с центральной жилой кабеля снижения. Начало обмотки II, а — со вторым левым плечом вибратора. Конец вторичной обмотки II, а — с концом обмотки I, а и заземляется в точке 0, где антенна (петлевой вибратор) крепится к мачте.

В радиолюбительской практике применяются и другие УСС, конструкции которых могут быть рекомендованы для изготовления в домашних мастерских. К числу таких УСС относятся регулируемые емкостные и резисторные конструкции.

На рис. 1.17 дана схема регулируемого емкостного

УСС, которое используется для настройки неразрезного трубчатого вибратора длиной l. Устройство имеет основную трубку вибратора l, узел крепления дополнительной трубки 2, короткозамкнутую перемычку 7 и подстроечные конденсаторы 6 (С1, С2}, устанавливаемые на диэлектрической плате 3. В согласующем устройстве расстояние от середины активного вибратора 1 до короткозамкнутой перемычки определяется по формуле l1 = 1/13fcp, где fcp — средняя частота канала в МГц.

Для изготовления активного вибратора антенны 1 используется тонкостенная трубка диаметром d=(10...20) мм, диаметр дополнительной трубки d1 = (0,25...0,35)d. Расстояние между трубками: S=(3...5)d.

Емкость подстроечных конденсаторов С1 и С2 в пФ определяется из соотношений: С1= 2000/f; C2=500/f.

На рис. 1.18 приведена схема подключения активного неразрезного вибратора с регулируемым УСС, состоящим из двух дополнительных трубок 3, которые подключаются к антенне с помощью короткозамкнутых перемычек 2. Изготавливаются эти трубки такого же диаметра, как и основной вибратор. К трубкам подключается УСС типа «полуволновое U-образное колено» 4, выполненное из коаксиального кабеля 5 с волновым сопротивлением 75 Ом.

Дополнительная настройка антенны на принимаемый телеканал осуществляется перемещением короткозамкнутых перемычек 2 на равное расстояние с обеих сторон.