АНТЕННА ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Прием телевизионных передач на радиочастотах 470...622 МГц (21—39 каналы) диапазона дециметровых волн (ДЦВ) требует соответствующего подхода к расчету и конструированию антенных устройств. Некоторые радиолюбители пытаются решить эту задачу простым пересчетом, основанным на принципах электродинамического подобия антенн, параметров имеющихся конструкций телевизионных антенн метрового диапазона (1—12 каналы). При этом они неизбежно сталкиваются с трудностями самого пересчета и зачастую не получают желаемых результатов.

Каковы же основные принципы подхода к решению этой задачи? В свободном пространстве радиоволны, излученные антенной, имеют сферическую расходимость, в результате чего электрическая напряженность поля Е убывает обратно пропорционально расстоянию г от антенны. Ненаправленная антенна, излучающая мощность РS равномерно во все стороны (изотропный излучатель), создает на расстоянии г плотность потока энергии, характеризуемого вектором Пойнтинга:

Знаменатель этого выражения численно представляет собой площадь сферы, через которую проходит энергия излученных волн.

Вектор П связан с действующим значением напряженности поля Е линейной поляризации соотношением

Приравнивая выражения (1) и (2), получаем, что

Напряженность поля Е уменьшается пропорционально удалению приемной антенны от источника излучения.

Любая реальная антенна имеет направленные свойства. Она излучает энергию неравномерно. Направленность излучения любой антенны в дальней зоне описывается зависимостью напряженности поля от угловых координат q и j при постоянном расстоянии. Эту зависимость называют характеристикой направленности f (q , j ), где q — полярный угол, а j — азимутальный.
Направленная антенна благодаря меньшему расходу энергии на излучение в боковые лепестки диаграммы направленности создает в главном ее лепестке на расстоянии г такую же напряженность поля, как и ненаправленная, излучающая при этом мощность РS меньшую, чем РS ₀. Отношение

называют коэффициентом направленного действия (КНД) данной антенны.
Таким образом, направленная антенна создает в направлении максимума излучения такую же напряженность поля, как и ненаправленная при большем уровне мощности: РS ₀ = ДРS . Поэтому

Мощность излучения РS связана с подводимой к антенне мощностью Р_A соотношением

где h _A — КПД антенны, определяющий эффективность преобразования высокочастотной энергии в энергию радиоволн и обратно.

Для одновременного учета потерь в антенне и выигрыша по мощности при направленном излучении служит коэффициент усиления антенны, который определяется таким выражением:

Так как РS Д = Р_{Ah A}Д = Р_AУ то выражение (5) примет вид

В реальных условиях распространяющиеся радиоволны претерпевают большее затухание, чем существующее в свободном пространстве. Для учета этого затухания вводят множитель ослабления F(r) = Е/Есв, который характеризует отношение напряженноети поля для реальных условий, к напряженности поля свободного пространства при равных расстояниях, одинаковых антеннах и подводимых к ним мощностях и т. д. С помощью множителя ослабления напряженность поля, создаваемая передающей антенной в реальных условиях на расстоянии г, может быть выражена как

Приемная антенна преобразует эйергию электромагнитной волны в электрический сигнал. Количественно эту способность антенны характеризуют ее эффективной площадью Sэфф. Она соответствует той площади фронта волны, из которой поглощается вся содержащаяся в ней энергия. С КНД эта площадь связана соотношением:

Изложенное здесь позволяет написать уравнение радиопередачи, которое связывает параметры аппаратуры связи (передатчика и приемника) и антенн и определяет уровень сигнала на трассе: при мощности передатчика Р₁ мощность P₂ сигнала на входе приемника будет равна

где h ₁ и h ₂ — КПД передающего и приемного фидеров соответственно, У₁ и У₂ —коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, l — длина волны излучения. Множитель в этом выражении, заключенный в скобки, определяет основные потери при распространении радиоволн (основные потери передачи). При этом предполагается, что антенна согласована с фидером, а фидер с телевизионным приемником и, кроме того, антенна согласована по поляризации с полем сигнала.

Рассмотрим подробнее выражение (11). Допустим вполне реальную ситуацию, когда длина волны l ₁ излучения телевизионной передачи уменьшена до 50 см (попадает в диапазон частот 21—39 каналов), т. е. уменьшена по сравнению с l ₂ = 500 см в 10 раз, где l ₂ — длина волны излучения, оказывающаяся в диапазоне 1—5 каналов. Рассуждая далее, будем полагать, что произведение Р₁У_{1 h 1} мощности передатчика, коэффициента усиления передающей антенны и КПД передающего фидера на волне l ₁ и на волне l ₂ осталось неизменным. Неизменным остался и множитель У₂ — коэффициент усиления приемной антенны. Объясняется это тем, что радиолюбитель-конструктор скопировал антенну диапазона метровых волн и использует ее для приема телепередач диапазона ДЦВ.

Предположим даже, что при этом удалось сохранить неизменным h ₂ — КПД приемного фидера и значение F(r) — множителя ослабления сигнала на трассе. В результате, как показывает выражение (11), мощность P₂ сигнала на входе телевизора уменьшится в 100 раз на волне l ₁ = 50 см, по сравнению с такой же мощностью сигнала, но на волне l ₂ = 500 см.

Этот конкретный пример показывает, что с увеличением частоты (уменьшением длины волны) телевизионных передач мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при прочих равных условиях, быстро уменьшается, т. е. условия приема ухудшаются. На стороне передачи эти неприятности стараются компенсировать увеличением произведения Р₁У_1. Но в реальных условиях множитель F(г) и КПД приемного фидера с ростом частоты уменьшаются, поэтому необходимость увелячения коэффициента усиления приемной антенны У₂ становится неизбежностью. Этот вывод влечет за собой еще один, заключающийся в том, что, как правило, для уверенного приема программ 21—39 телевизионных каналов нужно применять новые, более направленные антенны по сравнению с антеннами, применяемыми в диапазоне волн 1—5 каналов.

Стремясь получить устойчивый прием телепередач, радиолюбители вынуждены усложнять антенны, например, строить антенные решетки, т. е. объединяют несколько однотипных, зарекомендовавших себя на практике антенн (каждая из которых имеет свою пару точек питания) с общей системой питания и только одной (общей для всех) парой точек питания. При этом они нередко недооценивают важность этапа согласования при построении антенных решеток, связанного с относительно сложными измерениями. Сказанное проиллюстрируем таким конкретным примером. Считаем, что имеющаяся антенна (рис. 1, а) представляет собой один (n = 1) излучатель с эффективной площадью S₀ эфф, полностью согласованный (коэффициент бегущей волны К = 1) с фидером, потерями в котором пренебрежем, с волновым солротивлеяием Z₀. Такая антенна поглощает из падающей на нее плоской электромагнитной волны мощность РS = Р₀ * n = Р₀ * 1 и полностью (без потерь) канализирует¹ ее на вход приемника.

В таком случае мощность сигнала на входе приемника будет: Р_пр1 = РS = Р_0. Увеличим вдвое эффективную площадь антенны за счет построения решетки из двух (n = 2) таких излучателей, а волновое сопротивление фидера оставим прежним, т. е. Z₀ (рис. 1, б). При этом антенна поглощает мощность РS = 2 Р₀, а к приемнику подводится только часть ее, так как в фидере после параллельного включения излучателей одного к другому К =1/2 = 0,5.

При n = 2 Р_пр2 = РS * m = 2 - 0,89 = 1,78 Р₀, где

- множитель, учитывающий потери мощности из-за рассогласования.

Подобный эффект получается и при параллельном соединении трех элементов (рис. 1, в). Продолжая такие рассуждения, можно получить зависимость, которую иллюстрирует рис. 2. Здесь эффективная площадь антенны прямо пропорциональна числу n излучателей в решетке, равно как и поглощаемая антенной мощность РS . Мощность же Р_пр подводимая к приемнику, с увеличением числа n асимптотически приближается к 4Ро. Этот пример показывает бесплодность попыток увеличить коэффициент усиления антенной решетки без учета согласования ее элементов с фидером.

Трудности, связанные с согласованием элементов антенны с фидером, преодолевают либо применением специальных согласующих устройств, либо выбором специальных типов антенн. Например, в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн применяют, как правило, так называемые апертурные антенны, т. е. рупорные или параболические. Особенность таких антенн заключена в том, что они имеют простой, “небольших” размеров облучатель, и “большой”, сравнительно сложный рефлектор. “Большой” рефлектор и обусловливает направленные свойства антенны, определяет ее КНД.

Выполнить в любительских условиях антенны апертурного типа на диапазон ДЦВ не представляется возможным, так как они громоздки и сложны. Но некоторое подобие апертурной антенны сконструировать можно, положив в основу облучатель в виде известной зигзагообразной антенны (з-антенны).
Подробнее о практической конструкции такой антенны и ее усовершенствовании можно познакомиться здесь.

Литература.
1. Харченко К., Канаев К. Объемная ромбическая антенна — Радио, 1979, № 11, с. 35—36.

К. Харченко, ВРЛ 94

Примечания. Канализирует¹ - так в авторском тексте..