Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

Глава 10 Антенные устройства

Антенные устройства предназначены для приема и передачи электромагнитной энергии. Для антенн существует принцип взаимности, согласно которому одна и та же антенна при работе на передачу и прием обладает одинаковыми характеристиками и параметрами.

Антенна в значительной мере определяет качество работы приемника. От эффективности ее работы, чувствительности к промышленным помехам зависит качество воспроизводимой программы.

Электромагнитное поле, создаваемое передающей антенной, характеризуется в каждой точке пространства уровнем и поляризацией. Уровень электромагнитного поля численно оценивается напряженностью электрической составляющей поля Е. Единица измерения напряженности поля — вольт/метр [В/м]. В практике радиоприема пользуются более мелкими единицами — милливольт/метр [мВ/м] и микровольт/метр [мкВ/м]. Эти единицы связаны соотношением:

1 В/м = 10³ мВ/м = 10⁶ мкВ/м.

Напряженность поля часто оценивается в логарифмических единицах — децибелах (дБ) — относительно некоторого исходного уровня, в качестве которого обычно принимают 1 мкВ/м или 1 мВ/м. Напряженность поля Е [дБ] рассчитывается по формуле

E = 20∙lg n,

где n — отношение напряженности поля Е [мкВ/м или мВ/м] к принятому исходному уровню [1 мкВ/м или 1 мВ/м].

Например, если напряженность поля равна 2 мВ/м, то значение ее в децибелах составляет +60 дБ относительно уровня 1 мкВ/м или +6 дБ относительно уровня 1 мВ/м.

Напряженность поля Е — величина векторная. Она изображается графически в виде стрелки, направленной в сторону действия электрических сил.

Поляризация электромагнитного поля зависит от конструкции и расположения передающей антенны. Поляризация характеризуется формой кривой, которую описывает конец вектора электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Наиболее общим случаем является эллиптическая поляризация (рис. 10.1, а). Частным случаем эллиптической поляризации являются круговая (рис. 10.1, б) и линейная (рис. 10.1, в).

Рис. 10.1. Поляризация радиоволн а) эллиптическая; б) круговая; в) линейная

Если вектор Е при линейной поляризации расположен горизонтально (параллельно земле), то поляризация называется горизонтальной, а вертикально (перпендикулярно земле) — вертикальной.

При выборе конструкции приемной антенны учитывают поляризацию приходящих радиоволн. Волны с круговой поляризацией следует принимать на антенну с круговой поляризацией либо на антенну с линейной поляризацией (хотя в этом случае будет частичное ослабление сигнала). Волны с горизонтальной поляризацией принимают на антенну с горизонтально расположенными вибраторами, а с вертикальной поляризацией — на антенну с вертикально расположенными вибраторами.

Телевизионные передачи в нашей стране ведутся в основном горизонтально-поляризованными волнами. Радиовещательные передачи на ДВ, СВ и КВ ведутся с помощью вертикально-поляризованных волн, а на УКВ с частотной модуляцией — с помощью горизонтально-поляризованных. Для любительской связи используются как горизонтально, так и вертикально-поляризованные волны.

Чтобы термин «поляризация радиоволны» стал более понятен, обратимся к аналогии в оптическом диапазоне. В фотомагазинах продаются поляризационные светофильтры, которые надеваются на объектив фотоаппарата для устранения бликов. Так как свет является неполяризованным, то светофильтр, ослабляя его примерно в два раза, пропускает на выход приблизительно линейно-поляризованную волну. Если второй такой же светофильтр надеть на объектив фотоаппарата и расположить его так, чтобы его линии поляризации были параллельны таковым же в первом светофильтре, то оба светофильтра станут оптически прозрачными. При повороте одного из светофильтров на 90° система светофильтров становится непрозрачной для световых лучей. При углах, промежуточных между 0° и 90°, имеет место частичная прозрачность фильтров.

Поскольку в радиолюбительской практике антенны чаще всего используются в качестве приемных, характеристики и параметры антенн будут поясняться в предположении, что они работают в режиме приема.

Направленность — зависимость э.д.с. «е» на зажимах антенны от направления прихода сигнала. Направленные свойства характеризуются диаграммой направленности (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах (а) и прямоугольных координатах (б)

Основными параметрами диаграммы направленности являются угол раствора (ширина) главного лепестка 1 и коэффициент защитного действия. Ширина или угол раствора j основного лепестка диаграммы направленности — угол, в пределах которого э.д.с. «е» на зажимах антенны (или напряжение на нагрузке) спадает до уровня 0,707 (1/√2) от максимального значения, а мощность в нагрузке — до уровня 0,5 от максимального значения. Например, ширина основного лепестка диаграммы направленности, показанной на рис. 10.2, составляет 50°. Как правило, чем меньше ширина основного лепестка, тем лучше направленные свойства антенны и меньше ее восприимчивость к посторонним радиосигналам (помехам), приходящим с боковых направлений. Помехозащищенность (коэффициент защитного действия) тем выше, чем меньше уровень боковых 3 и заднего 2 лепестков.

Любая антенна является в той или иной мере направленной. Полностью ненаправленных антенн, имеющих пространственную диаграмму направленности в виде сферы, в природе не существует. Однако в антенной технике пользуются понятием о такой воображаемой антенне, называемой изотропной. Она является удобным эталоном, с которым можно сравнивать реальные антенны по их направленным свойствам.

Входное сопротивление антенны Z_вх — отношение напряжения к току на зажимах антенны. В общем случае Z_вх содержит активную R_вх и реактивную Х_вх (емкостную или индуктивную) составляющие.

Z_вх = √(R²_вх + X²_вх)

Чем меньше Х_вх и чем ближе R_вх к волновому сопротивлению линии, соединяющей антенну с приемником (фидерной линии), тем лучше антенна согласована с фидерной линии и тем больше энергии радиосигнала передается из антенны в линию. Входное сопротивление является чисто активным на частоте, соответствующей резонансу антенны.

Коэффициент направленного действия антенны D характеризует выигрыш по мощности в нагрузке благодаря направленным свойствам антенны и представляет собой отношение мощности, которую выделяет антенна без потерь на согласованной нагрузке, к мощности, выделяемой на той же нагрузке, согласованной с ней воображаемой ненаправленной (изотропной) антенной при одной и той же напряженности поля в точке приема. При этом предполагается, что максимум диаграммы направленности антенны ориентирован точно на источник излучения сигнала.

Коэффициент усиления антенны по мощности К характеризует реальный выигрыш по мощности в согласованной нагрузке, даваемый антенной, по сравнению с изотропным излучателем с учетом направленных свойств антенны и потерь в ней:

K = D∙η_a

где η_a — коэффициент полезного действия антенны.

Для антенн УКВ η_a = 1 и К = D, т. е. коэффициент усиления антенн этого диапазона по мощности относительно изотропного излучателя численно равен их коэффициенту направленного действия.

Действующая высота антенны h_Д — параметр, позволяющий рассчитать э.д.с. «е» на зажимах простейших антенн — полуволнового вибратора, четвертьволнового штыря и т. д. в предположении, что максимум диаграммы направленности ориентирован точно на источник излучения. Измеряется в метрах и представляет собой коэффициент пропорциональности между э.д.с. «е» и напряженностью поля Е: е = Е∙h_Д. Действующую высоту антенны не следует путать с высотой ее подвеса.

Среди электрических антенн, подключенных к радиоприемнику с высококачественным заземлением, действующая высота может достигать 80 % их высоты подвеса над поверхностью земли. У комнатных и автомобильных антенн h_Д ~= 1…1,5 м. Электрические антенны портативных приемников, работающих без заземления, имеют h_Д =< 0,2…0,3 м.

Рабочая полоса частот антенны (f_max — f_min) — полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за пределы допусков, определяемых ее назначением.

10.3.1. Г- и Т-образные антенны

Прием радиовещательных передач на ДВ, СВ и КВ можно вести с помощью антенны в виде вертикального или наклонного провода (рис. 10.3, а). Для увеличения действующей высоты верхний конец антенны должен обладать емкостью относительно земли, для чего к верхнему концу антенны подключают горизонтальный провод. Антенны с увеличенной действующей высотой (Г- и Т-образная) показаны на рис. 10.3, б, в. Действующая высота этих антенн составляет 0,7…0,8 их высоты подъема.

Рис. 10.3. Антенна в виде наклонного провода (а) и Г- и Т-образные антенны (б, в)

10.3.2. Антенна типа «метелочка»

Разновидностью таких антенн является вертикальный провод с «метелочкой» (рис. 10.4). Она состоит из 40…80 прутков медной проволоки без изоляции толщиной 1,5…2,0 мм и длиной по 200…300 мм. Прутки должны быть зачищены с одного конца и туго стянуты концом голого медного провода, предназначенного для снижения. Пучок прутков надо вставить в отверстие большого фарфорового изолятора или толстостенный фарфоровый или стеклянный стакан подходящего диаметра, а затем залить варом или смолой. Изолятор крепят к мачте железным хомутиком или проволокой или к раме окна, если квартира находится выше второго этажа. Верхние концы проводников раздвигают таким образом, чтобы угол между крайними из них составлял примерно 60°.

Рис. 10.4. Антенна в виде вертикального провода с «метёлочкой»

10.3.3. Спиральные комнатные антенны

Можно сделать спиральную комнатную антенну, представляющую собой изолированный или голый провод длиной 10…15 м, свитый в спираль на круглой болванке. Подвесить антенну можно на шнуре или капроновой леске между стенами комнаты. Снижение к приемнику можно сделать от любого конца или витка спирали.

10.3.4. Штыревые антенны

Представляют собой металлический штырь или телескопическое сочленение из нескольких медных или латунных тонкостенных трубок, входящих друг в друга (рис. 10.5). Число трубок зависит от заданной длины антенны и размеров приемника. В любительских условиях изготовить такую антенну весьма трудно, а небрежно выполненная антенна не даст желаемого результата.

В портативных приемниках применяется несимметричный телескопический штырь, общий для диапазонов КВ и УКВ, а в автомобильных приемниках — и для СВ и ДВ.

Рис. 10.5. Штыревая антенна

Действующая длина несимметричного вибратора с общей длиной, меньшей четверти длины волны (h_д < 0,251), определяется по формуле:

h_д = 0,5∙λ∙tg(2π∙l/λ)∙π

где λ — длина волны; l — длина вибратора.

Диаграмма направленности вертикально установленного вибратора в горизонтальной плоскости представляет собой окружность, а в вертикальной — «восьмерку».

Входное сопротивление штыревой антенны имеет емкостный характер. Так как емкость антенны мала, это дает возможность подключать ее к входному контуру портативного приемника непосредственно.

Недостатками приемников со штыревыми антеннами является влияние тела слушателя и окружающих предметов на настройку приемника, проникновение на вход приемника через штыревую антенну мощных телевизионных сигналов, возможность излучения антенной высших гармоник гетеродина, которые являются источником помех для других приемников, недостаточная надежность штыревой телескопической антенны из-за ее механической хрупкости и недолговечности.

10.3.5. Ферритовые антенны

Они широко применяются в переносных и высококачественных бытовых радиоприемниках ДВ и СВ-диапазонов, а также находят применение в диапазонах КВ и УКВ.

Ферритовая антенна (ФА) представляет собой стержень круглого или прямоугольного сечения из феррита, на котором расположена катушка (катушки) индуктивности входного резонансного контура приемника (рис. 10.6, а, б) и является разновидностью магнитной антенны, поэтому она не реагирует на электрическую составляющую электрического поля.

Рис. 10.6. Ферритовые антенны (ФА)

Действующая высота любой магнитной антенны определяется формулой:

h_д = 2π∙S∙w∙μ_эфф/λ

где S — площадь витка (рамки), м²;

w — число витков;

λ — длина волны, м;

μ_эфф — эффективное значение магнитной проницаемости магнитопровода, при отсутствии которого μ_эфф = 1

Диаграмма направленности ФА имеет форму «восьмерки» с тупым максимумом в плоскости, перпендикулярной к оси стержня, и острым минимумом по оси стержня, поэтому в стационарных приемниках предусматривается устройство, позволяющее вращать ее в горизонтальной плоскости. В малогабаритных приемниках ФА жестко закрепляют и для получения наилучшего приема приходится поворачивать весь приемник. По своей эффективности ФА на ДВ и СВ-диапазонах сравнима с эффективностью штыревой антенны длиной 1…2 м. Для повышения эффективности ФА связывают в пучок несколько ферритовых стержней.

Для увеличения действующей длины применяют сердечники с возможно большим отношением длины к диаметру. Для диапазона ДВ используются никелево-кадмиевые ферриты с начальной магнитной проницаемостью 600… 1000, для диапазона СВ — 400…600, для диапазона КВ — 100…200, а для УКВ — 15…30. Для катушек применяют как можно более тонкие каркасы. Для диапазонов ДВ и СВ их можно изготавливать из пресс-шпана, из слоев бумаги, проклеенных бакелитовым, шеллачным лаком или клеем БФ, а для диапазонов КВ и УКВ — из полистирольной или фторпластовой пленки.

Катушки для диапазонов УКВ и КВ делают из круглого одножильного или ленточного провода, катушки для СВ наматывают, как правило, многожильным проводом (литцендратом). Такие катушки обладают существенно большей добротностью по сравнению с катушками, намотанными медным проводом ПЭЛ, ПЭВ и т. п.

Катушки индуктивности диапазона ДВ обладают достаточной добротностью при намотке их проводом марки ПЭВ или ПЭЛ; эти катушки чаще всего 3–5 секционные, намотаны внавал между щечками каркасов, иногда применяют и однослойную намотку.

Основные конструктивные и электрические параметры ФА для различных диапазонов волн приведены в таблице 10.1.

¹ _{При приеме в диапазоне СВ контурная катушка диапазона ДВ замыкается накоротко.}

^{2 _{Контурная катушка диапазона КВ намотана с шагом 2 мм}.}

^{3 _{Диапазон KB-I — 25–31 м, диапазон KB-II — 41–75 м.}}

^{4 _{Контурная катушка диапазона СВ намотана с шагом 0,5 мм.}}

Перемещение контурной катушки вдоль сердечника изменяет ее индуктивность на 15…20 % (по мере приближения катушки к концу сердечника индуктивность уменьшается). Это явление можно использовать при подгонке границ диапазона настройки входного контура. Однако вследствие неравномерности распределения магнитного поля по длине сердечника смещение катушки от его середины ведет к уменьшению наводимой в ней э.д.с.

Двухдиапазонную ФА выполняют на двух или одном стержне. Во втором случае катушки разных диапазонов располагают ближе к концам стержня. Добротность одностержневой антенны меньше, чем двухстержневой вследствие поглощения энергии катушкой другого диапазона. В двухдиапазонной антенне, выполненной на одном стержне, при приеме в диапазоне ДВ в резонансный контур включены последовательно две катушки индуктивности, а при переходе в диапазон СВ катушка ДВ-диапазона замыкается контактами переключателя диапазонов накоротко (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Двухдиапазонная ФА

Связь ФА с первым каскадом приемника (с каскадом УВЧ или с преобразователем частоты супергетеродинного приемника), как правило, индуктивная. На КВ и УКВ-диапазонах применяют также автотрансформаторную связь. Катушки связи обычно имеют в 10…25 раз меньшее количество витков по сравнению с контурными катушками. Располагают катушки связи в непосредственной близости к контурным катушкам либо наматывают поверх последних. ФА должна быть удалена от металлического шасси не менее чем на 25…30 мм и расположена на возможно больших расстояниях от выходного трансформатора, динамической головки, от сетевого трансформатора.

Основными недостатками ФА являются наличие небольшого внешнего поля, способного создавать нежелательные паразитные связи с другими катушками приемника, и большая хрупкость их сердечников.

10.3.6. Рамочные антенны

Рамочные антенны (РА) являются магнитными антеннами и представляют собой катушку индуктивности, выполненную в виде рамки или кольца (рис. 10.8). Преимущества РА по сравнению с ФА следующие: большая действующая высота в диапазоне КВ, меньшая зависимость индуктивности от температуры, более высокая механическая прочность, меньшая подверженность магнитным наводкам. Добротность РА с повышением частоты растет (ФА падает), что позволяет достичь меньшего изменения полосы пропускания входной цепи в диапазоне рабочих частот.

Рис. 10.8. Рамочные антенны

РА применяют в диапазоне КВ в стационарных бытовых приемниках и приемниках «охоты на лис». В стационарных приемниках РА размещают чаще всего на задней стенке. Более высокая эффективность РА достигается при откидной конструкции рамки, позволяющей в рабочем положении развернуть ее над корпусом приемника и поворачивать с целью выбора наиболее выгодного положения диаграммы направленности. Диаграмма направленности РА имеет такой же вид, как и у ФА. Направление максимума диаграммы направленности совпадает с плоскостью рамки. Число витков для диапазона КВ может быть 1…4 в зависимости от ее размеров и диапазона рабочих частот.

Для приемника с растянутыми диапазонами КВ больше всего подходит одновитковая рамка. Настраивают контур РА при помощи подстроенных катушек, включаемых последовательно или параллельно рамке. Действующая высота РА определяется по формуле:

h_д = 2π∙w∙S/λ

где h_д — в метрах; w — число витков; S — площадь сечения, м²; λ — длина волны, м (здесь μ_эфф = 1).

Но РА может быть эффективно использована и на СВ.

Существенно улучшить качество работы приемника можно применением внешней дополнительной антенны, которую подключают к ФА через разделительный подстроечный конденсатор емкостью 20…30 пФ. В диапазоне КВ эта емкость должна быть уменьшена до единиц пФ. Недостаток такого способа подключения — необходимость перестройки этой емкости при изменении частоты настройки приемника.

Хорошие результаты получаются при подключении внешней антенны через дополнительную катушку связи, размещенную на одном сердечнике с контурными катушками. Обычно катушка содержит 10…15 витков провода ПЭЛ или ПЭЛШО диаметром 0,15…0,27 мм для диапазонов ДВ и СВ и 1…2 витка для диапазона КВ.

Заменителем внешней антенны могут послужить куски гибкого изолированного провода длиной до 3…5 м, трубопроводы водоснабжения и теплосети, электрическая и телевизионная проводки. При этом достаточно поднести к указанным предметам сам приемник таким образом, чтобы его штыревая антенна была параллельна оси их ориентации, либо ФА — перпендикулярна этому направлению. Оптимальное расстояние между внешней антенной и приемником подбирается экспериментально. Однако эти заменители антенн имеют существенный недостаток — они переизлучают не только полезные сигналы, но и промышленные помехи, а также не всегда удается разместить приемники достаточно близко к проводам осветительной сети. Поэтому для высококачественного приема необходима специальная дополнительная антенна.

В качестве такой антенны может служить любая наружная антенна, снижение которой заземлено вблизи стены здания, где осуществляется прием.

Наружные антенны обладают свойством эффективно переизлучать принимаемые сигналы. Если рядом с ней либо ее снижением разместить штыревую антенну приемника, то за счет переизлучения уровень принимаемого сигнала можно увеличить в несколько раз. Антенну приемника при этом необходимо располагать параллельно снижению на расстоянии 30…50 см от него.

Для приемников с магнитной антенной переизлучающую антенну делают из проволочной квадратной рамки с диагоналями примерно 1x1 м, а рамку — из медного монтажного многожильного либо пруткового провода диаметром 2,5…3 мм. В одном из мест перегиба провод рамки разрезается и один из образовавшихся концов подключают к отвесу антенны, а другой — к ее заземлению. Проволочную рамку закрепляют на изоляторах, прибитых к стене дома либо к оконной раме. Рамку удобно ориентировать так, чтобы одна из воображаемых диагоналей была перпендикулярна плоскости земли. Разрез провода рамки выполняется со стороны диагонали, параллельной плоскости земли. Магнитную антенну приемника располагают в 50…80 см от плоскости рамки против ее центра. При этом ось магнитной антенны должна быть перпендикулярна плоскости рамки.

Напомним, что РА имеет максимум диаграммы направленности в плоскости рамки и острый минимум по оси, перпендикулярной плоскости рамки.

В домах, не оборудованных коллективными телевизионными антеннами, нередко пользуются комнатными, при этом чаще всего изображение получается нечетким, с повторами. Но это может и не случиться, если владелец телевизора будет хорошо знать возможности комнатной телевизионной антенны, а также те условия, в которых она может дать желаемый эффект.

Комнатная антенна — это, как правило, симметричный одиночный вибратор с незначительным коэффициентом усиления и практически полным отсутствием помехозащищенности. Длина плеч вибратора не может быть меньше определенной величины.

Дело в том, что если длина каждого из плеч симметричного линейного горизонтального вибратора равна четверти длины принимаемой волны, то его входное сопротивление чисто активное и равно 73 Ом. Эта величина хорошо согласуется с 75-омным сопротивлением коаксиального входа всех современных отечественных телевизоров.

Длина плеча вибратора, близкая к четверти длины волны, имеет приемлемые размеры только на высокочастотных каналах метрового диапазона. Это приводит к некоторому ухудшению согласования антенны с входом телевизора на низкочастотном краю полосы первого канала, вызванному уменьшением активной составляющей и появлением реактивной (емкостной) составляющей входного сопротивления антенны. Если укорочение не превышает 20 %, то с ним мирятся и не предпринимают никаких специальных мер.

Недостаточное качество согласования фидера с антенной и приемником приводит к специфическим для телевизионного приема искажениям — появлению на экране повторных изображений, сдвинутых вправо относительно основного. Причина возникновений повторных изображений иллюстрируется на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Причины возникновения повторных изображений на экране телевизора

Сигнал, принятый антенной 1, попадает по фидеру 2 на вход приемника 3. Частично отразившись от входа приемника, сигнал распространяется по фидеру в обратном направлении (в сторону антенны) и после частичного отражения от входа антенны снова попадает на вход приемника. Таким образом, повторный сигнал запаздывает по отношению к основному на время, равное удвоенному времени пробега сигнала по фидеру.

Для того чтобы на всех каналах метрового диапазона волн можно было вести удовлетворительный прием на одну и ту же антенну, необходим вибратор такой конструкции, которая позволяла бы легко и плавно изменять длину его плеч.

Наибольшее распространение получили линейные вибраторы телескопической конструкции, при которой его плечи образуются из нескольких металлических трубок, входящих друг в друга (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Комнатная телескопическая антенна

В качестве комнатной телевизионной антенны можно использовать петлевой вибратор. Его входное сопротивление равно 300 Ом, поэтому для согласования с входным сопротивлением телевизора необходим трансформатор. Длину плеч петлевого вибратора тоже можно изменять плавно, если выполнить их из стальной ленты. Антенна такого типа получила название ленточной антенны (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Комнатная ленточная антенна

Из-за ограниченного свободного пространства в комнате плечи вибратора располагают под некоторым углом друг к другу. В ленточной антенне положение плеч вибратора относительно основания антенны из конструктивных соображений обычно делается фиксированным, при этом плечи располагают под углом 120°.

В некоторых антеннах длина плеч вибратора не регулируется. Здесь плечи вибратора имеют длину, близкую к четверти длины волны 5-го канала. Вибраторы таких антенн (рис. 10.12) выполнены из нескольких проводников (стержней или трубок), включенных параллельно с целью снижения волнового сопротивления вибратора и расширения полосы пропускания. Крепление плеч вибраторов к основанию осуществляется с помощью гибких металлических шлангов. Применение удлинительных катушек с переключателем каналов позволяет сделать такую антенну работоспособной на всех каналах метрового телевизионного диапазона. Однако по согласованию с входом телевизора она значительно уступает антенне, настраиваемой на каждом из каналов. Еще одним ее недостатком являются большие габариты, сохраняемые и в нерабочем положении.

Рис. 10.12. Комнатная широкополосная антенна

Существуют телескопические антенны, у которых положение плеч вибратора можно изменять только в одной плоскости, перпендикулярной к основанию. У современных антенн такой конструкции (рис. 10.13) плоскости, в которых происходит изменение положения плеч вибратора, параллельны. В нерабочем состоянии такие антенны занимают очень мало места.

Рис. 10.13. Комнатная малогабаритная телескопическая антенна

Важным элементом любой комнатной антенны является симметрирующее устройство, применение которого вызвано необходимостью соединения симметричного вибратора с несимметричным входом телевизора. Без такого устройства в приеме сигналов будет участвовать не только собственно антенна, но и кабель или шнур, соединяющий вибратор с телевизором. При неблагоприятных условиях это может привести к нарушению электрических характеристик антенны и, в конечном итоге, к ухудшению качества изображения.

Перечисленные недостатки практически отсутствуют у симметрирующего устройства, схема которого приведена на рис. 10.14.

Рис. 10.14. Схема симметрирующего устройства из двух катушек

Устройство состоит из двух идентичных половин, каждая из которых образована двумя электромагнитно связанными между собой отрезками провода. Практически каждая из половин устройства представляет собой несколько витков из двух сложенных вплотную друг к другу изолированных проводников, намотанных, как показано на рис. 10.15, на одну половину двухотверстного ферритового сердечника типа 30ВЧ2. Применение такого сердечника не обязательно.

Рис. 10.15. Симметрирующее устройство из двух катушек с ферритовым сердечником

Аналогичный результат можно получить и в случае, когда проводники каждой из половин устройства намотаны на отдельных кольцевых ферритовых сердечниках. В комнатных телевизионных антеннах с вибратором петлевого типа, например, в ленточных антеннах, кроме задачи симметрирования, должна быть решена и задача согласования. Если подключение такой антенны к телевизору осуществляется посредством коаксиального 75-омного кабеля, то обе задачи могут быть решены одновременно с помощью симметрирующе-согласующего устройства, подобного описанному выше, выполненного на ферритовом сердечнике, но с проводниками, концы которых соединены, как показано на рис. 10.16.

Рис. 10.16. Схема симметрирующе-согласующего устройства для ленточной антенны

Кроме того, что комнатные телевизионные антенны из-за ограниченных размеров уступают наружным антеннам по усилению и помехозащищенности, качество их работы зависит и от условий применения. Действительно, комната, в которой установлен телевизор, может иметь самую различную ориентацию по отношению к телецентру. На верхних этажах возможна прямая видимость на передающую антенну телецентра. При расположении комнаты на нижних этажах и стороне, противоположной телецентру, условия приема значительно ухудшаются. Внутри комнаты антенна может находиться в самых различных местах по отношению к окнам или стенам — источникам поля телевизионных сигналов. При прочих равных условиях напряженность поля внутри комнаты сильно зависит от материала стен здания. Из-за ряда обстоятельств, часть из которых перечислена выше, напряженность поля телевизионных сигналов внутри помещений оказывается существенно меньшей, чем снаружи, и, в частности, чем над крышей того же здания. Это вторая причина того, почему качество приема на комнатную телевизионную антенну хуже, чем на наружную.

Третья и, пожалуй, основная причина заключается в том, что внутри большинства городских помещений структура телевизионного сигнала резко отличается от структуры поля вне помещения и, в особенности — от поля в свободном пространстве над крышей здания. По напряженности поле внутри помещения крайне неоднородно, так как в любой точке помещения оно является результатом взаимодействия электромагнитных волн, приходящих в данную точку различными путями. В зависимости от амплитудных и фазовых соотношений приходящие волны могут в различной мере усиливать или ослаблять друг друга. Случайный характер амплитудных и фазовых соотношений делает картину распределения результирующего поля внутри помещения весьма сложной. Кроме того, одновременное наличие в каждой точке помещения нескольких волн, пришедших различными путями (нередко существенно отличающимися по расстоянию), вызывает ухудшение четкости и появление многоконтурности изображения на экране телевизора. Естественно, что при многопрограммном телевещании на частотах разных каналов напряженность и структура поля в каждой точке поля будут различными. Может оказаться, что в одной и той же точке на частоте одного канала изображение будет четким, а на частоте другого — многоконтурным или смазанным.

Указанные причины во многих случаях не позволяют принимать телевизионный сигнал на комнатные антенны на таких же расстояниях и с таким же качеством изображения, как это возможно при наружных и, в особенности, при коллективных антеннах. Чтобы при приеме на комнатную антенну получить удовлетворительное изображение, необходимо не только настраивать антенну, изменяя длину плеч ее вибратора, но и подбирать место и положение антенны в комнате относительно окон, стен и окружающих предметов. Если еще учесть, что при переключении телевизора на другой канал всю процедуру надо повторять снова, то станет ясным, почему комнатная антенна не может конкурировать с наружными и, тем более, с коллективными антеннами.

Эти антенны являются диапазонными антеннами. Они работают в двукратной полосе частот и обеспечивают прием сигналов многопрограммных телецентров в зоне их действия при любых сочетаниях каналов с первого по пятый, с шестого по двенадцатый, легко согласуются с 75-омным коаксиальным кабелем без использования согласующих и симметрирующих устройств, так как коаксиальный кабель вводится в полотно антенны в точке нулевого потенциала.

Первый вариант антенны состоит из двух рамок, расположенных в одной плоскости. Рамки выполняют из металлических трубок, полосок либо толстого медного провода и соединяют их параллельно (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Зигзагообразная телевизионная антенна

Антенны из трубок диаметром 8…16 мм для 1…5 каналов и 4…8 мм для 6…12 каналов эффективны в более узкой полосе частот, чем антенны из провода.

Конструкция и размеры антенны на каналы с 1-го по 5-й показаны на рис. 10.18.

Рис. 10.18. Конструкция зигзагообразной антенны для 1–5 телевизионных каналов

К деревянной стойке 1 крепят две поперечные металлические рейки 2. В верхней и в нижней частях стойки устанавливают металлические планки 3. Такие же планки 4, но через изоляционные прокладки 5 крепят на концах реек. На стойке между рейками размещают изоляционную пластину 6, на которой укреплены две металлические планки 7. Провода диаметром 2…3 мм либо антенный канатик припаивают к металлическим планкам 3, 4, 7. Кабель снижения с волновым сопротивлением 75 Ом крепят к нижней планке 3, являющейся точкой нулевого потенциала.

Кабель укладывают вдоль двух сторон внутреннего провода нижней рамки и припаивают к планкам 7 (оплетку — к левой планке, центральный проводник — к правой).

Основные размеры антенны для различных телевизионных каналов приведены в таблицах 10.2.

Расстояние между точками подключения фидера к антенне должно быть равно 10…15 мм для 1–5 каналов и 7…10 мм — для 6—12 каналов. Размер а = 100 мм для 1–5 каналов и а = 60 мм для 6—12 каналов.

Для повышения коэффициента направленного действия, приема сигналов только одного направления и увеличения коэффициента усиления на 30…40 % с тыльной стороны зигзагообразной антенны устанавливают экран (рефлектор), представляющий собой набор трубок длиной в 0,5λ, расположенных параллельно плоскости антенны на расстоянии 0,1 друг от друга (рис. 10.19). Но при этом диапазонные свойства антенны ухудшаются. Вместо трубок можно использовать металлические полоски либо такой же провод, как для рамки антенны. В табл. 10.3 приведены основные размеры рефлектора.

Рис. 10.19. Зигзагообразная телевизионная антенна с рефлектором

Другим вариантом зигзагообразной антенны является кольцевая антенна или, как ее называют радиолюбители, «Паутинка», показана на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Зигзагообразная телевизионная антенна типа «Паутинка»

Такая антенна способна работать во всем метровом диапазоне волн, отведенном для телевидения, и принимать передачи на любом из двенадцати частотных каналов. Коэффициент усиления антенны плавно нарастает с увеличением номера канала на 0,5 дБ на первом канале, до 11 дБ — на двенадцатом.

Антенна представляет собой металлический обруч, выполненный из дерева или другого изоляционного материала, с проложенным по поверхности обруча проволочным кольцом. Обруч крепится к деревянной мачте. В центре кольца к мачте крепятся на изолированном основании из гетинакса, текстолита или оргстекла две металлические пластины полукруглой формы, выполненные из листовой меди, латуни или белой жести. Толщина пластин не имеет значения, а их радиус равен 50 мм. Каждая пластина соединяется с металлическим обручем или проволочным кольцом пятью лучами, расположенными под равными углами. Затем лучи соединяют между собой пятью перемычками на равных расстояниях. Кольцо, лучи и перемычки можно изготовить из антенного канатика или медного провода диаметром 1,5…3,0 мм. Все соединения нужно тщательно пропаять. Затем к антенне подключается фидер, соединяющий ее с телевизором.

Зигзагообразные антенны могут использоваться на дальней границе зоны прямой видимости или вблизи от ближней зоны полутени в зависимости от мощности передатчика и рельефа местности на трассе между передатчиком и телевизионным приемником.

Основное их достоинство состоит в широкой полосе частот, позволяющей с помощью одной антенны принимать несколько телевизионных программ по разным частотным каналам. Для них можно считать общим принципом постоянство для данной конкретной конструкции произведение коэффициента усиления на рабочую полосу частот. Чем шире рабочая полоса частот, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны.

Отсюда следует, что для получения высокого значения коэффициента усиления следует выбирать узкополосные антенны, рассчитанные на прием одного, от силы двух — трех соседних по частоте каналов. При этом нужно учитывать, что между вторым и третьим, а также между пятым и шестым каналами имеются большие частотные промежутки. Поэтому эта каналы, хотя и являются соседними по номерам, ко не являются соседними по частоте.

В табл. 10.4 приведено соответствие частот и телевизионных каналов, используемых в Российской Федерации. На основании данных этой таблицы можно определить длину волны телевизионного сигнала, зная частоту f [Гц]:

λ = 3∙10⁸/f

Коаксиальные кабели нашли широкое применение в телевидении. Он состоит (рис. 10.21) из медного внутреннего проводника, одножильного или многожильного, полиэтиленовой изоляции, внешнего проводника, плетеного из медных проволок диаметром 0,1…0,2 мм, и пластмассовой оболочки.

Рис. 10.21. Конструкция коаксиального кабеля

Обозначение коаксиального кабеля состоит из букв и трех чисел: буквы РК означают радиочастотный коаксиальный кабель, первое число показывает волновое сопротивление кабеля в омах, второе — внутренний диаметр оплетки в миллиметрах, третье — номер разработки.

К числу основных параметров коаксиального кабеля относятся волновое сопротивление, погонное затухание и коэффициент укорочения волны.

Волновое сопротивление Z_в — определяется через погонную индуктивность L_пог и погонную емкость С_пог:

Z_в = √(L_пог/С_пог)

Режим работы фидерной линии (коаксиального кабеля) определяется соотношением между волновым сопротивлением линии Z_в и сопротивлением нагрузки Z_н. Если сопротивление нагрузки — активное и равно волновому сопротивлению (Z_н = R = Z_в), то энергия от генератора (от антенны) полностью передается по коаксиальному кабелю в нагрузку. Этого всегда надо добиваться.

Если сопротивление нагрузки — чисто активное, но не равно волновому сопротивлению кабеля (Z_н = R не равно Z_в) либо комплексное, состоящее из активной и реактивной составляющей, то не вся энергия генератора (антенны) передается в нагрузку, часть ее отражается обратно в сторону антенны.

Погонное затухание β — затухание на единицу длины коаксиального кабеля; выражается в децибелах на метр [дБ/м] или [дБ/км]. Затухание — в децибелах в линии длиной l равно:

T = β∙l

Коэффициент укорочения длины волны в коаксиальном кабеле n — параметр, показывающий, во сколько раз длина волны в линии λ_к меньше длины волны λ в свободном пространстве, т. е.

n = λ/λ_к.

В табл. 10.5 приведены конструктивные данные и параметры наиболее распространенных коаксиальных кабелей.

_{* Двойной экран.}

_{** Семижильный проводник.}

_{*** Полувоздушная изоляция.}

На рис. 10.22 приведены графики зависимости погонного затухания коаксиальных 75-омных кабелей от частоты.

Рис. 10.22. Кривые погонного затухания коаксиального кабеля

Из графиков видно, что удельное затухание зависит от толщины кабеля (второе число в обозначении кабеля): чем он толще, тем удельное затухание меньше. Пользуясь этими графиками, можно подсчитать значение затухания сигнала в кабеле при определенной его длине на любом частотном канале метрового и дециметрового диапазона. Наиболее распространенным кабелем является кабель марки РК-75-4-11, обладающий погонным затуханием 0,06…0,08 дБ/м в диапазоне 1–5 каналов, 0,11…0,14 дБ/м в диапазоне 6—12 каналов и 0,25…0,37 дБ/м в диапазоне 21–60 каналов. Отсюда: при длине кабеля 20 м затухание на 12-ом канале составит всего 2,8 дБ, что соответствует уменьшению сигнала всего в 1,38 раза, а при длине кабеля 50 м затухание на 12-ом канале составит 7,0 дБ (уменьшение сигнала в 2,24 раза). В дециметровом же диапазоне при длине кабеля 20 м затухание окажется равным 5,0…7,4 дБ/м, что соответствует уменьшению напряжения сигнала в 1,78…2,34 раза, а при длине кабеля 50 м — 12,5…18,5 дБ (уменьшение сигнала в 4,22…8,41 раза).

Таким образом, при длине кабеля 50 м даже на 12-ом канале сигнал, проходя по кабелю, уменьшается более чем вдвое, и отношение сигнал/шум на входе телевизора окажется пониженным также более чем вдвое. Для компенсации ослабления сигнала на входе телевизионного приемника следует включать сразу же после антенны антенный усилитель с коэффициентом усиления, равным затуханию сигнала в кабеле. Использовать антенные усилители с большим усилением не имеет смысла.

Коаксиальные кабели РК-75-9-13 и РК-75-13-11 обладают меньшим затуханием, чем кабель РК-75-4-11. Особенно это заметно в дециметровом диапазоне. На частоте 785 МГц при длине кабеля 50 м он вносит затухание 18,5 дБ (ослабление напряжения в 8,4 раза), кабель РК-75-9-13 — 11,0 дБ (ослабление в 3,55 раза), кабель РК-75-13-11 — 7,5 дБ (ослабление в 2,4 раза). Таким образом, применением лучшего кабеля можно поднять уровень сигнала на входе телевизора в несколько раз (при приеме сигналов дециметрового диапазона) даже без использования антенного усилителя.

Если не известна марка кабеля, оказываются не известны ни его волновое сопротивление ни его удельное затухание, то эти параметра можно определить при наличии штангенциркуля или микрометра. Нужно снять внешнюю защитную оболочку с конца кабеля, завернуть оплетку и измерить диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции. Затем снять изоляцию и измерить диаметр центральной жилы.

После этого результат первого измерения разделить на результат второго: при полученном соотношении 3,3…3,7 волновое сопротивление равно 50 Ом, при отношении 6,5…6,9 волновое сопротивление составляет 75 Ом. Если по результатам измерений кабель оказался 75-омным, то используя рис. 10.22, можно определить приближенно его удельное затухание (используя диаметр изоляции).

10.8.1. Рамочная средневолновая антенна [30]

Число витков антенны можно определить по формуле для расчета индуктивности круглой рамки диаметром d (м):

L = kw²d,

где k — коэффициент, зависящий от плотности намотки, его значение лежит в пределах (1…3)∙10^-6.

Для РА цилиндрическая форма обмотки неудобна, предпочтительнее радиальная. Очень удобна «корзиночная» обмотка (рис. 10.23), автоматически обеспечивающая шаг между витками, равный диаметру провода. В этом случае катушку наматывают на плоском каркасе из диэлектрика с нечетным числом радиальных прорезей, в которые и укладывают провод, проходящий попеременно с одной или с другой стороны каркаса. Для «корзиночной» обмотки, описанной ниже, k = 1,6∙10^-6.

Рис. 10.23. Каркас рамочной антенны с «корзиночной» обмоткой для СВ

Указанная на рис. 10.23 конструкция представляет собой каркас с одиннадцатью прорезями из листа органического листа толщиной 4 мм. Края прорезей следует скруглить острым ножом или надфилем, чтобы не повредить провод при намотке. Центральную часть каркаса можно вырезать и удалить. Обмотка содержит 37 витков провода ЛЭШО 21x0,07, выводы закрепляют в специально просверленных отверстиях каркаса или припаивают к закрепленным на каркасе лепесткам. Нижний выступ каркаса нужен для крепления всей антенны.

Добротность РА (как колебательного контура) с «корзиночной» обмоткой достаточно высока, достигая значения 280 на частоте 1600 кГц, и увеличивается с частотой. Это обеспечило полосу пропускания контура антенны не шире 6 кГц во всем СВ-диапазоне.

Напряжение, наводимое полем центральных радиостанций на выводах контура магнитной антенны, составило от 15 до 300 мВ в условиях Москвы, на девятом этаже панельного дома.

10.8.2. Необычное использование осветительной сети [31]

Если использовать приставку, схема которой приведена на рис. 10.24, то для улучшения качества радиоприема можно использовать сетевую проводку. Приставка представляет собой двухканальный апериодический усилитель радиочастоты, ко входу которого гибким экранированным кабелем длиной до 1,5 м подключен последовательный колебательный контур L1C1. Сам контур располагают рядом с электрической проводкой. Благодаря применению последовательного контура и низкому входному сопротивлению первого каскада усилителя радиочастоты, собранного по схеме с общей базой, потери сигнала в кабеле минимальны.

Рис. 10.24. Схема усилителя для антенны СВ и ДВ

Режимы работы обоих каскадов усилителя радиочастоты по току практически не зависят от напряжения питания благодаря стабилизатору напряжения на диодах VD1, VD2 и резисторе R4. Нужные режимы транзисторов VT1,VT2 устанавливают резистором R3.

Сигнал с выхода апериодического усилителя через конденсатор С5 подается на вход внешней антенны радиоприемника. Длина проводов, соединяющих этот вход с выходом приставки, не должна превышать 20 см (рис. 10.25), поэтому усилитель радиочастоты следует разместить рядом с радиоприемником.

Рис. 10.25. Использование осветительной сети в качестве антенны ДВ и СВ

При монтаже приставки использованы постоянные резисторы MЛT—0,125 (можно и МЛТ—0,25), подстроечный резистор — СПЗ-38 в. Конденсаторы С2-С4 — КМ-5 (К10У-5 или К10-7в), С5 — КПК-МН или КПК-МП. Конденсатор переменной емкости — от любого переносного приемника с максимальной емкостью не менее 270 пФ. Транзистор КТ316А можно заменить КТ316 и КТ339, а КТ357В-КТ357 и КТ361 с любыми буквенными индексами. Вместо диодов Д220 подойдут диоды Д223 и КД221 также с любыми буквенными индексами.

Функции катушки LI выполняет магнитная антенна от радиоприемника «Селга-309». В средневолновом диапазоне используется секция 1–2, а в длинноволновом — последовательное включение секций 1–2 и 3–4.

Если приобрести указанную антенну не удалось, то катушку L1 можно намотать на ферритовом стержне от магнитной антенны любого радиоприемника диаметром 8 и длиной 65 мм (более длинный стержень следует укоротить). Катушку наматывают проводом ПЭТВЛ-1 0,1 на пластмассовом секционном каркасе. Обмотку длинноволнового диапазона размещают в восьми секциях по 35 витков в каждой, а средневолнового — в шести секциях по 17 витков в каждой.

Плату усилителя радиочастоты (рис. 10.26) размещают в металлическом корпусе, электрически связанном с минусовой шиной источника питания. Колебательный контур следует поместить в небольшой пластмассовый футляр. Важно, чтобы катушка была как можно ближе к той его стенке, которая прикладывается к электропроводке. Приставка может питаться как от автономного источника, так и от источника питания приемника. В последнем случае параллельно конденсатору С2 следует подключить оксидный конденсатор емкостью не менее 50 мкФ. Напряжение питания подается на усилитель радиочастоты приставки через развязывающий резистор сопротивлением 300 Ом, оно может находиться в пределах 7…9 В. Потребляемый ток не превышает 2,5 мА.

Рис. 10.26. Печатная плата усилителя для антенны СВ и ДВ

Следует отметить, что приставка рассчитана на работу с приемником, имеющим емкостную связь с внешней антенной. При индуктивной связи с антенной выход приставки подключают непосредственно к входному контуру приемника. Так поступают и при отсутствии гнезд внешней антенны в приемнике.

Для налаживания приставки устанавливают движок резистора R3 в нижнее (по схеме) положение, включают питание. Затем с помощью этого резистора устанавливают на коллекторе транзистора VT2 напряжение 2,5 + 0,2 В относительно общего провода. Далее, установив роторы конденсаторов С1 и С5 в положение максимальной емкости, подключают приставку к гнездам «антенна» и «заземление» приемника и устанавливают верхнюю границу перекрываемого приемником длинноволнового или средневолнового диапазона. Для этого на вход контура L1C1 подают соответствующий сигнал от генератора стандартных сигналов, настраивают на эту частоту приемник и, перемещая каркас катушки L1 по магнитопроводу, добиваются настройки контура L1C1 в резонанс.

Состояние резонанса определяют по индикатору настройки приемника или, измеряя уровень постоянной составляющей сигнала на выходе детектора, с помощью вольтметра. После этого подносят контур к электропроводке и, установив магнитопровод катушки L1 перпендикулярно проводам осветительной сети и вращая ручку настройки приемника, пытаются принять сигнал какой-либо удаленной радиостанции. Наибольшей громкости приема добиваются конденсатором переменной емкости приставки. После чего устанавливают наименьший уровень помех подстройкой конденсатора С5.

При работе с приставкой полезно снабдить шкалой конденсатор переменной емкости С1. Настройку на желаемую радиостанцию следует производить в такой последовательности: сначала ручкой настройки конденсатора С1 (см. рис. 10.24) нужно установить приблизительно соответствующую длину волны, затем настроить приемник точно на радиостанцию и после этого еще раз подстроить конденсатор С1.

Приставка позволяет увеличить радиус уверенного приема радиостанций по сравнению с приемом на магнитную антенну, а также повысить селективность приемника по паразитным каналам приема.

10.8.3. Приемная комнатная антенна

Ниже приведено описание еще одной, более простой, приставки, которая тоже позволяет улучшить качество приема. В качестве внешней антенны для этой комнатной антенны могут быть использованы трубы системы отопления. Ведь металлические трубы системы отопления проходят через все этажи здания, образуя вертикальный токопроводящий «штырь», длина которого зависит от высоты дома. Наведенные в нем токи сигналов радиостанций могут порой значительно превышать токи, возникающие в рамочных комнатных антеннах. Вот почему такая антенна — «штырь» вполне подойдет для любительских радиоприемников, нужно только обеспечить с ней эффективную связь. Наиболее просто реализовать индуктивную связь, к тому же ее можно сделать частотно-избирательной, повысив тем самым селективность и помехоустойчивость системы антенна-приемник. Ось катушки индуктивности при этом следует располагать перпендикулярно к трубе и как можно ближе к ней. Для увеличения связи катушку нужно намотать на ферритовом магнитопроводе.

На рис. 10.27 изображена схема согласующего устройства для всеволновых любительских приемников, имеющих гнезда для подключения антенны и заземления. Оно крепится к трубе с помощью двух магнитов и представляет собой колебательный контур, образованный катушкой индуктивности L1 и конденсатором переменной емкости С1.

Рис. 10. 27. Схема согласующего устройства для всеволнового приемника

Соединяется приставка с приемником витым двухжильным кабелем, причем емкость и индуктивность кабеля входят в колебательный контур. Для перекрытия диапазона СВ (160 м) и КВ катушка индуктивности выполнена с отводами. Нужный рабочий диапазон согласующего устройства выбирают переключателем SA1, а более точно резонансную частоту контура, а значит, максимальный сигнал на входе приемника, устанавливают конденсатором переменной емкости.

Катушка индуктивности намотана на отрезке ферритового стержня диаметром 10 и длиной 19 мм из феррита 400НН (отрезок стержня от магнитной антенны приемника «Альпинист-405»). Всего нужно намотать виток к витку 85 витков провода ПЭВ-1 0,19 и сделать отводы от 2, 10, 20, 35, и 50-го витков, считая от нижнего по схеме вывода. Конденсатор переменной емкости — КПТМ, обе его секции соединены параллельно. Подойдет и другой малогабаритный конденсатор с максимальной емкостью не менее 500 пФ. Переключатель SA1 — малогабаритный, типа МПВ или МПН.

Конденсатор 1 (рис. 10.28), катушку индуктивности 2 и переключатель 3 размещают в пластмассовом корпусе — футляре от авторучки размерами 150x22x15 мм. На дне корпуса закреплены постоянные магниты 4 и 5, с помощью которых приставка крепится к трубе-»штырю». Соединительный кабель составлен из двух свитых отрезков проводов МГШВ 0,12, к наружным концам которых припаяны вилки.

Чтобы приставка перекрывала СВ-вещательный диапазон, надо увеличить число витков катушки индуктивности.

Рис. 10.28. Конструкция согласующего устройства

10.8.4. Активный ответвитель ТВ сигнала

Если в квартире имеется два телевизора (в разных комнатах), то можно рекомендовать изготовить ответвитель для подключения к фидеру телевизионной антенны одновременно обоих телевизоров.

Ответвитель собран на полевом транзисторе (рис. 10.29). Он практически не вносит рассогласования в фидер и в то же время обеспечивает выходной сигнал, достаточный для нормальной работы телевизора.

Рис. 10.29. Активный ответвитель телевизионного сигнала

Устройство представляет собой апериодический усилитель радиочастоты с высокоомным входом и согласованным с 75-омным кабелем выходом. Полевой транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком. Режим его работы задан напряжением на затворе, снимаемым с делителя R1R2. Входной сигнал поступает в цепь затвора через конденсатор небольшой емкости С1, усиленный сигнал снимается со стока и через конденсатор С2 и резисторы R4R5 подается на антенные входы телевизоров.

При монтаже детали входной и выходной цепей усилителя необходимо расположить по разные стороны от транзистора.

С фидером (на рис. 10.29 — линия связи Вход-Выход 1) ответвитель соединяют следующим образом: удалив небольшой участок изолирующей оболочки кабеля, надрезают оплетку и изоляцию внутренней жилы, после чего к последней припаивают конденсатор С1 (его выводы необходимо укоротить до минимально возможной длины), а к оплетке — общий провод ответвителя.

Требуемый уровень выходного сигнала устанавливают подбором резистора R1 (на практике — до получения тока стока в пределах 5…7 мА).

Ответвитель хорошо работает во всех 12-ти каналах метрового диапазона волн. Взаимного влияния телевизоров, подключенных к основному фидеру и выходам ответвителя, не обнаружено.

Для питания ответвителя необходим источник с малым напряжением пульсаций (при недостаточной фильтрации на экране телевизора может наблюдаться помеха в виде неподвижной или перемещающейся горизонтальной полосы). Конструкция ответвителя произвольная.

Другой вариант активного ответвителя приведен на рис. 10.30 [32]. Он состоит из усилителя на сверхвысокочастотных транзисторах VT1, VT2 и резистивного разветвителя на резисторах R8-R10.

Рис. 10.30. Вариант ответвителя телевизионного сигнала

Наличие усилителя обеспечивает дополнительное усиление сигнала примерно до 15 дБ на каждом из выходов сигнала. Кроме того, усиление можно регулировать в пределах 6…15 дБ подстроечным резистором R7, что позволяет в случае необходимости подобрать оптимальный уровень сигнала.

Усилитель обеспечивает полосу пропускания по уровню —3 дБ от 40 до 240 МГц. При уменьшении усиления полоса немного расширяется.

Чтобы не ухудшить качество изображения при слабых сигналах, в усилителе применены мало шумящие транзисторы.

Детали ответвителя размещают на печатной плате (рис. 10.31) из двустороннего фольгированного текстолита. Монтаж ведут на одной стороне, без отверстий, вторую сторону используют как экран и соединяют через край платы в нескольких местах с общей шиной. Входной и выходные кабели закрепляют на плате с помощью скоб, а оплетки припаивают к общему проводу на плате.

Рис. 10.31. Печатная плата варианта ответвителя телевизионного сигнала

Питание (от батареи, выпрямителя либо телевизора) к усилителю подводят по отдельному проводу, но если возникнет необходимость питать его через один из кабелей, выходной каскад придется переделать в соответствии с рис. 10.32. Резистор R7 в этом случае удобнее разместить в блоке питания.

Рис. 10.32. Питание варианта ответвителя телевизионного сигнала через кабель

В устройстве можно применить следующие детали: транзисторы КТ399А, КТ368А, конденсаторы KЛC, КМ, резистор R7 — СП3-3, остальные MЛT. Катушка L1 бескаркасная, она намотана проводом ПЭВ-2 0,4 на оправке из изоляционного материала диаметром 5 мм и содержит 4…5 витков. Катушка L2 — дроссель ДМ-0,4 индуктивностью 10…40 мкГ. Налаживание сводится к получению требуемой АЧХ. Нижнюю границу при необходимости изменяют подбором конденсатора С4, верхнюю — подбором индуктивности катушки L1. Усилитель потребляет ток не более 12 мА.

10.8.5. Пассивный ответвитель ТВ сигнала

Для его изготовления требуются только резисторы, поэтому изготовить его значительно проще.

На рис. 10.33 приведена схема подключения трех телевизионных приемников к одной антенне через простейшее согласующе-развязывающее устройство на резисторах. Таким же способом можно подключить любое число приемников (n). Однако надо учитывать, что с ростом их числа увеличивается и затухание сигнала.

Рис. 10.33. Пассивный ответвитель телевизионного сигнала

Сопротивление согласующих резисторов (в нашем случае R_n = R1 = R2 = R3 = R4) связано с волновым сопротивлением фидера (чаще всего r = 75 Ом) следующим соотношением:

Коэффициент передачи ответвителя обратно пропорционален числу ветвей развязки: К = 1/n.

Если какой-либо выход ответвителя не используется, то к нему необходимо подключить балластный резистор сопротивлением 75 Ом.

Вся конструкция должна быть заключена в экран, в крайнем случае подойдет и пластмассовый корпус; подключение коаксиальных кабелей осуществляется через высокочастотные разъемы.

10.8.6. Зигзагообразная антенна из магнитных дисков [33]

Сейчас, когда из магазинов исчезли алюминиевый профиль и трубки, а со свалок — отходы цветных металлов, радиолюбители делают свои антенны порой из самых неожиданных предметов. Соответственно и параметры таких антенн могут оказаться самыми неожиданными.

Автором [Радиолюбитель, 10/98] была исследована одна из таких конструкций, достаточно популярная — «восьмерка» из жестких дисков для устаревших накопителей ЕС ЭВМ (рис. 10.34).

Рис. 10.34. Зигзагообразная антенна из магнитных дисков

Электрически эта антенна представляет собой вариант зигзагообразной; судя по ее размерам и форме, она может хорошо работать во всем ДМВ-диапазоне.

Испытания на панорамном рефлектометре подтвердили, что антенна вполне удовлетворительно согласуется в диапазоне 21…50 каналов, однако на частотах 11–12 каналов ее КСВ оказался равен 18…20 (рис. 10.35, кривая 1). Сравнение «восьмерки» с другими типами антенн ДМВ показало, что по качеству получаемого изображения она превосходит одинарный диск, сопоставима с комнатной логопериодической антенной промышленного изготовления и уступает «тройному квадрату», но только в полосе его пропускания (5…8 каналов).

Рис. 10.35. Зависимость КСВ от частоты зигзагообразной антенны на магнитных дисках

Несколько слов об особенностях монтажа и эксплуатации. Как показывают измерения КСВ, любой металлический предмет вблизи антенны увеличивает потери и ухудшает согласование. Особенно чувствительной в этом отношении оказалась вся зона пропила в дисках. На согласование влияет и укладка кабеля — он должен проходить по внешнему краю диска, по той его половине, к которой припаивается оплетка, причем обязательно прилегая к диску в самой нижней его точке «А».

Кабель удобно прикрепить нитками через заранее просверленные вдоль края диска отверстия диаметром 1,5…2 мм. Исследованная антенна имела пропил шириной 25 мм.

Также была испытана зигзагообразная антенна из колец-прокладок для жестких дисков с рефлектором из самого диска [3Ч, рис. 3.1]. Вместо сетки центральное отверстие в диске-рефлекторе было заделано горизонтальными полосками. Полученная характеристика показана на рис. 10.35, кривая 2. Как видно из графика, данная антенна может работать на частоте 11…12 каналов, однако, судя по величине КСВ, эффективной работы в этом диапазоне ждать не стоит.

10.8.7. Простые радиомикрофоны [37]

Предлагаются три простые схемы радиомикрофонов. При испытаниях прием осуществлялся на УКВ-приемник китайского производства, настроенный на частоту 100 МГц и работающий со штыревой антенной длиной около 40 см.

В ходе экспериментов выяснилось, что необходимую девиацию частоты передатчика можно получить и без применения варикапов. Его схема показана на рис. 10.36.

Такой радиомикрофон сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 3…12 В. Следует, однако, учитывать, что при изменении напряжения питания будет наблюдаться и существенное изменение рабочей частоты. При напряжении питания 4,5 В радиомикрофон потребляет ток около 4 мА. Дальность его действия в открытом пространстве достигала 50…60 м. Акустическая чувствительность примененного микрофона МКЭ-3 обеспечивает нормальную работу устройства на расстоянии 3…4 м от говорящего человека.

Рис. 10.36. Схема радиомикрофона на двух транзисторах

Попытки упростить схему привели к созданию радиомикрофона всего на одном транзисторе (рис. 10.37). При напряжении питания 3 В он потребляет ток 1,5 мА и обеспечивает дальность действия 35…40 м при расстоянии от источника звука 10..15 см.

Рис. 10.37. Схема радиомикрофона на одном транзисторе

Оба микрофона почти не требуют налаживания (кроме установки рабочей частоты). Чтобы избавиться от ухода частоты из-за влияния руки оператора, микрофон необходимо поместить в металлический корпус или экран из фольги, соединенный с общим проводом. При тщательном подборе элементов удавалось добиться работы микрофонов от источника питания напряжением 1,5 В, однако она была крайне неустойчива. По этой причине пришлось собрать радиомикрофон на германиевых транзисторах (рис. 10.38). Он способен работать от источника напряжением 1,5…0,9 В, потребляемый ток при этом составлял 1 мА, а дальность действия равнялась 10…15 м при расстоянии 1 м от источника звука. Этот микрофон очень чувствителен к номиналам элементов и напряжению питания. Например, при попытке повысить последнее до 3 В транзистор VT2 закрывался и микрофон не работал. Настраивая микрофон, следует подбором резистора R1 добиться, чтобы при напряжении питания 1,5 В ток эмиттера транзистора VT1 был около 0,3 мА.

После такой настройки радиомикрофон сохраняет работоспособность при снижении питания до 0,9 В.

Рис. 10.38. Схема радиомикрофона на двух транзисторах с напряжением питания 1,5…0,9 В

Катушки L1, L2 всех трех конструкций бескаркасные. Они намотаны на оправке диаметром 7 мм и содержат соответственно 6 и 2 витка посеребренного провода диаметром 0,5 мм. Катушка L2 размещена рядом с L1.

В передатчиках использовалась спирально-штыревая антенна, изготовленная из отрезка полиэтиленового стержня шариковой авторучки диаметром 3 и длиной 70…80 мм. На расстоянии 3…5 мм от конца трубки иглой следует сделать отверстие, в которое пропустить один из концов отрезка провода ПЭВ 0,15 длиной 165 мм. После изготовления антенны этот конец провода нужно припаять к катушке L2. Затем провод с некоторым натягом аккуратно намотать на стержень. Шаг намотки равен двум диаметрам используемого для намотки провода. Второй конец провода закрепляют, надев на конец обмотки резиновое кольцо или отрезок виниловой трубки соответствующего диаметра.

Далее следует зафиксировать витки на стержне авторучки, промазав их клеем БФ-2. Штырь изготавливают из медного провода диаметром 1,5…2 и длиной 60…100 мм. Остается лишь подобрать отрезок виниловой трубки, который бы надевался на конец штыря и с небольшим усилием входил внутрь изготовленной спиральной катушки со стороны ее свободного конца, — и антенна готова.

Ее настройка сводится к перемещению штыря внутри катушки. Штырь фиксируют клеем или каким-либо другим способом.

1. При соединении элементов токонесущих конструкций (в том числе и в антенно-фидерных устройствах) следует избегать контактирования металлов и сплавов, образующих недопустимые гальванические пары: алюминиевых сплавов — с медью, латунью, бронзой, оловом; цинка — с медью, латунью, бронзой; меди — с оловянно-свинцовыми сплавами, сталью нелегированной. Наличие такой гальванической пары приводит к коррозии в местах соединения. К примеру, нельзя приклепывать или крепить винтом к меди стальные лепестки (оцинкованные или неоцинкованные) или поджимать медную жилу провода к медной трубе стальным винтом.

Допустимо, например, к вибратору антенны, изготовленному из стальной трубки, присоединить медную жилу коаксиального кабеля путем зажима ее под стальной оцинкованный винт с обязательным предварительным лужением конца медной жилы, соприкасающегося со сталью.

К вибратору, изготовленному из медной трубки, жилу коаксиального кабеля можно припаивать, а также поджимать медным (латунным) винтом или припаивать к медному лепестку, приклепанному к трубе. При этом медный лепесток в местах соприкосновения с медной трубкой не должен быть облужен, так как медь и оловянно-свинцовый припой образуют при контакте недопустимую гальваническую пару.

2. Практическое определение волнового сопротивления.

Определить волновое сопротивление линии передачи — будь то коаксиальный кабель или суррогатная линия передачи типа «пары» телефонной линии или «лапши», используемой для прокладки радио- или электросети, можно с использованием измерителя индуктивности и емкости или с помощью методов, позволяющих измерять эти величины.

Согласно общеизвестной из теории линий передач формуле волновое сопротивление любой линии передачи с малыми потерями можно определить как

Z_w = √(L/C)

где Z_w — волновое сопротивление линии (Ом); L — индуктивность закороченной линии (Гн); С — емкость разомкнутой линии (Ф).

Для проведения такого измерения необходимо измерить индуктивность закороченного куска линии длиной от 1 до 5 метров (при меньших и больших значениях длины погрешность измерения будет больше), а затем измерить емкость разомкнутой на конце линии. Найденное с помощью такого измерения и расчета волновое сопротивление линии очень близко к ее действительному значению.

Результаты экспериментов показывают, что волновое сопротивление большинства экранированных микрофонных шнуров лежит в пределах 40…70 Ом, «радиолапши» — 400…600 Ом, «электролапши» — 300…400 Ом, сетевых шнуров питания — 30…60 Ом, телефонной «пары» — 70… 100 Ом.