Синфазные антенны
10. 12. Синфазные антенны
Синфазными называются комбинированные антенны, составленные из нескольких антенн типа «Волновой канал» с небольшим количеством элементов, что позволяет антенной решетке сохранить необходимую полосу пропускания частот.
11-элементные антенны имеют узкую полосу пропускаемых частот, поэтому их нельзя составлять в синфазную решетку.
В синфазной решетке одинаковые по размерам антенны разносятся по вертикали (рис. 10. 43) или горизонтали и подключаются к общему фидеру. При разносе антенн по вертикали диаграмма направленности сужается в вер
тикальной плоскости, а при разносе по горизонтали — в горизонтальной. Антенны часто разносятся и по горизонтали, и по вертикали (рис. 10. 44), тогда диаграмма направленности сужается в обеих плоскостях.
В вертикальной плоскости антенны располагаются одна над другой (рис. 10. 45) на расстоянии от половины длины волны до полной ее длины в плоскости, перпендикулярной приходящей электромагнитной волне. При этом приходящая волна достигает всех вибраторов одновременно и возбуждает в них токи одной и той же фазы. Соблюдение определенного расстояния между этажами антенны делает ее нечувствительной к волнам, приходящим с вертикальных направлений. Если волна приходит, например, снизу, то она достигает вначале нижнего вибратора, а затем, пройдя расстояние в полволны,— верхнего. Таким образом, оба вибратора оказываются возбужденными противофазно, и токи отдельных вибраторов на входе фидера взаимно уничтожаются. Это способствует значительному снижению помех
приходящих снизу. Число этажей антенны должно быть четным, в противном случае появится прием снизу.
Использование двухэтажной синфазной антенны позволяет при неизменной напряженности поля в месте приема повысить напряжение на входе телевизионного приемника не в 2 раза, а только в 2^0.5 раз (3 дБ). При использовании четырех антенн коэффициент усиления синфазной решетки возрастает на 6 дБ, при восьми — на 9 дБ и т. д. по отношению к коэффициенту усиления одиночной антенны.
Максимальное усиление синфазная антенна имеет тогда, когда расстояние между отдельными антеннами равно длине волны. Если расстояние между отдельными антеннами равно половине длины волны, коэффициент усиления снижается примерно на 20%. Выбирать расстояние между этажами больше длины волны не следует, так как это может привести не к повышению, а к снижению коэффициента усиления из-за увеличения боковых лепестков диаграммы направленности.
Для получения максимального уровня сигнала от синфазной антенны необходимо соединить вибраторы так, чтобы токи их на входе фидера складывались синфазно. При сборке таких антенн важно, чтобы активные вибраторы (рамка, петлевой вибратор) были соединены синфазно, что достигается подключением отрезков кабелей к тем же точкам активных вибраторов, которые находятся с одной стороны (с правой или левой в обоих этажах). Например, если в рамочной антенне оплетка шлейфа и центральный проводник кабеля подключены к левому концу вибратора, то такое же подключение необходимо сделать и к нижней рамке. Нижнюю антенну при этом переворачивать не нужно.
Если в антеннах типа «Волновой канал» центральные про
водники петли и фидера подключены к правому концу вибратора, то такое же подключение делают и к нижнему вибратору антенны, которую следует перевернуть на 180° по отношению к верхней.
При монтаже кабельных соединений в антенне нужно следить за тем, чтобы центральный провод кабеля не был надрезан и проволочки медной оплетки кабеля не могли случайно его коснуться.
Используя для соединения этажей антенн типа «Волновой канал» двухпроводные симметричные линии, выполненные из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, можно обойтись без согласуюше-симметрируюших устройств у активных вибраторов.
На рис. 10. 46 приведена схема соединения двухэтажной трехэлементной антенны с использованием симметричных линий. Если входное сопротивление каждого этажа антенны составляет примерно 150 Ом, то соединительные линии с волновым сопротивлением 150 Ом хорошо согласуются с ними. В точках А—А два таких сопротивления соединены параллельно. При этом полное входное сопротивление антенны в этих точках будет равно 75 Ом.
В случае, когда входное сопротивление каждого этажа больше 150 Ом, четвертьволновые отрезки соединительных линий Т трансформируют его в точках А—А до значения, которое меньше 150 Ом. Входное сопротивление всей антенны в точках А—А при этом будет немного меньше 75 Ом.
Если входное сопротивление каждого этажа меньше 150 Ом, четвертьволновые отрезки соединительных линий трансформируют его в точках А—А до значения, превышающего 150 Ом. Входное сопротивление всей антенны в точках А—А будет больше 75 Ом. Однако во всех случаях антенна удовлетворительно согласуется с фидером из кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом. Такой способ соединения этажей можно рекомендовать для многоэлементных антенн типа «Волновой канал». Фидер присоединяется к точкам А—А через короткозамкнутый шлейф Ш (размеры отрезков Т и Ш приведены в табл. 10. 5, 10. 6).
Если разнос между этажами антенны удвоить и сделать равным 2Т (расстояние от точек а—б до точек А—А равно половине длины волны в кабеле), коэффициент усиления антенны возрастет примерно на 20%. В этом случае полуволновые отрезки соединительных линий не трансформируют в точках А—А входное сопротивление каждого из этажей. Оба сопротивления соединяются в точках А—А параллельно, при этом входное сопротивление всей антенны равно примерно 75 Ом и хорошо согласуется с фидером Расстояние между точками Л—А составляет 60... 80 мм.
Для подключения двухэтажной двухрядной 5-элементной антенны типа «Волновой канал» к 75-омному фидеру можно рекомендовать схему на рис. 10. 47, где соединения между этажами выполнены с помощью симметричных линий.
Для получения необходимого входного сопротивления и улучшения согласования антенны с фидером в этой схеме использованы трансформирующие свойства линий, соединяющих этажи. Входное сопротивление этажей в точках 1—2 равно примерно 75 Ом и в каждом вертикальном ряду трансформируется в точках 3—4 четвертьволновыми отрезками соединительных линий Т до 300 Ом. Эти два сопротивления соединены параллельно, поэтому входное сопротивление одного вертикального ряда в точках 3—4 составляет приблизительно 150 Ом.
К точкам 3—4 подключены симметричные линии с волновым сопротивлением 75 Ом, составленные из отрезков коаксиального кабеля. Входные сопротивления двух таких линий от каждого из вертикальных рядов, соединенных в точках 5—6 параллельно, определяют входное сопротивление всей антенны. Это сопротивление равно примерно 75 Ом, поэтому фидер из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом следует присоединять к точкам 5—6 через симметрирующий короткозамкнутый шлейф Ш. Оплетки кабелей в точках О необходимо спаять (длины отрезков Т и Ш приведены в табл. 10. 5, 10. 6).
В ряде случаев удобно и целесообразно размещать антенны типа «Волновой канал» в четыре этажа по вертикали. Такое построение значительно сужает диаграмму направленности в вертикальной плоскости и позволяет прижать ее главный лепесток к земле. Это очень важно в условиях дальнего приема, когда сигнал приходит с линии горизонта.
На рис. 10. 48 приведена схема соединения четырех антенн, установленных на мачте по вертикали. Согласование антенн осуществляется следующим образом. Первый (нижний) этаж соединяется со вторым соединительной линией с волновым сопротивлением 75 Ом, образованной двумя отрезками 75-омного коаксиального кабеля. Алина линий, которыми соединены первый этаж со вторым и третий с четвертым, должна быть равна половине длины волны в кабеле. В связи с тем, что сигнал, проходя по линиям такой длины, задерживается на половину периода, т. е. его фаза меняется на обратную, для компенсации отрезки кабеля в линиях следует перекрещивать.
В точках А—А питания второго и третьего этажей два сопротивления по 150 Ом соединены параллельно, образуя 75 Ом. К этим точкам подключены трансформаторы, образованные отрезками 50-омного кабеля длиной Т с волновым сопротивлением 100 Ом. Поэтому в точках А—А входные сопротивления двух нижних и двух верхних этажей оказываются равными 150 Ом. Они соединены параллельно и образуют 75 Ом. К этим точкам и подключают фидер с помощью четвертьволнового симметрирующего шлейфа длиной Ш (см. рис. 10. 46). (Размеры трансформаторов Т и шлейфа Ш приведены в табл. 10. 5, 10. 6). На концах линий и трансформаторов оплетки кабелей соединяют между собой. Центральный проводник фидера, соединенный с центральным проводником и оплеткой шлейфа, подключают к левой точке А, а оплетку фидера — к правой точке А. С оплетками трансформаторов оплетку фидера не соединяют.
Схема соединения двухэтажной двухрядной рамочной синфазной антенны представлена на рис. 10. 49 (она одна для 2-элементных и 3-элементных антенн). В схеме все соединения выполнены из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом. В данном случае, как и при соединении этажей двухэтажной антенны, в качестве симметрирующих устройств могут быть использованы короткозам-кнутые шлейфы или мостики. Два верхних и два нижних этажа соединяются отрезками линий одинаковой длины. При этом входное сопротивление каждой пары равно 37, 5 Ом. Отрезки кабеля длиной Т трансформируют эти сопротивления до 150 Ом и соединяются параллельно. Входное сопротивление антенны равно 75 Ом и хорошо согласуется с
фидером из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.
Повышение коэффициента защитного действия способствует ослаблению помехи, которая приходит к антенне с противоположного направления от передатчика, работающего на таких же или близких к ним частотах передатчика основного направления.
Повышенный КЗД синфазной антенны достигается следующим образом. При установке антенн на мачте верхнюю антенну необходимо сдвинуть вперед на 1/4 средней длины волны принимаемого канала. Дополнительно следует также на 1/4 длины волны в кабеле (она в 1, 52 раза меньше, чем в свободном пространстве) увеличить длину верхних отрезков «Линия» (рис. 10. 49) по сравнению с нижними отрезками, длину которых выбирают произвольно.
Сигнал, приходящий с основного направления, попадает на верхнюю антенну на четверть периода раньше, чем сигнал,
принятый нижними антеннами. Однако за счет более длинных отрезков линии сигнал от верхних антенн будет задержан также на 1/4 периода. В результате сигналы от верхних и нижних антенн попадут в точку подключения трансформатора Т одновременно в фазе и сложатся.
Сигнал помехи, которая приходит от передатчика с противоположного направления, попадет к верхним антеннам с опозданием на 1/4 периода по сравнению с помехой, которая принята нижними антеннами. Дополнительно сигнал помехи,
принятый верхними антеннами, будет задержан верхними линиями еще на 1/4 периода. Таким образом, сигнал помехи, принятый верхними антеннами, к точке подключения трансформатора Т попадает на полпериода позже, чем принятый верхними антеннами. Поэтому они окажутся в противофазе, и их сигналы будут вычитаться один из другого.
Такой способ увеличения КЗД синфазной решетки можно использовать не только для рамочных антенн, но и для антенн типа «Волновой канал». Он позволяет увеличить КЗД антенны примерно на 20 дБ, если направления на источник сигнала и помехи противоположны. Это означает, что угол между этими направлениями составляет 180°. Однако и при меньших углах (почти до 150°) целесообразно использовать такой способ увеличения КЗД антенны.
