Альтернатива «польской сетке»

Авторы сконструировали предлагаемую в статье антенну взамен широко распространённой, но обладающей рядом недо­статков телевизионной антенны, известной под названием “польская сетка”.  По их мнению, предложенная антенна превосходит её как по электрическим параметрам, так и по технологичности изготовления и надёжности в работе.

В статье [1] была предложена эффективная телевизионная антенна горизонтальной поляризации, с повышенным коэффициентом усиления для работы на одном из каналов эфирного телевидения или в радиолюбительском диапазоне 430 МГц. Благодаря низкому КСВ в рабочем диапазоне частот не исключено её использование и в качестве передающей.

Полотно этой антенны представляет собой синфазную антенную систему из двух ромбовидных элементов, разне­сённых в вертикальной плоскости. Половины ромбовидных элементов ра­зомкнуты в вершинах, лежащих на вер­тикальной оси. В основе построения полотен из ромбовидных элементов автором реализовано техническое ре­шение синфазно возбуждаемой комби­нации последовательности отдельных вибраторов известной антенны Шире-Мезни ([2], рис. 4.2,г).

Прототипом знаменитой зигзагооб­разной антенны К. П. Харченко, много­кратно описанной на страницах журнала «Радио», послужила антенна [3]. Длина сторон ромбовидных элементов ее активного полотна равна 0,5λ_ср . Эле­менты полотна антенны сделаны из про­вода диаметром 1,5…4,5 мм, располо­жены на расстоянии (0,1 …0,2) λ_ср от сет­чатого рефлектора, закреплены на изо­лирующей планке из оргстекла или стекло текстолита, которая резьбовыми шпильками прикреплена к рефлектор­ной сетке. Полотно антенны симметрич­ное и имеет центральное питание.

В [3] подробно описана конструкция применённого для питания антенны симметричного двухпроводного согла­сующего устройства, в том числе в вер­сии с использованием редкого ныне ленточного кабеля КАТВ с последую­щим подключением к пластинчатому антенному усилителю. В статье также изложен оригинальный способ настрой­ки узла согласования антенны с двух­проводной линией питания с помощью замкнутого согласующего шлейфа.

Ранее была запатентована проволоч­ная антенна с подобным полотном из разомкнутых ромбовидных элементов, разнесённых в вертикальной плоскости и подключённых к двухпроводной линии питания [4]. Отличительная особен­ность этой антенны — использование в качестве рефлектора аналогичного полотна, на несколько процентов увели­ченного в размерах и размещённого на расстоянии 0,25λ_ср за активным полот­ном. Перед активным полотном на рас­стоянии 0,25λ_ср установлено в качестве директора такое же полотно, на не­сколько процентов уменьшенное в раз­мерах.

Рассмотренные антенны действи­тельно эффективны, функционально понятны и просты в реализации, но ис­пользуются очень редко. Вероятнее всего, они не востребованы из-за низ­кой технологичности и недостаточной эксплуатационной надёжности. А в ны­нешнее время не малую роль играет и непритязательность многих потребите­лей к реальным характеристикам ан­тенн, их склонность к приобретению наиболее дешёвых и модных изделий. Убедительным примером могут быть ан­тенны типа «польской сетки», уверенно гипнотизирующие уже поколение при­обретателей антенн для приёма теле­визионных передач дециметрового диа­пазона с перспективой использования для приёма цифрового телевидения.

Преимущества у этих дешёвых, мас­совых и востребованных антенн всё-таки есть, и связаны они с удачным ис­пользованием четырёхэтажной фази­рованной антенной решётки с пассив­ным рефлектором при классической коммутации составляющих её антенн. Этажное расположение четырёхдиректорных антенн заметно сужает суммар­ную диаграмму направленности в вер­тикальной плоскости и повышает коэф­фициент усиления. Уширенный рефлек­тор с боковыми створками не только участвует в улучшении электрических характеристик, но и за счёт рёбер жёст­кости повышает механическую надёж­ность всего устройства.

Однако недостатки, для многих по­требителей становящиеся определяю­щими, настораживают и вызывают жёсткую критику. Ввиду низкой эффек­тивности этой антенны на многих участ­ках телевизионного диапазона частот её неотъемлемой частью служит антен­ный усилитель.  Его вход не имеет ника­кой защиты от перегрузок, поэтому по­вредить такую антенну может любая непогода с грозой. Нелинейность уси­лителя часто приводит к интерферен­ционным помехам при приёме телеви­зионных передач. Особенно, если в условиях отсутствия надёжной инфор­мации и разумных рекомендаций уси­литель выбран из широкого ассорти­мента имеющихся случайным образом. Из-за разрушения пластиковых деталей антенны от ультрафиолетового облуче­ния и ненадёжного крепежа случается и выпадение директорных структур, за счёт чего снижается коэффициент усиления антенны.

Однако потенциал поиска альтерна­тивных «польской сетке” технических решений, не уступающих ей как по электрическим параметрам, так и по габаритам, но более простой и надёж­ной конструкции, далеко не исчерпан. Предлагаемая ниже широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна может стать вариан­том антенны для приёма цифрового телевидения в дециметровом диапазо­не волн [5].

Отличительная особенность этой антенны — её активное полотно сим­метрично перегнуто по линии, перпен­дикулярной к плоскости, проходящей через его общую диагональ, и располо­жено перед рефлектором с уклонами плоскостей верхних и нижних ромбов к центру. Уклоны образованы за счёт раз­ности расстояния незамкнутых вершин ромбов в центре антенны от рефлекто­ра, соизмеримого с 0,2 минимальной длины волны рабочего диапазона (λ_min) и расстояния незамкнутых внешних вершин ромбов от рефлектора, соиз­меримого с 0,2 максимальной длины волны этого диапазона (λ_max).

Длина рёбер ромбов полотна равна 0,5 λ_ср, как и у предложенной в [ 1 ] антен­ны, но они выполнены в виде набора проводников, которые расположены в плоскостях своих ромбических элемен­тов. Проводники сведены в незамкнутых вершинах ромбов, а в удалённых от общей диагонали вершинах веерно разведены на расстояние около 0,1 λ_max и замкнуты между собой перемычками. Средние части проводников, образую­щих рёбра, также соединены перемыч­ками между собой, а проводниками-шунтами, лежащими в плоскости, пер­пендикулярной вертикальной оси реф­лектора, — с точками на этой оси.

Соединение точек питания ан­тенны с коаксиальным кабелем снижения может быть выполнено через антенный усилитель (если телевизионный сигнал слишком слаб), но проще всего присоеди­нить кабель непосредственно к антенне через типовой широкополосный балун 300/75 Ом.

Широкополосная направлен­ная зигзагообразная квазишунтовая антенна эскизно показана на рис. 1. В отличие от других кон­струкций, здесь наглядно выделя­ются диапазонное устройство ромбических элементов за счёт уширения структур проводников сторон и изменение расстояния от активного полотна антенны до рефлектора по длине полотна.

Рис. 1

В низкочастотной части ра­бочего диапазона длина рёбер ромбов соизмерима с 0,25 λ_max. Разомкнутые вершины ромбов зашунтированы соединёнными у рефлектора проводниками-опорами. Более короткие проводни­ки-опоры, замкнутые у рефлекто­ра, шунтируют точки питания А-А ромбических элементов и норма­лизуют входное сопротивление антенны. В этой части диапазона антенна работает подобно клас­сической биквадратной рамочной антенне Харченко с повышенным входным сопротивлением.

В высокочастотной части ра­бочего диапазона антенна рабо­тает подобно классической укороченной ромбической антенне со сведением диаграмм направ­ленностей поперечно расположенных ромбов за счёт угла меж­ду ними. В среднечастотной части рабочего диапазона с рёбрами ромбов длиной, соизмеримой с 0,5 λ_ср, антенна работает в проме­жуточном между двумя описанны­ми режиме с увеличенной аперту­рой. Шунты обеспечивают искус­ственные нулевые точки и гальва­ническое соединение активного элемента антенны с обычно хоро­шо заземлённым рефлектором, а также за счёт V-образной конфигурации участвуют в работе антенны с поляризацией, соответствующей поля­ризации активного полотна.

Активное полотно симметрично пе­регнуто и расположено перед рефлек­тором с уклонами к центру. Это обес­печивается за счёт изменения расстоя­ния между ромбическим элементом и рефлектором от 0.2 λ_min до 0,2 λ_max, что создаёт зависимость положения рабо­чих зон активного полотна и рефлектора от рабочей частоты, а также обеспечи­вает сведение диаграмм направленнос­тей половин активного полотна. Всё это в комплексе позволяет получить широ­кополосную антенну с двукратным пере­крытием по частоте, и КСВ в этой поло­се — не более 2. Обеспечивается одно­направленность приёма с большим отно­шением фронт/тыл. Конструкция антен­ны не требует применения изоляторов.

Работа широкополосной направлен­ной зигзагообразной квазишунтовой антенны промоделирована с помощью программы ММАNА в диапазоне частот 475…825 МГц. На рис. 2 изобра­жена расчётная диаграмма направленности антенны на частоте 650 МГц. В горизон­тальной плоскости она имеет ширину 60°, в вертикальной плоскости — 34° (по уровню — 3 дБ).

Рис. 2

На рис. 3 изображена за­висимость КСВ антенны от частоты при волновом сопро­тивлении снижения 300 Ом. Лишь на высокочастотном краю диапазона он немного превышает 2, что свидетельствует о хорошем согласо­вании.

Рис. 3

Синей линией на рис. 4 изображена расчётная зави­симость коэффициента уси­ления антенны от частоты. Он изменяется в интервале 9,5…11,5 дБ с максимумом в районе центральной частоты рабочего диапазона. Красной линией изображена раз­ность коэффициентов усиле­ния при приёме сигналов с основного направления и из противоположного ему сек­тора шириной 120°. В боль­шей части диапазона эта разность превышает 13 дБ.

Рис. 4

Описанная антенна для работы в диапазоне от 470 до 810 МГц была изготов­лена на основе рефлектора «польской сетки”, уменьшен­ного по ширине до 36 см за счёт отрезания участков по­перечных проводников его боковых створок от крайних до следующих вертикальных стоек. Для простоты изготовления рёбра ромбических элементов были выполнены из алюминиевых пластин толщиной 2 мм (рис. 5). Продольные «проводники» имеют ширину 4…6 мм, а пе­ремычки между ними — 8…10 мм. Для изготовления полотна антенны требуется четыре идентичных полуромба с дли­ной рёбер 252 мм.

Рис. 5

Не исключено крепление ромбиче­ских элементов к согнутой в месте рас­положения точек питания планке из оргстекла или стеклотекстолита, при­креплённой резьбовыми шпильками к рефлекторной сетке. Но в этом случае необходимо дополнительно соединить средние части сторон ромбов с реф­лектором расположенными перпенди­кулярно плоскости последнего провод­никами-шунтами. Кроме того, необхо­димо обеспечить расстояние от точек питания полотна до рефлектора 60 мм, а от разомкнутых вершин ромбов до рефлектора — 140 мм.

Наиболее технологично, надежно и практично было бы закрепить активный элемент на самих проводниках-шунтах, выполненных в виде шпилек двух раз­меров с резьбой на концах. Расстояния от плоскости рефлектора до перемы­чек на сторонах ромбов должны быть равны соответственно 135 и 105 мм. Для крепления шпилек к рефлектору можно использовать алюминиевую трубу прямоугольного сечения от “польской сетки” или алюминиевый уголок.

Чтобы зафиксировать расчётное разведение полуромбов на 15 мм в ра­зомкнутых вершинах, в этих местах между ними можно вставить диэлектри­ческие распорки, закрепив их отрезка­ми термоусаживаемой трубки подходя­щего диаметра.

Сведённые в центре верхний и ниж­ний ромбы скрепляют между собой винтами М3 с гайками. При присоеди­нении коаксиального кабеля снижения через балун они будут дополнительно зафиксированы за счёт штатного креп­ления к последнему.

Для сравнения на фотоснимке рис. 6 рядом изображены “польская сетка” и описанная антенна.

Рис. 6

Литература:

1. Филичев Ю. Зигзагообразная активная антенна ДМВ с разомкнутыми элементами. — Радио, 2012, N5 3, с. 8—11.
2. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны т. 1. —М.: ЛАЙТ Лтд, 2000.
3. Харченко К. Диапазонная антенна. — Патент SU № 138277от 01.01.1961.
4. Сомов Д., Шаповалов Е. Проволочна; антенна. — Патент на изобретена №2189093 от 10.09.2002.
5. Милкин В., Калитёнков Н., Лебедев В., Шульженко А., Боброва К. Широко полосная направленная зигзагообразна; квазишунтовая антенна. — Решение о выдаче патента от 21.01.2016 по заявке на изобрете ние № 2015108979 от 13.03.2015.

Автор: Н. КАЛИТЁНКОВ, В. ЛЕБЕДЕВ, В. МИЛКИН, А. ШУЛЬЖЕНКО, г. Мурманск
Источник: Радио №9/2016