Широкополосная резонансная антенна “Ласточка”

Рассмотренная в статье антенна может быть ис­пользована, в первую очередь, в качестве антенны для цифрового эфирного телевидения стандартов DVB—T2, DVB-Т, цифровых систем радиосвязи, а также в качестве ректенны — антенны для прямого преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, и т.п.

Так как в Украине в 2015 г., согласно планам, со­стоится полный переход с аналогового эфирного те­левизионного вещания на цифровое в стандарте DVB-Т2, с трансляцией программ в дециметровом диапазоне, приобретение или изготовление антенны для приема программ в метровом диапазоне частот теряет смысл. Поэтому автором была разработана и изготовлена антенна «Ластівка», рассчитанная для приема цифрового телевидения стандарта DVB-Т2.

Первую конструкцию антенны в форме полу­волнового разрезного вибратора предложил Ген­рих Герц, когда он экспериментально в 1887-1888 годах подтвердил существование электромагнит­ного поля с помощью искрового передатчика.

Преимуществом антенны в форме прямого по­луволнового разрезного вибратора является ее простота. Входное сопротивление такой антенны в резонансном режиме близкое к 75 Ом. Антенна имеет широкую диаграмму направленности. При этом она может быть непосредственно подключе­на к коаксиальному кабелю с волновым сопротив­лением 75 Ом без применения согласующего ус­тройства.

Недостаток этой антенны — узкая полоса частот, в которой она работает в резонансном режиме.

За прошедшие 128 лет количество конструкций антенн заметно возросло. Наиболее близкой по принципу действия к рассмотренной ниже антенне является всеволновая антенна с кабель­ной линией передачи [1 (с.58, 59)].

Антенна диапазонная. Для каждого диапазона необходимо использовать отдельный полуволно­вой вибратор из отрезков проводников.

Основное достоинство этой антенны заключа­ется в том, что полуволновые вибраторы из отрез­ков проводников работают в режиме, близком к резонансному.

Все же она имеет и недостаток, который обусловлен тем, что при использовании ее для приема сигналов в широком диапазоне ча­стот, например цифрового эфирного теле­видения стандарта DVB-Т2 с числом каналов 32 и больше, конструкция антенны значи­тельно усложняется за счет необходимости увеличения количества отдельных полувол­новых вибраторов, которые требуют очень точного соблюдения размеров.

Одной из последних патентованных конструкций антенн, лишенных этого недостатка, стала антенна «Ластівка».

Антенне дано название «Ластівка» («Swallow» — англ., «Ласточка» — рус.), так как по внешнему ви­ду она ассоциируется с раскрытыми острыми уз­кими крыльями ласточки.

Чертеж этой широкополосной резонансной ан­тенны для приема цифрового эфирного телевиде­ния стандарта DVB-T2 показан на рис.1.

Она выполнена на основе полуволнового пря­мого разрезного вибратора, активные элементы которого изготовлены в форме двух одинаковых треугольников из тонкого электропроводного ма­териала, размещенные на плоскости зеркально друг относительно друга. При этом ближние к оси симметрии FF1 антенны углы а треугольников ог­раничены двумя сторонами, одна из которых вы­числяется по формуле:

a=a1=0,95k(λmin/4-d/2),

а другая вычисляется по формуле:

b=b1=λmax/4,

где λmin и λmах — минимальная и максимальная длины волн, на которые рассчитана антенна, k — коэффициент ее укорочения. Углы α могут при­нимать значения: 0 < α <= 45°.

Активные элементы антенны для приема сигна­лов с длиной волн λmin и λmах будут смещены в плоскости антенны относительно горизонталь­ной оси максимально на углы α/2=±22,5°. Для ди­апазона дециметровых волн оптимальным будет расположение активных элементов полуволново­го разрезного вибратора между собой на рассто­янии d = 10 мм.

Активные элементы полуволнового разрезно­го вибратора выполнены из тонкого электропро­водного материала, например тонкой медной фольги на печатной плате или полированных пла­стин, в форме двух одинаковых треугольников (см. 1 и 2 на рис.1), расположенных между собой зер­кально относительно оси FF1 .

Сигналы с выхода антенны снимаются фидером 3, который представляет собой коаксиальный ка­бель с волновым сопротивлением 75 Ом. Он под­ключен к вершинам треугольных активных элемен тов с углами а при этих вершинах (рис.1). Другой конец этого кабеля подключен к антенному входу телевизора.

Для обеспечения оптимального приема сигна­лов во всем рабочем диапазоне частот полуволно­вым разрезным вибратором его активные элемен­ты необходимо ориентировать перпендикулярно направлению принимаемого сигнала. Ось телеви­зионной антенны FF1 вертикальна, а плоскость ан­тенны ориентируется на телецентр, при размеще­нии горизонтальной оси (биссектрисы углов а треугольников 1 и 2) строго горизонтально.

Заметим, что на концах антенны возникает ем­костной ток, что эквивалентно увеличению элект­рической длины антенны. Поэтому действительная геометрическая длина полуволнового вибратора должна быть незначительно уменьшена по отно­шению к электрической длине. В действительно­сти коэффициент укорочения антенны трудно оп­ределить точно, так как на него влияют высота подвеса антенны, близко размещенные предметы, дома, деревья и т.п. Кроме того, для ультракоротковолнового (УКВ) диапазона частот коэффициент укорочения к зависит от соотношения длины вол­ны λ к диаметру h проводника вибратора: k=λ/h. Для данного диапазона частот на практике реко­мендовано в расчетах длины полуволнового раз­резного вибратора принимать k=0,94 [1 (с. 11, 12)].

Исходя из этого, в нашем случае геометриче­ские размеры сторон а и а1 треугольников 1 и 2, для обеспечения качественной обработки сигна­ла с частотой Ттах, немного уменьшены и выбра­ны равными: а=а1=0,95k(λmin/4-d/2).

При приеме сигнала с несущей частотой fmах воз­буждаются электропроводные участки OD и O1D1 внутри треугольников 1 и 2 активных элементов ви­братора соответственно. Геометрические размеры р такого воображаемого полуволнового разрезного вибратора для этой частоты сигнала составляют: р=k·λmin/2. При этом выполняется соотношение р>а+а1+d, и антенна принимает сигналы децимет­рового диапазона с частотой fmах в режиме резонан­са. Она имеет сопротивление такое же, как и полу­волновой разрезной вибратор, близкое к 75 Ом.

Электропроводные участки активных элемен­тов этого полуволнового вибратора возбуждают­ся на его поверхности в режиме скин-эффекта и воображаемый диаметр проводника h вибратора можно считать бесконечно тонким. С учетом это­го факта и при расположении антенны высоко над землей ее входное сопротивление будет прибли­жаться к значению 73 Ом [1 (с. 12)].

Скин-эффект объясняется тем, что под действи­ем внешнего переменного поля в проводнике сво­бодные электроны создают ток, поле которого компенсирует внешнее поле в объеме проводника. Известно, что скин-эффект характеризуется зату­ханием электромагнитных волн по мере их проник­новения в глубину проводника. При этом перемен­ное во времени электрическое поле и связанное с ним магнитное поле не проникают в глубину про­водника, а сосредоточены преимущественно в от­носительно тонком поверхностном слое.

Поэтому для повышения эффективности антен­ны, уменьшения толщины активных элементов при ее изготовлении необходимо использовать метал­лы с высокой электропроводностью: медь, алюми­ний, серебро, золото, подобные металлы и сплавы.

Для обеспечения качественной обработки сиг­нала с частотой fmin=1/λmax телевизионного ка­нала, длина волны которого равна λmах, геомет­рические размеры сторон b и b1 треугольников 1 и 2 незначительно увеличены и выбраны как b=b1=λmах/4.

При этом возбуждаются электропроводные участки ОН и O1Н1 внутри треугольников 1 и 2 со­ответственно. Геометрические размеры в такого полуволнового разрезного вибратора для этой ча­стоты можно определить по формуле:

S=k·λmах/2.

При этом выполняется неравенство: s<b+b1+d.

Антенна принимает сигналы с частотой fmin в ре­зонансном режиме и имеет входное сопротивле­ние близкое к 75 Ом.

Аналогичные процессы происходят при приеме какого-либо иного сигнала с несущей частотой fm≈1/λm, которая лежит в диапазоне рабочих ча­стот антенны. При этом на поверхности активных элементов вибратора возбуждаются электропро­водные участки ОМ и O1М1 внутри треугольников 1 и 2. Геометрические размеры g такого вибрато­ра для этой частоты сигнала составляют:

g≈k·λm/2=m+m1+d.

Во всем диапазоне рабочих частот антенны во­ображаемые полуволновые разрезные вибраторы настраиваются автоматически в резонанс, в том числе и при изменении их размеров от температу­ры, без регулирования параметров такой антенны.

Из изложенного выше можно сделать следую­щие выводы:

• антенна «Ластівка» является широкополосной;
• она имеет внутреннее сопротивление близкое к 75 Ом и работает в резонансном режиме во всем диапазоне рабочих частот, на который она рассчи­тана, и широком диапазоне температур окружаю­щей среды.

Так как все типы антенн являются фактически раз­ными модификациями или комбинациями полувол­нового вибратора, то геометрические размеры сто­рон а, b и а1, b1 могут быть пропорционально изменены без изменения угла а. При этом она мо­жет превратиться в антенну типа волнового разрез­ного вибратора, а при изменении ее геометрии — в двухзаходную или многозаходную спиральную антенну и т.п.

Эта антенна может быть выполнена на поверх­ности 2-го порядка, например, цилиндрической. На ее основе может быть создана антенная решетка.

По отношению к антенне, известной под назва­нием «Бабочка», входное сопротивление которой около 200 Ом, рассмотренная антенна будет, по меньшей мере, в 2 раза меньше по размерам и иметь меньшую парусность, при большей эффек­тивности, за счет согласованности элементов те­левизионной антенны и нагрузки без введения до­полнительных согласующих устройств.

При расчете геометрических размеров этой ан­тенны для приема сигналов в диапазоне частот 100…3600 МГц, стороны активных элементов треугольников 1 и 2 составят: а=а1≈1,4 см, b=b1≈75 см, при 0<б<≈45°.

Технологически такую антенну можно изготовить химическим травлением фольги на гибком диэлек­трике. При этом ее можно разместить внутри сало­на автомобиля на ветровом и/или заднем стекле и т.п. Коэффициент перекрытия частот такой резо­нансной антенны будет составлять: fmax/fmin=36.

Для экспериментальной проверки качества ра­боты рассмотренной выше антенны при приеме цифрового эфирного телевидения стандарта DVB-Т2 был изготовлен ее рабочий макет (фото 1) с от­клонением некоторых параметров от расчетных.

Трансляция телевизионных программ в деци­метровом диапазоне частот, в общем случае, ве­дется в диапазонах 4, 5 (каналы 21-80).

Полоса частот 21 канала составляет 470,489…478,489 МГц, а 80 канала — 942,494… 950,494 МГц. Следовательно, минимальная частота ра­бочего диапазона ДМВ составляет fmin= 470,489 МГц, а максимальная — fmax=950,494 МГц. Коэффици­ент перекрытия частот Kпер=fmax/fmin=950, 494/470, 489-2,02.

Соответствующие частотам длины волн найдем по формуле: λ (м)=300/f (МГц).

При этом λmax=300/470, 489=0,6376 м ≈ 0,64 м = 64 см.

Аналогично λmin=300/950,494=0,3156 м ≈ 0,32 м = 32 см.

В соответствии с приведенными выше форму­лами и чертежом (рис.1), стороны активных эле­ментов антенны — вибраторов, при значении d=1 см должны быть:

а=а1=0,95k(λmin/4-d/2)=0,95-0,94(32/4-1/2) ≈ 6,7 см.

Соответственно стороны b=b1 =λmах/4=64/4= 16 см.

Углы а между сторонами а и b и а1 и b1 актив­ных элементов вибраторов примем равными при­близительно 30°.

Диапазон частот местного ретранслятора ци­фрового эфирного телевидения стандарта DVB-T2 составляет 474.. .698 МГц. Для этого диапазона ча­стот стороны активных элементов антенны а и а1 были увеличены приблизительно до 7,5 см.

Активные элементы вибратора треугольной формы изготовлены из медной фольги, толщиной 0,2 мм и наклеены на пластмассовую заготовку. Стороны b=b1=λmax/4=16 см вибраторов распо­ложены горизонтально.

К антенне припаян коаксиальный кабель с вол­новым сопротивлением 75 Ом, длиной 6,0 м. Вто­рой конец кабеля соединен с антенным входом ци­фрового эфирного DVB-T2 ресивера Strong 8500.

Через выход HDMI ресивера цифровой телеви­зионный сигнал подается на вход HDMI жидкокри­сталлического телевизора LG 32LE5500.

Расстояние от антенны до телетранслятора со­ставляет 1,25 км.

Прием ведется в густо засаженном высокими деревьями районе.

Высота антенны над поверхностью Земли ≈ 6,5…7,0 м. Она расположена внутри застек­ленного балкона, полотном вдоль стены дома, и отклонена в сторону по горизонтали от прямо­го оптимального направления на телецентр при­близительно на 23°.

Для оценки уровня мощности и качества при­нятого сигнала на пульте дистанционного управ­ления ресивера Strong 8500 необходимо два ра­за нажать кнопку «i».

На экране телевизора отобразится название выбранного канала (например, «Тонис»), частота, уровень мощности и качество принятого сигнала (фото 2). Следует отметить, что уровень мощности при­нятого сигнала зависит от влажности воздуха.

Так, в один из дней, согласно информации сай­тов погоды, при влажности воздуха 90… 100%, уро­вень мощности принятого сигнала канала «2+2» снизился до 93%, при качестве воспроизведения картинки на экране — 100%.

Макет широкополосной резонансной антенны «Ластівка» на протяжении эксплуатации с марта 2013 г. по данное время показал стабильную рабо­ту в широком диапазоне влажности воздуха, темпе­ратуры.

Нарушений приема телевидения в приведенных выше условиях в виде «рассыпания» изображения, «тиканья» звука, характерных при недостаточном уровне сигнала из-за ухудшения погодных условий или других дестабилизирующих факторах, ни на одном из 32 каналов, в том числе и HD качества (на каналах «Тонис», «112.UA» и др.), не выявлено.

Размещенные сзади антенны металлические и другие предметы практически не влияют на уро­вень и качество принятого сигнала. По сравнению с, так называемой, «польской» антенной, антенна «Ластівка» на порядок меньше ее по размерам и на два порядка по металлоемкости (см. фото в на­чале статьи).

После проведения ГП «Украинский институт про­мышленной собственности» квалификационной экс­пертизы, по сути, материалов заявки с учетом име­ющихся ближайших аналогов (Украина, США, Россия, Великобритания, Япония) [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] автору выдан патент Украины на изобретение.

Литература

1. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. — 3-е изд. доп. — М.: Энергия, 1979.
2. Патент UA 81652 С2, 25.01.2008.
3. Патент US 2175253 А, 10.10.1939.
4. Патент RU 2081486 С1, 10.06.1997.
5. Патент GB 1012888 А, 08.12.1965.
6. Патент JP 2005192050 А, 14.07.2005.
7. Патент US 6424309 В1, 23.07.2002.
8. Патент JP 2012253808 А, 20.12.2012.

Автор: Владимир Погребняк, г. Желтые Воды, Днепропетровской обл.

Источник: Радиоаматор № 6,  2015