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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Outdoor-TV-Antennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Fernsehantennen Aufgrund des rasanten Wachstums der Zahl der Fernsehsender ist es sehr schwierig, einen qualitativ hochwertigen Empfang aller Fernsehprogramme sicherzustellen. Zunächst kommt es auf die verwendeten Antennen an. Daher werden im Folgenden ihre wichtigsten Designs betrachtet, die der Autor unter verschiedenen Bedingungen getestet hat. Aber erinnern wir uns zunächst an die grundlegenden Informationen zu Fernsehfrequenzen, Reichweiten und Kanälen. Die Fernsehfrequenzen umfassen den Bereich 48,5 ... 790 MHz. Sie sind in Meter- (Kanäle 1-12, Frequenzen 48,5 ... 230 MHz) und Dezimeter-Bereiche (Kanäle 21-60, Frequenzen 470 ... 790 MHz) unterteilt. Ein Fernsehkanal belegt ein Frequenzband von 8 MHz. Um die Betriebswellenlänge von Antennen zu berechnen, empfiehlt es sich, die Trägerfrequenz des Bildes zu wählen, da das Bildsignal amplitudenmoduliert ist, anfälliger für Störungen und eine stärkere Verstärkung erfordert als ein frequenzmoduliertes Audiosignal. Die Bildträgerfrequenz für den 1. und 2. Fernsehkanal beträgt 49,75 bzw. 59,25 MHz. Für den 3.-5. Kanal wird er (in Megahertz) wie folgt berechnet: fn.iz = 77,25 + (N-3)x8, wobei N die Kanalnummer ist; für den 6.-12.: fn.out=175,25+(N-6)x8 und für den 21.-60.: fn.out=471,25+(N-21)x8 Die Mittenfrequenz des Kanalbandes kann durch Addition von 2,75 zum Bildträgerwert ermittelt werden. Die Tonträgerfrequenz ist 6,5 MHz höher als die Bildträgerfrequenz. Die Betriebswellenlänge L (in Metern) in Luft in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz f (in Megahertz) wird durch die Formel l=300/f bestimmt. Bei anderen Dielektrika ist die Wellenlänge kürzer (z. B. bei Polyethylen um das 1,52-fache). Diese Tatsache muss bei der Herstellung resonanter Elemente passender Geräte aus einem koaxialen Polyethylenkabel berücksichtigt werden. Nun ein wenig zum Design der Antennen. Als Material für ihre Herstellung empfiehlt sich die Verwendung von Rohren, Stäben, Bändern, Ecken und Drähten aus Metallen und Legierungen mit guter elektrischer Leitfähigkeit (Kupfer, Aluminium, Messing). Die Breitbandigkeit der Antenne hängt von der Oberfläche der aktiven Elemente ab: Je größer die Fläche (je größer der Durchmesser der Röhren bzw. die Breite der Streifen), desto breiter wird die Antenne (aber auch schwerer). Es wird nicht empfohlen, die Quergröße der Elemente (Röhren, Stäbe) der Antenne kleiner als 1/200 der Wellenlänge zu wählen, bei der sie arbeitet, da dies die elektrischen Parameter und die mechanische Festigkeit erheblich beeinträchtigt. Die Breite der Streifen wird 1,5 ... 2-fach des empfohlenen Durchmessers von Rohren oder Stäben gewählt, die Dicke beträgt 2 ... 3 mm. Die Oberfläche der Elemente muss eben und glatt sein. Für den UHF-Bereich werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn Elemente aus einem Material mit polierter Oberfläche verwendet werden, da HF-Ströme nur in deren Oberflächenschicht induziert werden. Wenn es erforderlich ist, die Antennenelemente zu biegen, geschieht dies vorsichtig, indem Textolith- oder Holzstücke unter die Schraubstockbacken gelegt werden, um die Oberfläche nicht zu beschädigen. Zuvor müssen die Rohre dicht mit Sand gefüllt und mit Holzstopfen verschlossen werden. Bei der Installation von Antennen außerhalb der Einwirkung von Blitzableitern bieten sie einen zuverlässigen Blitzschutz [1]. Darüber hinaus ist es notwendig, die elektrischen Anschlüsse und die Stellen, an denen das Kabelgeflecht aus der Außenisolierung austritt, sorgfältig abzudichten und mit wasser- und hitzebeständigen dielektrischen Lacken oder Harzen zu füllen. Um die Antenne genau in die gewünschte Richtung auszurichten, sollte das Signal am TV-Eingang mit einem Dämpfungsglied mehrmals gedämpft werden. Gleichzeitig stellt das AGC-System des Fernsehgeräts seinen Betrieb ein und das Maximum des empfangenen Signals wird deutlicher spürbar. Und schließlich zu den Antennen selbst. Beginnen wir mit Schmalband. Sie sind für den Empfang eines oder mehrerer Fernsehkanäle ausgelegt, sofern sich deren Frequenzen um nicht mehr als 5 ... 10 % unterscheiden. In diesem Fall wird die Antenne für die geometrische mittlere Frequenz berechnet, die als Quadratwurzel aus dem Produkt der Frequenzen jedes Kanals berechnet wird, oder für die Signalfrequenz des schwächeren Kanals. Auch Antennen werden in einfache und komplizierte unterteilt [2]. Letzteres kann neben einem aktiven Element einen Reflektor, Direktoren und sogar weitere aktive Elemente enthalten. Die einfachsten Antennen empfangen gleichermaßen sowohl ein Direktsignal als auch ein Signal, das aus der Gegenrichtung vom Fernsehzentrum kommt. Sie haben die geringste Verstärkung (und Richtwirkung). Daher ist ihr Einsatz in der Regel auf einen geringen Abstand von der Sendeantenne ohne reflektierte Signale beschränkt (optisch erscheinen sie auf dem Fernsehbildschirm als Mehrfachkontur oder Unschärfe des Bildes). Die einfachsten Antennen umfassen einen „linearen Halbwellen-Split-Vibrator“ [1, 2], schematisch dargestellt in Abb. 1. Es hat eine Eingangsimpedanz bei Resonanzfrequenz von etwa 75 Ohm. Es ist seine Verstärkung, die normalerweise bedingt mit 0 dB angenommen wird. Der Vibrator besteht aus Rohren, Stäben oder Streifen. Der Durchmesser d der Röhren wird für MV mit 20 ... 30 mm und für UHF mit 6 ... 12 mm gewählt. Der Abstand zwischen den Enden der Rohre l sollte gleich der halben Arbeitswellenlänge der Antenne sein, multipliziert mit dem Geschwindigkeitsfaktor, der vom Verhältnis des Rohrdurchmessers zur Arbeitswellenlänge abhängt. Für Verhältnisse von 0,001 und 0,003 betragen die Koeffizientenwerte 0,96 bzw. 0,95. Steigt er auf 0,005 oder mehr, reduziert sich der Koeffizient auf 0,94. Der Abstand L wird im Bereich von 50 ... 80 für MV und 20 ... 30 mm für UHF gewählt. Um den maximalen Signalpegel zu erreichen, wird der Vibrator horizontal in einer Ebene senkrecht zur Empfangsrichtung platziert (mit horizontaler Polarisation der Senderwellen).
Beim Anschluss der Antenne an die Einspeisung wird ein „Viertelwellenschleifen“-Anpassgerät gemäß dem in Abb. gezeigten Schema verwendet. 2, das aus einem kurzgeschlossenen Kabelstück mit einer Länge lsh besteht, die einem Viertel der Wellenlänge entspricht, auf die die Antenne abgestimmt ist (unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors). Der Abstand D für den MV-Bereich beträgt 50 ... 80 und für den UHF-Bereich 20 ... 30 mm.
Eine weitere einfache Antenne ist der „Halbwellen-Pistohlkors-Vibrator“ [1, 2], dargestellt in Abb. 3 hat eine Eingangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz von 295 Ohm. Die Antenne besteht wie ein Split-Vibrator aus Rohren, Stäben oder Streifen. Der Biegeradius spielt keine Rolle, Biegungen sind im rechten Winkel möglich. Der Hauptvorteil des Pistohlkors-Vibrators gegenüber dem Split-Vibrator besteht darin, dass er am Symmetriepunkt null Potential hat und an diesem Punkt ohne Isolatoren am Mast befestigt werden kann. Der Vibrator wird ebenfalls horizontal in einer Ebene senkrecht zur Empfangsrichtung platziert.
Die Antenne hat eine größere Bandbreite als ein Split-Vibrator und verfügt über eine bessere Störfestigkeit. Die Abmessungen l, L, d werden wie bei einem geteilten Vibrator gewählt. Bei der Berechnung des Verkürzungskoeffizienten des Pistohlkors-Vibrators wird jedoch anstelle des Rohrdurchmessers ein Wert verwendet, der dem Doppelten der Quadratwurzel des Produkts aus dem Rohrdurchmesser d und der Größe S im Vibrator entspricht. Letzterer beträgt 80 ... 100 für MV und 40 ... 50 mm für UHF. Um die Antenne an die Zuleitung anzuschließen, verwenden Sie die in Abb. 4 Anpassungsgerät „U-Winkel“, hergestellt aus einem Stück Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 75 Ohm. Die Länge lsh entspricht der halben Wellenlänge, bei der die Antenne arbeitet, geteilt durch den Verkürzungsfaktor für ein Polyethylenkabel (1,52). Das Gerät wird an den Punkten A und B mit dem Vibrator verbunden.
Es ist möglich, den Einfluss des reflektierten Signals zu verringern und den Gewinn der einfachsten Antennen leicht zu erhöhen, indem man sie beispielsweise komplizierter macht, indem man einen Reflektor hinter dem aktiven Vibrator (in Richtung von der Fernsehmitte) platziert, wie in Abb. 5 für die „Wellenkanal“-Antenne, die weiter unten besprochen wird. Die Länge der Reflektorelemente sollte um 5...15 % größer sein als die Länge des Vibrators l, und der Abstand vom Vibrator zum Reflektor sollte im Bereich von 0,15...0,2 der Betriebswellenlänge gewählt werden.
Rahmenantennen [1], dargestellt in Abb. 6 und 7 haben gute Parameter bei relativer Einfachheit des Geräts. Ihre Eingangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz beträgt 73 Ohm, die Verstärkung beträgt 3,5 dB. Sie sind auf die gleiche Weise positioniert wie der Pistolkors-Vibrator, um den maximalen Signalpegel zu erzielen.
Für eine unvollständige Zick-Zack-Antenne (Abb. 6) wird der Abstand a gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge gewählt. Bei einer Ringantenne (Abb. 7) ist der Umfang l gleich der Wellenlänge, bei der sie arbeitet. Für beide Antennen beträgt der Abstand L 10 ... 15 für MV und 7 mm für UHF. Rahmenantennen sind über eine „Viertelwellen-Kurzschlussschleife“ mit der Einspeisung verbunden (siehe Abb. 2). Wenn ein stark reflektiertes Signal den Empfang von der Seite entgegen der Richtung zur Fernsehmitte stört, kann sein Einfluss deutlich reduziert werden, indem hinter der Antenne ein reflektierender Schirm angebracht wird, wie in Abb. 8. Dadurch erhöht sich auch der Antennengewinn um ca. 3 dB.
Konstruktiv besteht der Schirm aus den gleichen Elementen wie das Antennennetz selbst, es können jedoch auch dünnere Leiter verwendet werden. Die Breite a und Höhe b des Schirms sind 5...10 % größer als die entsprechenden Gesamtabmessungen der Antenne. Der Abstand D zwischen den Elementen des Bildschirms beträgt nicht mehr als 0,1 der Arbeitswellenlänge und C zwischen der Antennenfolie und dem Bildschirm beträgt 0,21 ... 0,27 Wellenlängen. Schirmelemente werden nur in der Mitte am Mast befestigt. Die komplette Zick-Zack-Antenne, dargestellt in Abb. 9 ist auch nicht schwer herzustellen [1]. Es besteht aus zwei unvollständigen (siehe Abb. 6). Es besteht aus Rohren, Stäben, Bändern oder zwei oder drei Kupferdrähten mit einer Dicke von 2 ... 3 mm, die im Abstand von 5 ... 10 für UHF und 20 ... 50 mm für MV parallel angeordnet sind. Die Eingangsimpedanz der Antenne bei der Resonanzfrequenz beträgt 73 Ohm. Verstärkung - 6 dB.
Die Antenne wird ohne Anpassungsgeräte direkt an den Punkten A und B an das Stichkabel angeschlossen. Die Zuleitung wird auf einer Seite der Antenne verlegt. Wenn es erforderlich ist, den Gewinn zu erhöhen und den Einfluss reflektierter Signale zu verringern, wird wie bei Rahmenantennen ein Reflektorschirm installiert. Eine Steigerung des Gewinns einer Zick-Zack-Antenne wird durch Mehrelementsysteme, Antennen mit offenen Extremelementen und einem Winkel größer 90° erreicht [3]. Die „Triple Square“-Antenne [4] bezieht sich auf komplizierte Designs und ist eine Mischung aus einer Rahmenantenne und einem „Wellenkanal“. Es ist in Abb. dargestellt. 10. Seine Eingangsimpedanz beträgt 70 Ohm, die Verstärkung beträgt 8 dB. Die Antenne besteht aus drei quadratischen Elementen: einem Reflektor (P), einem aktiven Vibrator (B) und einem Direktor (D). Die Elemente bestehen aus Stangen, Drähten, Rohren oder Bändern mit einer Querabmessung von mindestens 3 mm für DMV und 10 mm für MV. Die Seiten der Quadrate P, B und D entsprechen jeweils 0,32, 0,25 und 0,22 der Arbeitswellenlänge. Der Abstand a zwischen Reflektor und Vibrator beträgt 0,16 und zwischen Vibrator und Direktor b beträgt 0,11 der Arbeitswellenlänge.
Bei der Herstellung der Antenne müssen die Ebenen der Quadrate parallel sein und ihre Mittelpunkte müssen auf derselben Achse liegen. Sie können die Steifigkeit der Antenne erhöhen, indem Sie zusätzlich zur oberen Metalltraverse dielektrische Abstandshalter zwischen den Quadraten anbringen. Der Abstand L beträgt für MV 40 und für UHF 15 mm. Die Antenne ist über ein „Viertelwellen-Kurzschluss“-Anpassgerät mit der Zuleitung verbunden (siehe Abb. 2). Die schlechtesten Ergebnisse bei der Vereinfachung der Antenne lassen sich erzielen, wenn man auf den Direktor verzichtet (Antenne „Doppelquadrat“), aber gleichzeitig die Seite des Reflektors P und den Abstand a auf 0,31 bzw. 0,18 Wellenlängen ändert. Die Eingangsimpedanz einer solchen Antenne beträgt etwa 100 Ohm und der Gewinn ist 3 ... 4 dB schlechter als der des „Triple Square“. Noch komplexere Schmalbanddesigns umfassen die „Spindler Wave Channel“-Antenne [5], dargestellt in Abb. 5. Seine Eingangsimpedanz bei der Resonanzfrequenz beträgt 280 Ohm. Der Gewinn hängt von der Anzahl der Elemente ab (siehe Tabelle).
Eine solche Mehrelementantenne besteht neben einem aktiven Vibrator, der üblicherweise in Form eines Pistohlkors-Vibrators ausgeführt ist, aus mehreren passiven Direktorvibratoren mit abnehmender Länge, die sich vor dem aktiven Vibrator (in Richtung der Fernsehmitte) befinden, und einem Reflektorschirm, der dahinter in der entgegengesetzten Richtung zur Fernsehmitte angeordnet ist. Sie arbeitet nach dem Prinzip der „Wanderwelle“ und gilt als die effizienteste Schmalbandantenne. Allerdings ist es schwierig zu berechnen und erfordert Präzision in der Fertigung. Die Aufgabe der Direktoren besteht darin, das aus der Hauptrichtung kommende Nutzsignal zu verstärken, und der Reflektor hat die Aufgabe, die reflektierten und andere Störsignale zu dämpfen. Strukturell sind die Antennenelemente auf einer Traverse aus Metall oder Dielektrikum montiert, die über die erforderliche mechanische Festigkeit verfügt. Bei Verwendung einer Metalltraverse erhöht sich die Länge der Elemente um die Hälfte des Quermaßes der Traverse. Zur Berechnung der Antennenabmessungen werden komplexe Formeln oder vorgefertigte Computerprogramme verwendet. Eine dieser Sendungen wurde vom Autor selbst entwickelt und befindet sich auf der Website des Radiomagazins. Bei der Herstellung der Antenne sollte besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der genauen Abmessungen der Elemente, der Abstände zwischen ihnen und der Symmetrie der Antenne gelegt werden. Das Stichkabel wird über das „U-Winkel“-Anpassgerät (siehe Abb. 4) an die Punkte A und B des Pistohlkors-Vibrators angeschlossen. Breitbandantennen sind für den Empfang von Fernsehsignalen konzipiert, die sich in der Frequenz deutlich unterscheiden. Sie funktionieren ohne Abstimmung gut und decken manchmal die MV- oder UHF-Bänder und sogar alle MV- und UHF-Fernsehkanäle vollständig ab. Die einfachsten dieser Breitbandantennen sind Gossamer- und Zickzack-Antennen. Der Aufbau der Webantenne ist in Abb. dargestellt. 11. Eine ähnliche Antenne ist in [2] beschrieben. Seine Verstärkung beträgt 1,5 dB, die Eingangsimpedanz beträgt 73 Ohm. Eine solche Antenne verfügt über einen breiten Betriebsfrequenzbereich. Aufgrund der geringen Verstärkung ist der Einsatz jedoch auf den MW-Bereich beschränkt. Richten Sie die Antenne genauso aus wie jede einfache Antenne.
Antennenelemente bestehen aus Kupferdraht oder Messingstab mit einer Dicke von mindestens 3 mm. An den Verbindungsstellen der Drähte ist ein zuverlässiger elektrischer Kontakt gewährleistet. Die Antennenabmessungen werden für die niedrigste Frequenz des Bereichs gewählt, wie bei einem Halbwellen-Splitvibrator. Der Öffnungswinkel a wird zwischen 90 und 120° gewählt. Für die Antenne sind keine Anpassungsgeräte erforderlich – die Zuleitung wird direkt an die Punkte A und B angeschlossen. Die Zick-Zack-Antenne fällt klein aus, wenn sie im UHF-Bereich eingesetzt wird. Wie die in [6] beschriebenen Untersuchungen zeigten, ist es jedoch auch möglich, das Betriebsfrequenzband in einen niedrigeren Frequenzbereich zu erweitern, wenn zusätzliche in Abb. 9 gezeigte Elemente im Design verwendet werden. XNUMX gestrichelte Linie. In diesem Fall ist die Breitband-Zick-Zack-Antenne auf die höchste Frequenz des empfangenen Signals ausgelegt. Sehr oft (insbesondere in Gebieten abseits von Sendestationen) reicht der Gewinn einer Antenne für einen zuverlässigen Empfang nicht aus. Dabei kommen entweder Antennenverstärker oder Antennenarrays zum Einsatz [4]. Darüber hinaus ist die Verwendung des Letzteren vorzuziehen, da jeder Verstärker sein eigenes Rauschen und seine eigene Verzerrung in das Nutzsignal einbringt und eine sorgfältige Abstimmung mit recht komplexen Messgeräten erfordert. Das einfachste zweistöckige Array besteht aus zwei Antennen desselben Typs, deren aktive Elemente in derselben vertikalen Ebene liegen. Die Antennen müssen einen Abstand H voneinander (normalerweise vertikal) haben, der der Betriebswellenlänge entspricht. Der Gewinn eines solchen Arrays ist etwa 3 dB höher als der Gewinn einer einzelnen Antenne. Die besten Ergebnisse können mit einem Vier-Antennen-Array erzielt werden, das als Double-Deck-Double-Row-Array bezeichnet wird, wie in Abb. 12. In diesem Fall erhöht sich der Gewinn auf 6 dB im Vergleich zu einer Einzelantenne. Der Abstand H wird ebenfalls gleich der Arbeitswellenlänge gewählt. Häufig besteht das Array aus „Wellenkanal“-Antennen, seltener werden Rahmenantennen verwendet.
Um die Signale der einzelnen Antennen des Arrays zusammenzufassen, werden die Kabel von ihnen über Anpassungssysteme verbunden, die aus Segmenten eines Koaxialkabels mit unterschiedlicher Wellenimpedanz der Länge T gleich der halben Betriebswellenlänge (unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors) bestehen. Ein Array aus zwei Antennen ist über ein Kabelstück mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm mit dem Stichkabel verbunden, wie in Abb. 13.
Wenn Sie ein Kabel mit einem Wellenwiderstand von 75 Ohm verwenden, dann verbinden Sie die beiden Antennen gemäß Abb. 14.
Bei einem Array aus vier Antennen erfolgt die Verbindung mit einem PK-75-Kabel gemäß Abb. 15.
Literatur
Autor: V.Portunov, Brjansk
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