AFU_Lektsii

одном из соседних каналов. С этой же целью разрабатываются антенны, обладающие направленными свойствами в горизонтальной плоскости.

Желательно, чтобы напряженность поля во всех точках территории, обслуживаемой телецентром, была приблизительно одинаковой. Распределение излучаемой мощности по обслуживаемой территории зависит от направления максимума излучения антенны и формы ее ДН в вертикальной плоскости. Очевидно, что максимум ДН должен составлять некоторый угол θmax по отношению к нормали и ДН должна быть достаточно узкой, чтобы исключить излучение в свободное пространство. Регулировку напряжения максимума излучения можно создать соответствующим сдвигом фаз между токами в различных этажах антенны.

Напряженность поля электромагнитной волны (без учета потерь в земле) убывает пропорционально расстоянию, поэтому для равномерного облучения всей территории, обслуживаемой телецентром, необходимо, чтобы антенна в вертикальной плоскости имела ДН, обеспечивающую возрастание напряженности поля пропорционально расстоянию. Это возможно при ДН косекансного типа: F(θ) = cosec(θ), где θ - угол от горизонта.

Реальные ДН обычных ТВ антенн резко отличаются от идеальной ДН. Напряженность поля убывает с ростом расстояния. Близкая к антенне территория облучается электромагнитным полем, сосредоточенным в боковых лепестках, и в направлении глубоких минимумов получаются зоны плохого приема. При большом УБЛ возрастает неравномерность облучения ближней к телецентру территории. Глубокие минимумы могут быть устранены, если в одном или двух средних этажах антенны создать дополнительный ток, сдвинутый относительно основного тока на 90° по фазе. Понизить УБЛ можно, если питать вибраторы крайних этажей токами с меньшей амплитудой. Сужение ДН в вертикальной плоскости и, как следствие, улучшение равномерности облучения территории, а также увеличение напряженности поля на больших расстояниях от антенны достигается увеличением вертикального размера антенны - расстояния между крайними этажами антенны. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности вибраторы могут выполняться не сплошными, а состоящими из отдельных горизонтальных стержней.

Существуют различные конструкции передающих ТВ антенн. В отечественной технике используются в основном турникетные, панельные и антенны с радиальными штыревыми вибраторами.

Многоэтажные турникетные антенны базируются на применении плоскостных Ж- образных вибраторов, используемых в метровом диапазоне волн (рис.2.33). Каждый этаж

96

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

этой антенны выполнен из двух таких взаимно перпендикулярных вибраторов высотой около (0,6 - 0,7)∙λo, питаемых со сдвигом фаз 90○, что обеспечивает почти круговую ДН в азимутальной плоскости.

A A

C C

B B

Рис.2.33. Ж-образная вибраторная ТВ антенна

Обычно неравномерность ДН в азимутальной плоскости не превышает ±3 дБ. Вибраторы присоединяются накоротко к мачте в точках ВВ и АА. Питание к вибратору подводится в середине (точки СС) с помощью коаксиальной линии и симметрирующего устройства, помещенного внутри мачты. Благодаря специальной форме вибраторов увеличивается жесткость конструкции и уменьшаются токи, имеющие вертикальное направление и текущие по вертикальным частям внешнего обрамления рамы. Антенны, выполненные из таких вибраторов, имеют полосу пропускания порядка 15 - 20% и позволяют осуществлять одновременную связь по нескольким ТВ каналам. Недостаток - небольшое усиление (порядка 3 - 10 единиц). Это объясняется тем, что вибраторы крепятся к мачтам малого диаметра (D = (0,1 - 0,15)∙λ0) и достаточная механическая прочность может быть обеспечена при общей высоте антенны не более 12 - 15 м.

ТВ антенны с радиальными штыревыми вибраторами. При размещении на круглой опоре D ~ 0,7 λ0 восьми штыревых вибраторов (рис.2.34), питаемых по схеме вращающегося поля (ток в каждом следующем вибраторе сдвинут относительно предыдущего по фазе на 90°), в горизонтальной плоскости получается достаточно равномерное излучение и хорошее согласование. Для наклона ДН вниз применяется расфазировка вибраторов по вертикали.

Рис.2.34. ТВ антенна с радиальными штыревыми вибраторами

97

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Приемная ТВ антенна должна быть хорошо согласована с линией питания в требуемой полосе частот. Так как ТВ сигналы приходят с определенного направления, то приемная антенна должна обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости. При этом максимум ДН должен быть направлен на телецентр. Выбор типа приемной антенны зависит от расстояния между пунктами приема и передающим центром и мощности последнего. На близких расстояниях от телецентра можно применять компактную антенну в виде симметричного вибратора. По мере удаления от телецентра приемные антенны усложняются и увеличивается их высота. Наиболее широко применяются директорные антенны с числом элементов от 3 до 7. На больших расстояниях директорные антенны устанавливаются на мачтах высотой 25 - 35 м.

Хорошее качество ТВ приема в больших городах может обеспечить система коллективного приема ТВ. Эта система состоит из антенны, усилителя, распределительной сети и абонентских устройств (рис.2.35,а).

Ответвительная

коробка

б

Оконечное

сопротивление

a

Рис.2.35. Система коллективного приема ТВ

Сигналы, принятые антенной, усиливаются и передаются в распределительную сеть из одной или нескольких магистральных линий, к которым через абонентскую ответвительную коробку подключаются абонентские отводы. Вся абонентская сеть строится на основе коаксиального кабеля. Наиболее опасным видом искажений в распределительных сетях, имеющих большую электрическую длину, являются повторные изображения, вызванные отражениями от различных элементов системы. Для хорошего качества изображения абонентские отводы должны быть связаны с магистральной линией

98

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Если поперечное сечение рупора - прямоугольник, а его размер изменяется только в плоскости магнитного вектора, то такой рупор называется H-плоскостным секториальным (рис.2.36,а); если же размер изменяется только в плоскости электрического вектора, то рупор называется E-плоскостным секториальным (рис.2.36,б). Рупор, размеры которого изменяются в обеих плоскостях, называется пирамидальным (рис.2.36,в). Находят применение конические рупоры с круглым поперечным сечением

(рис.2.36,г).

Рис.2.36. Наиболее распространенные типы рупорных антенн

Для объяснения принципа действия рупорной антенны рассмотрим ее продольное сечение (рис.2.37). Электромагнитная энергия от генератора через отрезок питающего

волновода поступает к горловине рупора в виде волны с плоским фазовым фронтом. Большая часть энергии проходит через горловину и распространяется вдоль рупора в виде расходящейся волны. Небольшая часть энергии отражается от горловины и возвращается по волноводу к генератору. Чем сильнее выражена неоднородность в месте перехода волновода к рупору, т.е. чем больше угол раскрыва рупора 2Ф0 тем больше коэффициент отражения. Достигнув раскрыва, являющегося границей раздела рупорной линии и свободного

Рис.2.37. Продольное сечение рупора

пространства, энергия большей частью излучается в свободное пространство, но частично отражается от раскрыва и движется в обратном направлении. При больших размерах раскрыва в Н-плоскости коэффициент отражения от него обычно мал, и это позволяет

100

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Е-плоскостной секториальный рупор. На рис.2.39 показана структура поля в Е-

секториальном рупоре. И в этом случае волна является цилиндрической, но так как размер рупора в плоскости магнитного вектора не изменяется, то фазовая скорость остается неизменной и равна фазовой скорости в волноводе. Повторив приведенные выше рассуждения, можно получить приближенное выражение для амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве Е-плоскостного секториального рупора:

где k´= 2π/Λ , Λ - длина волны в рупоре.

Следовательно, в Н-плоскости изменяется только амплитуда (по косинусоидальному закону), а в Е-плоскости - только фаза (по квадратичному закону).

y

Рис.2.39. Электрическое поле внутри Е-секториального рупора

Пирамидальный рупор можно рассматривать как сочетание Е-плоскостного и Н- плоскостного секториальных рупоров. Следует различать остроконечный рупор, у которого продолжения ребер сходятся в одной точке, и клиновидный рупор, у которого продолжения ребер попарно пересекаются в двух точках.

У клиновидного рупора различаются две длины RE и RH, а у остроконечного RE = RH = R

(рис.2.40).

Рис.2.40. Типы пирамидальных рупоров: а - остроконечный; б - клиновидный

103

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Приближенно можно считать, что у пирамидального рупора в Е-плоскости структура поля такая же, как у Е-плоскостного секториального рупора, а в Н-плоскости - такая же, как у Н-плоскостного секториального рупора. Однако так как поперечный размер пирамидального рупора изменяется в двух плоскостях, то фронт волны представляет собой поверхность двойной кривизны и его приближенно можно считать сферическим. Учитывая разность хода лучей от вершины до раскрыва, можно получить следующее приближенное выражение для амплитудно-фазового распределения в раскрыве рупора:

Ex (x, y) = E0 (y / a p) ) × exp(- jk' x2 / 2RE ) × exp(- jky2 / 2RH ). (2.25)

2.9.2. ДН рупорных антенн

Расчет поля излучения антенн сравнительно прост в случае плоского раскрыва. Выберем на раскрыве элементарную площадку dS. Рассматривая ее как излучатель Гюйгенса и полагая, что волновое сопротивление волны, набегающей на раскрыв от первичного источника, равно 120π, можно записать

Составляющие полного поля излучения определяются интегрированием по раскрыву S:

т.е. в этой плоскости ДН рупора такая же, как у синфазного раскрыва. Другое дело в Н- плоскости. Здесь формула значительно сложнее и очень громоздкая. Это связано с тем, что в Н-плоскости имеются квадратичные фазовые искажения. На рис.2.41 изображены

104

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com