Телевизор 

Распространение метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Комнатная антенна для ТВ «Ромб». Что означает термин «волновойканал»

Распространение сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн

Радиоволны длиной короче 10 м называются ультракороткими. Эти волны охватывают очень широкий диапазон частот. Ширина диапазона частот только сантиметровых волна составляет 27000 МГц, что в тысячу раз превышает ширину диапазона частот декаметровых волн (см. табл. 1.1). Поэтому на УКВ возможна передача намного больших потоков информации, чем на более длинных волнах. Только на УКВ возможно телевидение и высококачественное радиовещание с использованием частотной модуляции (ЧМ).

Земная волна на УКВ обеспечивает связь практически только в пределах прямой видимости (рис.1.7). За ее пределами в естественных условиях УКВ могут устойчиво распространяться только за счет рассеяния в ионосфере и в тропосфере. Однако для обеспечения связи за счет рассеяния требуются очень мощные радиопередатчики с сложные антенные сооружения.

Для увеличения расстояния прямой видимости антенны радиотелевизионных передающих станций и станций звукового ЧМ вещания устанавливают на высоких башнях. Для передачи радиосигналов на большие расстояния в диапазоне УКВ используют наземные радиорелейные линии и ретрансляторы, расположенные на искусственных спутниках Земли.

Предельное расстояние прямой видимости между антеннами получается тогда, когда луч, соединяющий антенны, касается земной поверхности. Эмпирически установлено, что в километрах определяется выражением

где и – соответственно высоты передающей и приемной антенн, м. Напряженность поля при связи в пределах прямой видимости можно определить по формуле акад. Б.А. Введенского:

,

где – действующее (эффективное) значение напряженности поля, мВ/м; - мощность радиопередатчика, кВт; – расстояние между приемной и передающей антеннами, км ( ; – длина волны электромагнитных колебаний, м; – коэффициент направленного действия антенны.

Рис. 1.7. Распространение радиоволн в пределах прямой видимости

Рассмотрим влияние тропосферы на распространение УКВ. Коэффициент преломления воздуха n очень мало отличается от единицы. У поверхности Земли в среднем = 1,003. На практике преломляющие свойства воздуха оценивают индексом преломления

пользоваться которым удобнее, чем . Индекс преломления зависит от влажности, давления и температуры воздуха: с увеличением давления и влажности увеличивается, а при повышении температуры = уменьшается. Параметры воздуха зависят от высоты и от метеорологических условий. Зависимость от высоты оценивают градиентом индекса преломления

Зависимость коэффициента преломления от высоты приводит к искривлению траектории радиоволн в тропосфере, которое называется тропосферной рефракцией. Такое искривление характеризуют радиусом кривизны луча

Радиус привязки положителен, так как . При этом фазовая скорость волны с высотой возрастает, верхняя граница фронта распространяется быстрее нижней и луч искривляется в сторону поверхности Земли. Такая рефракция называется положительной . Тропосферная рефракция изменяет расстояние прямой видимости, оно несколько увеличивается. С учетом рефракции значение постоянного коэффициента в формуле (1.2) должно быть увеличено до значения, равного 4,52.

Если при положительной рефракции радиус кривизны траектории ( - радиус Земли), то возникает критическая рефракция (рис. 1.8, а). При наступает сверхрефракция (рис.1.8,б). В этих случаях электромагнитная волна может распространяться далеко за пределы прямой видимости. Сверхрефракция возникает при выполнении условия 1/м. При этом индекс преломления должен очень быстро уменьшаться с высотой, что бывает в том случае, когда температура воздуха с высотой не падает, как обычно, а возрастает. Такие условия называют температурной инверсией. Область тропосферы, в которой возникает свехрефракция, называют тропосферным волноводом. Наиболее часто тропосферные волноводы возникают в приморских районах, когда существует большая разница температур воздуха над сушей и над морем. В этих случаях ветер может переместить теплый воздух, который расположится над холодным, и возникнет температурная инверсия. Поскольку тропосферные волноводы возникают нерегулярно, их нельзя использовать для построения радиолиний. Возможность возникновения тропосферных волноводов необходимо учитывать при распределении частот на радиолиниях, чтобы избежать взаимных помех.


Рис. 1.8. Траектории распространения радиоволн в тропосфере:

а - при критической рефракции; б - при сверхрефракции

Другим механизмом сверхдальнего распространения УКВ является тропосферное рассеяние. Тропосферные неоднородности, вызывающие рассеяние, представляют собой области, в которых давление, влажность и температура воздуха отличаются от средних значений, наблюдаемых в окружающей среде. Примером неоднородностей являются облака. Неоднородности возникают и при отсутствии облачности за счет завихрений, образующихся при перемещении воздушных масс. Эти вихри присутствуют при любых метеорологических условиях. Наиболее интенсивно неоднородности образуются на высотах 1…2 км. Каждая неоднородность отличается своей диэлектрической проницаемостью от окружающей среды. Это отличие невелико (не более 20%), поэтому радиоволна, падающая на неоднородность, в основном, проходит сквозь нее. Однако часть энергии радиоволны при этом рассеивается в разные стороны. Зеркальное отражение неоднородность не вызывает, так как не имеет четкой границы.

Поле в точке приема образуется за счет сложения (интерференции) множества волн, рассеянных отдельными неоднородностями в некотором объеме тропосферы. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами постоянно хаотически изменяются. В результате значение суммарной напряженности изменяется по случайному закону. Эти флуктуации поля называются интерферирующими замираниями. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами зависят от частоты. При широком спектре частот сигнала сдвиги фаз для отдельных составляющих спектра оказываются различными: одни составляющие в данный момент могут иметь максимальный уровень, другие - минимальный. Если отдельные участки спектра замирают неодновременно, замирания называют селективными. Селективные замирания не позволяют передавать по тропосферным линиям широкополосные сигналы, например, телевизионные.

Замирания сигнала при тропосферном рассеянии можно разделить на быстрые и медленные Интерференционные замирания являются быстрыми. Период замираний составляем секунды и их десятые доли. Чем короче длина волны, тем сильнее изменяется сдвиг фаз между интерферирующими волнами при движении рассеивающих неоднородностей, тем меньше период замираний. Медленные замирания с периодом в несколько часов связаны с изменениями метеорологических условий, от которых зависят параметры неоднородностей и условия рефракции радиоволн.



Для повышения устойчивости связи на линиях тропосферного рассеяния применяют разнесенный прием. В этом случае формируют несколько сигналов, несущих одно и то же сообщение, но замирающих независимо друг от друга. Используют разнесение по частоте и пространственное разнесение. При этом увеличивают коэффициент направленного действия и площадь антенн. На тропосферных радиолиниях обычно применяют зеркальные антенны, имеющие площадь 400…900 .

Большое ослабление поля при связи за счет тропосферного рассеяния заставляет принять радиопередатчики большой мощности – до нескольких десятков киловатт (на УКВ радиорелейных линиях прямой видимости мощность радиопередатчиков обычно не превышает 10 ВТ). Расстояние между соседними станциями тропосферного рассеяния составляет 300…600 км. Применение радиолиний тропосферного рассеяния целесообразно в малонаселенных районах, где не имеет смысла часто располагать ретрансляционные станции или прокладывать кабель.

Сверхдальнее распространение метровых волн возможно и за счет влияния ионосферы. Это объясняется возникновением на высоте регулярного слоя E спорадического слоя E s с повышенной электронной концентрацией, обусловленного сгоранием метеоров на высотах 80... 120 км. Протяженные области с повышенной электронной концентрацией, способные рассеивать метровые волны, существуют в течение долей секунды, а иногда и в течение минуты. Регулярную связь путем отражений от E s слоя организовать невозможно.

Регулярное сверхдальнее распространение метровых волн происходит за счет рассеяния на неоднородностях электронной кон­центрации, существующих в слое D и в нижних областях слоя Е . Механизм этого распространения подобен тому, который наблюдается при рассеянии в тропосфере. Большая высота области, в которой происходит ионосферное рассеяние, обеспечивает связь одним скачком на расстояниях до 2000 км. Регулярную связь путем отражений от E s слоя организовать невозможно.

Сверхдальнее распространение метровых волн происходит также за счет отражения от ионизированных метеорных следов. В атмосферу Земли ежегодно с космическими скоростями вторгаются десятки миллиардов метеоров, образующих ионизированные столбы воздуха - метеорные следы. Некоторые из этих следов вызывают зеркальное отражение метровых волн, другие обеспечивают их интенсивное рассеяние. Вследствие движения ионизированного газа метеорные следы обычно расплываются в течение нескольких секунд. В среднем сильное отражение радиоволн от метеорного следа длится 0,2...0,4 с и повторяется несколько раз в минуту. Из-за вращения Земли вокруг своей оси условия попадания метеоров в атмосферу зависят от времени суток. Максимальное их число наблюдается утром, минимальное - вечером.

Метеорная связь прерывиста, так как уровень сигнала, достаточный для передачи информации, существует только во время появления на трассе метеорного следа. Для передачи информации по метеорной линии связи информацию на передающем конце накапливают в промежутках между метеорными вспышками, а во время вспышки быстро передают по радиолинии. В среднем передается несколько килобит в секунду при мощности передатчика около 1 кВт. Дальность метеорной связи составляет около 2000 км. Организация связи за счет ионосферного рассеяния и отражения от метеоров целесообразна в полярных районах, где ионосферные бури часто нарушают распространение гектометровых волн, а прокладка проводных линий и организация тропосферной связи из-за малой плотности населения экономически нецелесообразны.

К. Харченко

Прием телевизионных передач на радиочастотах 470...622 МГц (21-39 каналы) диапазона дециметровых волн (ДЦВ) требует соответствующего подхода к расчету и конструированию антенных устройств.

Некоторые радиолюбители пытаются решить эту задачу простым пересчетом, основанным на принципах электродинамического подобия антенн, параметров имеющихся конструкций телевизионных антенн метрового диапазона (1-12 каналы). При этом, они неизбежно сталкиваются с трудностями самого пересчета и зачастую не получают желаемых результатов.

Каковы же основные принципы подхода к решению этой задачи?

В свободном пространстве радиоволны, излученные антенной, имеют сферическую расходимость, в результате чего электрическая напряженность поля Е убывает обратно пропорционально расстоянию r от антенны.

В реальных условиях распространяющиеся радиоволны претерпевают большее затухание, чем существующее в свободном пространстве. Для учета этого затухания вводят множитель ослабления F(r)= Е/Есв, который характеризует отношение напряженности поля для реальных условий, к напряженности поля свободного пространства при равных расстояниях, одинаковых антеннах и подводимых к ним мощностях и т. д. С помощью множителя ослабления напряженность поля, создаваемая передающей антенной в реальных условиях на расстоянии r, может быть выражена как

Приемная антенна преобразует энергию электромагнитной волны в электрический сигнал. Количественно эту способность антенны характеризуют ее эффективной площадью Sэфф. Она соответствует той плошади фронта волны, из которой поглощается вся содержащаяся в ней энергия, С КНД эта площадь связана соотношением:


Изложенное здесь позволяет написать уравнение радиопередачи, которое связывает параметры аппаратуры связи (передатчика и приемника) и антенн и определяет уровень сигнала на трассе: при мощности передатчика Р1 мощность Р2 сигнала на входе приемника будет равна


Множитель в этом выражении, заключенный в скобки, определяет основные потери при распространении радиоволн (основные потери передачи). При этом предполагается, что антенна согласована с фидером, а фидер с телевизионным приемником и, кроме того, антенна согласована по поляризации с полем сигнала.

Рассмотрим подробнее выражение (11).


Этот конкретный пример показывает, что с увеличением частоты (уменьшением длины волны) телевизионных передач мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при прочих равных условиях, быстро уменьшается, т. е. условия приема ухудшаются. На стороне передачи эти неприятности стараются компенсировать увеличением произведения Р1У1. Но в реальных условиях множитель F(r) и КПД приемного фидера с ростом частоты уменьшаются, поэтому необходимость увеличения коэффициента усиления приемной антенны Y2 становится неизбежностью. Этот вывод влечет за собой еще один, заключающийся в том, что, как правило, для уверенного приема программ 21-39 телевизионных каналов нужно применять новые, более направленные антенны по сравнению с антеннами, применяемыми в диапазоне волн 1-5 каналов.

Стремясь получить устойчивый прием телепередач, радиолюбители вынуждены усложнять антенны, например, строить антенные решетки, т. е. объединяют несколько однотипных, зарекомендовавших себя на практике антенн (каждая из которых имеет свою пару точек питания) с общей системой питания и только одной (общей для всех) парой точек питания. При этом они нередко недооценивают важность этапа согласования при построении антенных решеток, связанного с относительно сложными измерениями. Сказанное проиллюстрируем таким конкретным примером.


Подобный эффект получается и при параллельном соединении трех элементов (рис. 1, в). Продолжая такие рассуждения, можно получить зависимость, которую иллюстрирует рис. 2.


Здесь эффективная площадь антенны прямо пропорциональна числу n излучателей в решетке, равно как и поглощаемая антенной мощность Р сумм. Мощность же Р пр подводимая к приемнику, с увеличением числа n асимптотически приближается к 4Рo. Этот пример показывает бесплодность попыток увеличить коэффициент усиления антенной решетки без учета согласования ее элементов с фидером. Трудности, связанные с согласованием, преодолевают либо применением специальных согласующих устройств, либо выбором специальных типов антенн. Например, в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн применяют, как правило, так называемые апертурные антенны, т. е. рупорные или параболические. Особенность таких антенн заключена в том, что они имеют простой, «небольших» размеров облучатель, и «большой», сравнительно сложный рефлектор. Большой рефлектор и обусловливает направленные свойства антенны, определяет ее КНД.

Выполнить в любительских услозиях антенны апертурного типа на диапазон ДЦВ не представляется возможным, так как они громоздки и сложны. Но некоторое подобие апертурной антенны сконструировать можно, положив в основу облучатель в виде известной зигзагообразной антенны (з-антенны). Полотно такой антенны состоит из восьми замкнутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные ячейки (рис. 3).


Для формирования диаграммы направленности антенны, в частности, необходимо, чтобы излучатели были сфазированы и разнесены относительно друг друга. З-антенна имеет одну пару точек питания (а-б), к которой непосредственно подключают фидер. Благодаря такой конструкции антенны ее проводники возбуждаются так (частный случай направления токов на проводниках антенны на рис. 3 показан стрелками), что образуется своеобразная синфазная решетка из четырех вибраторов. В точках П-П проводники полотна антенны замкнуты между собой и здесь всегда имеется пучность тока. Антенна имеет линейную поляризацию. Ориентация вектора электрического поля Е на рис. 3 показана стрелками.

Диаграммы направленности з-антенны удовлетворяют диапазону частот с перекрытием fмакс/fмин =2-2,5. Ее КНД мало зависит от изменения угла а (альфа), так как с увеличением его уменьшение направленности антенны в плоскости Н компенсируется увеличением направленности в плоскости Е, и наоборот. Характеристика направленности з-антенны симметрична относительно плоскости, в которой расположены проводники ее полотна.

В связи с тем, что в точках П-П нет разрыва проводников полотна антенны, то здесь имеются точки нулевого потенциала (нули напряжения и максимумы тока) независимо от длины волны. Это обстоятельство позволяет обойтись без специального симметрирующего устройства при питании коаксиальным кабелем.

Кабель прокладывают через точку нулевого потенциала П и по двум проводникам полотна антенны подводят к точкам ее питания (рис. 4). Здесь оплетку кабеля соединяют с одной из точек питания антенны, а центральный проводник - с другой. Принципиально оплетку кабеля в точке П тоже нужно замкнуть накоротко на полотно антенны, однако, как показала практика, делать это не обязательно. Достаточно кабель подвизать к проводам полотна антенны в точке П, не нарушая его полихлорвиниловой оболочки.

Зигзагообразная антенна широкополосна и удобна тем, что ее конструкция сравнительно проста. Это ее свойство позволяет допускать значительные отклонения (неизбежные при изготовлении) в ту или иную сторону от расчетных размеров ее элементов практически без нарушения электрических параметров.

Кривая 1, показанная на рис. 5, характеризует зависимость КБВ от

Пользуясь графиками рис. 5, можно построить з-антенну, имеющую максимально возможный КНД для данного типа полотна антенны. Ее входное сопротивление в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено полотно. Чем толще (шире) проводники, тем лучше согласование антенны с фидером. Вообще же для полотна з-антенны пригодны проводники самого различного профиля - трубки, пластины, уголки и т. п.

Рабочий диапазон з-антенны можно расширить в сторону более низких частот без увеличения размера L путем образования дополнительной распределенной емкости проводников ее полотна, а общие размеры, выраженные в длинах максимальной волны рабочего диапазона, уменьшить. Достигается это перемыканием части проводников з-антенны, например, дополнительными проводниками (рис. 6),


Которые и создают дополнительную распределенную емкость.

Диаграммы направленности такой антенны в плоскости Е аналогичны диаграммам симметричного вибратора. В плоскости H диаграммы направленности с увеличением частоты претерпевают значительные изменения. Так, в начале рабочего диапазона частот они лишь слегка сжаты под углами, близкими к 90°, а в конце рабочего диапазона поле практически отсутствует в секторе углов ±40...140°.

Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский экран-рефлектор, который часть высокочастотной энергии, падающей на экран, отражает в сторону полотна антенны. В плоскости полотна фаза высокочастотного поля, отраженного рефлектором, должна быть близка к фазе поля, создаваемого самим полотном. В этом случае происходит требуемое сложение полей и экран-рефлектор примерно удваивает первоначальный коэффициент усиления антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, а также от расстояния S между ним и полотном антенны.

Как правило, размеры экрана значительные и фаза отраженного поля зависит, главным образом, от расстояния S. На практике редко выполняют рефлектор в виде единого металлического листа. Чаще он представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости параллельно вектору поля Е.

Длина проводников зависит от максимальной длины волны (Лямбда макс) рабочего диапазона и размеров активного полотна антенны, которое не должно выступать за пределы экрана. В плоскости Е рефлектор обязательно должен быть несколько больше половины максимальной длинны волны. Чем толще проводники, из которых делают рефлектор, и ближе они расположены друг к другу, тем меньшая часть энергии, падающей на него, просачивается в заднее полупространство.

По конструктивным соображениям экран не следует делать очень плотным. Достаточно, чтобы расстояния между проводниками диаметром 3...5 мм не превышали 0,05...0,1- минимальной волны рабочего диапазона. Проводники, образующие экран, можно соединить между собой в любом месте и даже приваривать или припаивать к металлической раме. Если они расположены в плоскости самого рефлектора или за ним, то их влиянием на работу рефлектора можно пренебречь.

Во избежание дополнительных помех не следует допускать, чтобы проводники (полотна антенны или рефлектора) от ветра терлись либо касались друг друга.

Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 7.

Ее активное полотно состоит из плоских проводников - планок, а рефлектор - из трубок. Но она может быть полностью металлической. В местах соединений элементов антенны должен быть надежный электрический контакт.

На значение КБВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом в значительной мере влияют как ширина планки dпл (или радиус провода) активного полотна антенны, так и расстояние S, на которое оно удалено от экрана.

С увеличением расстояния S КНД антенны снижается и сужается диапазон частот, в пределах которого направленные свойства з-антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, с точки зрения улучшения КНД антенны расстояние S желательно уменьшать, а с точки зрения согласования - увеличивать.

Для крепления полотна антенны к плоскому рефлектору используют стойки. В точках П-П (рис. 6 и 7) стойки могут быть как металлическими, так и диэлектрическими, а в точках У-У-обязательно диэлектрическими.

В ряде практических случаев приема сигналов по 21-39 каналам телевидения имеющегося коэффициента усиления (КУ) з-антенны c плоским экраном может оказаться недостаточным. Увеличить КУ, как уже говорилось, можно построением антенной решетки, например, из двух или четырех з-антенн с плоским экраном. Есть, однако, другой путь увеличения КУ - усложнение формы рефлектора з-антенны.

Приводим пример, каким должен быть рефлектор з-антенны, чтобы ее КУ соответствовал значению КУ антенной синфазной решетки, построенной из четырех з-антенн. Этот путь наиболее простой и доступный в любительской практике, чем построение антенной решетки.

На рисунках антенны размеры всех ее элементов указаны применительно к приему телепрограмм по 21-39 каналам.

Активное полотно антенны, показанной на рис. 6, выполнено из плоских металлических пластин толщиной 1...2 мм, наложенных друг на друга «внахлест» и скрепленных винтами с гайками. В точках соприкосновения пластин должен быть надежный электрический контакт. Конструктивно активное полотно антенны имеет осевую симметрию, что позволяет прочно закрепить его на плоском экране. Для этого используют стойки-опоры, располагая их в вершинах П-П и У-У квадрата, образуемого пластинами полотна антенны. Точки П-П имеют «нулевой» потенциал по отношению к «земле», поэтому стойки в этих тачках могут быть из любого материала, в том числе металлическими. Точки У-У имеют некоторый потенциал по отношению к «земле», поэтому стойки в этих точках должны быть только из диэлектрика (например, из оргстекла). Кабель (фидер) к точкам а-б питания прокладывают по металлической опоре к одной (нижней) точке П и далее по сторонам полотна антенны (см. рис. 6). Особое внимание следует обратить на ориентацию вектора Е, характеризующего поляризационные свойства антенны. Направление вектора Е совпадает с направлением, соединяющим точки а-б питания антенны. Зазор между "точками а-б должен быть около 15 мм без зазубрин и прочих следов небрежной обработки пластин.

Основой плоского экрана-рефлектора служит металлическая крестовина, на которой, как на каркасе, размещают активное полотно антенны и проводники экрана. За крестовину антенну в сборе надежно прикрепляют к мачте с таким расчетом, чтобы поднятая она была выше местных мешающих предметов (рис. 8).

При изготовлении рефлектора типа «усеченный рупор» все стороны плоского рефлектора удлиняют створками и загибают их так, чтобы образовать фигуру по типу «полуразвалившейся» коробки, у которой дно -- плоский экран, а стенки - створки. На рис. 9


Такой объемный рефлектор показан в трех проекциях со всеми размерами. Сделать его можно из металлических трубок, пластин, проката различного профиля. В точках пересечения металлические стержни должны быть сварены или спаяны. На том же рис. 9 показано и место размещения активного полотна антенны с точками П-П, У-У. Полотно-удалено от плоского рефлектора - донышка усеченного рупора - на 128 мм. Стрелка символизирует ориентацию вектора Е. Почти все проекции стержней рефлектора на фронтальную плоскость параллельны вектору Е. Исключением являются лишь часть силовых стержней, образующих каркас рефлектора. Если рефлектор выполнен из трубок, диаметр трубок силовых стержней может быть 12...14 мм, а остальных - 4...5 мм.

КНД антенны с рефлектором типа «усеченный рупор» при заданных размерах соизмерим с КНД объемного ромба (1) и изменяется по диапазону частот в пределах 40...65. Это означает, что на верхних частотах рабочего диапазона антенны половина угла раскрыва ее диаграммы направленности составляет около 17°.

Форма диаграммы направленности антенны, показанной на рис. 9, примерно одинакова для обеих плоскостей поляризации. При установке антенны на местности ее ориентируют на телецентр. Конструкция антенны осесимметрична по отношению к направлению на телецентр, что может стать источником поляризационной ошибки при ее установке на мачту. Здесь надо учитывать, какую поляризацию имеют сигналы, приходящие от телецентра. При их горизонтальной поляризации точки питания а-б антенны должны быть расположены в горизонтальной плоскости, а при вертикальной поляризации - в вертикальной плоскости.

Литература
Харченко К., Канаев К. Объемная ромбическая антенна. Радио, 1979, № 11, с. 35-36.
[email protected]

Электромагнитные волны, используемые для радио- и телевещания, модулируются сигналами передаваемых программ. При радиовещании эти сигналы состоят из звуков, а при телевещании – из звуков и изображений. Радиостанции по методу модуляции обычно делят на АМ и ЧМ, но тип передаваемого программного материала от метода модуляции не зависит.

Большинство вещательных передач рассчитано на широкие массы населения в конкретной зоне обслуживания страны, где расположена передающая станция; другие станции обеспечивают вещание через государственные границы. Станции, предназначенные для международного вещания, обычно размещают в приграничных зонах; они вещают на высоких уровнях мощности или с ретрансляцией через спутник. См . СПУТНИК СВЯЗИ .

Некоторые телевизионные программы предназначаются только для подписавшихся на них абонентов. Подобные программы передаются по кабельным сетям или по наземным линиям микроволнового диапазона, а также с использованием кодирования; такое вещание называют адресным. См . СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН .

Упомянутые выше системы вещания являются односторонними; в них не предусмотрены возможности для того, чтобы слушатель или зритель мог сообщить свое мнение. Большинство систем радиосвязи, напротив, относятся к числу двусторонних, т.е. рассчитаны на обмен сообщениями. См . РАЦИЯ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНОЙ И СЛУЖЕБНОЙ РАДИОСВЯЗИ .

Частотный спектр вещания.

В соответствии с международными соглашениями для наземного вещания выделено несколько частотных диапазонов. Их распределение показано на рис. 1.

СОГЛАШЕНИЯ И ДОГОВОРА

Международный союз электросвязи ITU разделил земную поверхность на три географических региона (Регион 1 – Европа и Африка; Регион 2 – Новый Свет и Регион 3 – Азия и Австралия). Соглашения, действующие внутри каждого из регионов, касаются распределения и применений частотных полос. Существуют также двусторонние и многосторонние соглашения между соседними странами. Для обсуждения договоров и соглашений периодически проводятся радиоконференции. К числу задач, обычно включаемых в программу радиоконференций, относятся совершенствование распределения спектра частот, выделение частот для нужд новых или усовершенствованных технологий и предоставление услуг. Техническими критериями определяются уровни сигналов, качество и области охвата, а также защита от чрезмерных помех. Процедуры заблаговременного уведомления облегчают процесс гармоничного развития вещания в регионах. При проведении переговоров важное значение обычно имеют политические, военные и коммерческие факторы из-за существующей конкурентной борьбы за частотный спектр, рынки сбыта и т.п.

Географическая зона обслуживания, которая выносится на обсуждение, определяется диапазоном рассматриваемых частот, услугами и расстояниями. Так, например, при обсуждении соглашения по спутниковой связи необходимо участие всех заинтересованных стран мира, тогда как для принятия соглашений о наземном ЧМ- или телевизионном вещании достаточно бывает участия соседних стран. Каждая страна регламентирует внутреннее вещание в соответствии со своими законами и установлениями.

АМ-вещание.

Вещание с амплитудной модуляцией в Регионе 2 осуществляется в соответствии с соглашением о вещании на средних волнах в Новом Свете. По этому соглашению АМ-диапазон лежит между 525 и 1705 кГц, а расстояние между каналами составляет 10 кГц. Передачи на частотах 530 кГц (выделенные для класса C ) ограничены в ночное время уровнем мощности 0,25 кВт, а в дневное – уровнем 1 кВт, чтобы защитить от помех частоту 500 кГц, используемую для передачи международных сигналов бедствия на море. На частотах выше 1600 кГц работает незначительное число станций, что отчасти объясняется тем, что многие приемники не предназначены для работы на таких частотах. Кроме того, большинство вещательных компаний неохотно использует этот участок диапазона из-за присущих ему плохих характеристик распространения.

В Регионе 1 минимальное разнесение каналов по частоте обычно составляет 9 кГц.

Короткие волны.

С окончанием холодной войны в 1990–1991 прекратилось глушение передач, направленных на территории бывшего Советского Союза. Эта перемена уменьшила потребность в выделении дополнительных частотных полос и в частой смене частот, на которых работали радио «Би-Би-Си», «Свободная Европа», «Голос Америки», «Немецкая волна» и другие станции.

ЧМ-радиовещание.

Разнесение каналов в Северной Америке составляет 200 кГц, в Европе 150 кГц. Эффективные мощности излучения обычно много меньше 100 кВт.

Во многих странах действуют нелегальные радиостанции. В Италии, чтобы провести лицензирование и регламентировать работу таких станций, власти выделили много ЧМ-каналов по запросам, что привело к увеличению помех.

Телевещание в метровом и дециметровом диапазонах.

Разнос каналов в этих диапазонах составляет 6 МГц. В Северной Америке цветное телевидение модулируется в соответствии со стандартами NTSC. В большей части стран Региона 1 применяется система PAL. На территории стран СНГ используется SECAM, а в Японии – NTSC. Эти три системы несовместимы; основные различия между ними связаны с процессами модуляции, применяемыми для кодирования и передачи информации о цветности. В настоящее время международными соглашениями предусматривается использование стандартных методов конвертирования.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛОВ

АМ.

Сигналы диапазона средних волн распространяются в дневное и ночное время земной (поверхностной) волной, а ночью – также и ионосферной (пространственной) волной.

Токи, создаваемые горизонтально распространяющимся излучением (поверхностной волной), обычно проникают на глубину до 15 м ниже поверхности земли на частоте 530 кГц и на 1,5 м на частоте 1700 кГц. Если бы верхний слой почвы был идеальным проводником, то затухание сигнала независимо от его частоты было пропорционально пройденному им расстоянию. Морская вода и плодородные земли степей дают близкое к этому затухание сигналов, но вообще земля никогда не ведет себя как идеальный проводник. Затухание увеличивается с частотой и, как правило, на частоте 1700 кГц намного больше, чем на 530 кГц.

Электропроводность измеряется в ммо/м (мОм -1 Чм -1) или в миллисименс/м (мСм/м). Электропроводность, равная 1 ммо/м, считается низкой, 6 ммо/м – средней, а 40 ммо/м – высокой.

При приеме ионосферной волны (в вечерние, ночные и утренние часы) радиоволны вещательного диапазона отражаются по направлению к Земле нестабильным ионизованным слоем E , находящимся на высоте около 100 км над поверхностью Земли. Изменения в условиях отражения вызывают флуктуации, или замирания, меняющиеся во времени. Отраженные пространственные волны возвращаются к Земле на удалении от передатчика 80–1600 км. Однако дальность их распространения может превышать несколько тысяч километров из-за многократных отражений от земли и ионосферы. Сильные замирания возникают, когда сигналы поверхностной и пространственной волн, принимаемые одновременно, сравнимы по амплитуде, но противоположны по фазе, в результате чего происходит их частичное или полное взаимогашение. Этот эффект иллюстрирует рис. 2.

Короткие волны.

Механизм распространения пространственных волн обычно превалирует в коротковолновом диапазоне (3–30 МГц). При этом сигналы различных частот отражаются разными слоями ионосферы по-разному. Уровень принимаемого сигнала зависит от условий его распространения, в том числе от числа отражений, солнечной активности, показателя преломления среды, а также от суточных и сезонных изменений. Эти факторы оказывают решающее влияние на выбор оптимальных рабочих частот. На многих высокочастотных (коротковолновых) станциях в зависимости от времени суток используют разные частоты; их выбирают также с учетом расположения зоны, на которую направлена передача.

Метровый и дециметровый диапазоны.

ЧМ- и ТВ-станции вещания работают на метровых и дециметровых волнах. Передачи на таких частотах не подвержены воздействию статических помех и флуктуациям амплитуды из-за отражений сигналов, а также относительно свободны от замираний. Распространение сигнала происходит преимущественно по линии визирования. Расстояние до радиогоризонта примерно такое же, как до оптического горизонта; далее изменения сигнала увеличиваются из-за касания земли и других потерь. Однако прием обычно бывает удовлетворительным на расстояниях до ~160 км при благоприятном расположении вещательной станции (на возвышенности в сельской или пригородной зоне). Пересеченная местность, деревья и здания вызывают флуктуации сигнала, увеличивающиеся с частотой.

Многочисленные исследования, проводившиеся Канадской вещательной корпорацией и другими организациями, показали, что передающая антенна с круговой поляризацией обычно увеличивает трудности, связанные с многолучевым распространением, особенно в холмистой местности. Единственно, в чем она дает преимущество, – это двукратное увеличение уровня сигнала, принимаемого на гибкие вертикально-штыревые антенны легковых автомобилей. Большие водные бассейны и плоская равнинная местность также отражают сигналы метровых и дециметровых волн. Температурная инверсия и расслаивание атмосферы могут вызывать временное появление направленных потоков (повторная рефракция) над водой и значительно увеличивать (в том числе нежелаемые) сигналы станций, находящихся на удалении в 160–320 км. При других обстоятельствах взаимное гашение сигналов может привести к понижению их уровня.

В результате тропосферного рассеяния сигналы диапазона метровых волн могут распространяться на расстояния, превышающие 1600 км. ТВ-станции, вещающие на «нижних» каналах 2, 3 и 4, особенно подвержены таким сверхдальним скачкам сигналов.

По всем этим причинам выбор частоты вещания, места расположения станции, ее высоты и типа антенны имеет важное значение при проектировании вещательных станций.

ЗОНЫ УВЕРЕННОГО ПРИЕМА

АМ-радиовещание на средних волнах.

Географическая зона, в пределах которой вещательная станция обеспечивает уверенный прием, обычно делится на две части. Для станций АМ-вещания на средних волнах основная зона охвата обслуживается поверхностной волной, создающей поле достаточной интенсивности, чтобы преодолеть фоновый шум и обеспечить приемлемое качество в дневное и ночное время. Кроме того, имеется зона, обслуживаемая пространственными волнами в ночное время.

Напряженность поля.

Напряженность поля, или уровень сигнала, получаемого в каком-то определенном месте, зависит от передаваемой мощности, коэффициента усиления антенны, рабочей частоты, расстояния от передатчика, электропроводности почвы и, возможно, от дополнительного усиления водной поверхностью и другими факторами. Напряженность поля обычно выражается в милливольтах на метр (мВ/м) или в микровольтах на метр (мкВ/м). Сигнал интенсивности 1 мВ/м на небольшой штыревой (гибкой) или ферритовой антенне с действующей высотой 1 м может генерировать напряжение 1 мВ.

Измерения.

Напряженность поля можно оценивать приблизительно, но для получения точных данных необходимы измерения. Съемку карты напряженности поля, создаваемого станцией, выполняют, делая замеры через одинаковые интервалы вдоль прямой линии, начинающейся от передатчика и заканчивающейся в точке, где напряженность поля слишком мала, чтобы при измерении можно было получить надежный результат.

Реальная зона охвата, создаваемая вещательной станцией, оценивается в единицах расстояний или площадей, в пределах которых обеспечиваются приемлемые напряженности поля сигнала.

КВ-радио.

Вещательные станции, работающие на коротких волнах, обычно обслуживают аудиторию как внутри своей страны, так и в других странах. Зона такого обслуживания может простираться на много тысяч километров от передатчика. Это обслуживание ведется с использованием пространственных волн и обычно имеет неравномерный характер вследствие присущих ионосфере изменений ее отражательных характеристик, которые вызывают флуктуации уровней принимаемых сигналов. При средней напряженности поля 0,05 мВ/м в зонах, где препятствий, затрудняющих прием, немного, и при отсутствии чрезмерных помех от наложившегося или соседнего канала обычно достигается приемлемый уровень обслуживания.

Радио- и телевещание в диапазонах метровых и дециметровых волн.

Как отмечалось выше, сигналы этих диапазонов обычно распространяются вдоль линии визирования. Требуемые средние уровни сигналов для этих диапазонов выражаются в децибелах по отношению к уровню 1 мкВ/м или в единицах мВ/м. Во всех случаях оценки или измерения этих уровней производятся на высоте 9 м над поверхностью земли, что обычно соответствует высоте приемной антенны, установленной на крыше частного дома. Диапазоны, уровни и категории обслуживания приведены в таблице. Из таблицы видно, что напряженность поля увеличивается с повышением частоты. Основная причина этого состоит в том, что изменение и поглощение сигналов более заметны на высоких частотах из-за эффекта близости земли.

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИО- И ТВ-ВЕЩАНИЯ В МЕТРОВОМ И ДЕЦИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНАХ

Диапазоны частот, МГц

Применение

Каналы

основная

вспомогательная

дБмк

мВ/м

ДБмк

мВ/м

54–88
88–108

201–300

174–216
470–806

Дополнительные зоны обслуживания этих станций обычно обеспечиваются другими станциями, работающими на тех же самых или соседних каналах. Более того, в отсутствие помех от других станций хороший прием возможен и далеко за пределами дополнительных зон обслуживания. Так, например, напряженность поля 50 мкВ/м, создаваемая станцией ЧМ-вещания в метровом диапазоне или станцией ТВ-вещания, может быть вполне достаточной для приема на чувствительные приемники в сельской местности.

КАБЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Принцип кабельного телевидения с коллективным приемом CATV в последние десятилетия получил широкое распространение. В системе CATV базового уровня имеется центральная (головная) станция, расположенная в благоприятном месте или поблизости от населенного пункта. Система располагает также одной или несколькими антенными мачтами, приемными антеннами с высоким усилением, усилителями и конверторами. В населенном пункте должна иметься распределительная сеть, построенная на коаксиальном кабеле и содержащая промежуточные усилители; кабели сети обычно монтируют на столбах, но иногда их прокладывают в земле. Кабельное телевидение обеспечивает также лучшее качество приема программ региональных станций, в гористой местности и в городах. К улучшениям недавнего времени относятся широкополосные системы распределения, в которых часто имеются кабельные, микроволновые и иногда волоконно-оптические линии.

Многие многоквартирные дома и дома-кондоминиумы обслуживаются своими кабельными системами, у других имеются собственные коллективные антенны или мини-кабельные системы MATV (системы коллективного телевизионного приема).

ВЕЩАНИЕ СО СПУТНИКОВ

Американская корпорация коммерческой спутниковой связи «Комсат» была создана в 1961. После этого аналогичные организации появились как в США, так и в других странах. Многие из них представляют собой консорциумы, в которых участвуют и правительство, и промышленность. См. также СПУТНИК СВЯЗИ .

В последние годы межконтинентальная связь и прямой прием на домашнюю антенну передач со спутников получили широкое распространение. Спутники теперь могут обеспечить работу нескольких тысяч узкополосных телефонных, телеграфных и телетайпных каналов и многих широкополосных ТВ-каналов одновременно.

Для передач региональных вещательных станций и/или для компенсации различий в поясном времени могут использоваться несколько широко разнесенных линий передачи Земля – спутник. Эти линии имеют две частоты (для передачи и приема) и антенны диаметром от 5 до 11 м с управляемой диаграммой направленности. Спутниковые ретрансляторы преобразуют принимаемый сигнал на другую частоту, усиливают и ретранслируют его, используя лампу бегущей волны. Источником для электропитания аппаратуры служат солнечные и электрохимические батареи. Для удержания станции в нужном положении имеются двигатели реактивной системы ориентации и управления. Источники питания, устанавливаемые на современных спутниках, сохраняют работоспособность в течение 9–12 лет.

Разные службы пользуются различными частотами в пределах от 400 МГц до 22 ГГц для спутниковой связи. Наиболее часто для вещания со спутников на Землю используются частоты от 3,7 до 4,2 ГГц в С -диапазоне и от 12 до 12,7 ГГц в Q -дипазоне; многие спутники работают в обоих этих диапазонах. Для видеоканала обычно требуется полоса шириной от 20 до 25 МГц; выделяемые полосы имеют несколько большую ширину.

12-ГГц диапазон менее восприимчив к земным помехам, чем 4-ГГц диапазон. Расширение полосы спектра частот без увеличения помех требует дальнейшего совершенствования системы. Так, улучшение кросс-поляризационной характеристики и подавление боковых лепестков диаграмм направленности как передающей, так и приемной антенн позволили повысить точность управления положением спутниковой станции. Стандартное расстояние между спутниками на загруженных дугах орбит сокращено до 2° (1250 км). Положение спутника в заданной точке поддерживается с точностью ±20 км. Навигационная система спутника управляется компьютером. Незначительные коррекции ориентации обычно достаточно проводить раз или два в месяц.

Каждый ТВ-ретранслятор на спутнике может принимать один или несколько каналов. Форма и размер контура сильно меняются в зависимости от диаграмм направленности спутниковых антенн, ширины посылаемого луча, его направления и мощности. Типичные области обслуживания, полученные со спутника TDF1, показаны на рис. 3 для приемных станций с разными размерами антенных зеркал. Спутники TDF1 и TDF2 имеют по шесть 240-Вт ретрансляторов, работающих в Q -диапазоне. Для телевизионных передач используется Европейский стандартный сигнал D2-MAC.

Наиболее важным критерием, по которому можно судить об основных характеристиках приемной ТВ-станции, является ее среднее отношение сигнал/шум. Другие важные факторы – замирания в атмосфере и долговременная надежность.

Антенна наземной станции фокусирует энергию сигнала, принятого со спутника. Наиболее важные характеристики такой антенны – ее способность усилить желаемый сигнал и исключить сигналы, приходящие с мало отличающихся направлений. Ширина луча, создаваемого антенной, обратно пропорциональна ее диаметру. Например, в Q -диапазоне ширина главного лепестка диаграммы направленности при диаметре антенны 3 м составляет ±0,3°, а при диаметре 0,6 м – ±1,5°. Иными словами, меньшая антенна обладает худшим коэффициентом направленного действия; вдобавок ее коэффициент усиления впятеро меньше, чем у большей антенны.

Коэффициент усиления, или направленного действия (КНД), – это мера, характеризующая увеличение сигнала и обычно выражаемая в децибелах по отношению к изотропному излучателю. КНД зависит от рабочей частоты, размеров и КПД антенны. Чем больше антенна, тем, при прочих равных условиях, больше ее КНД.

Малошумящий усилитель МШУ обычно размещают непосредственно позади антенны и соединяют с ней волноводом и коаксиальным выводом с рупором. Важное значение имеет компромисс между шумовой температурой МШУ и КНД антенны, выражаемый показателем качества G /T системы. В альтернативном варианте можно использовать малошумящий преобразователь, сочетающий в себе функции МШУ и понижающего преобразователя. Этот прибор, также обычно размещаемый у антенны, преобразует частоту из выбранного рабочего канала диапазонов C или Q в диапазон промежуточной частоты (70 МГц).

При выборе места расположения приемной наземной станции учитывают ряд факторов, к числу которых относятся беспрепятственная видимость дуги орбиты, на которой находится спутник с ретранслятором, существующие и планируемые постройки в ближней к станции зоне, возможные источники помех и т.п.

На рис. 4 показаны антенны трех типов для наземных приемных станций. В двух случаях используются параболические зеркала, а в третьем антенна выполнена в виде плоской печатной схемы и не содержит зеркала.

Спутниковая связь имеет два основных преимущества перед наземной. Стоимость ее услуг не зависит от дальности, и многие пункты могут обслуживаться при сравнительно малых вложениях в оконечное оборудование. Эти факторы делают спутники идеальным средством для трансляции программ вещания над территориями больших стран или субконтинентов. Уникальные возможности дает использование спутников для обслуживания изолированных и удаленных регионов, где наземные микроволновые линии либо отсутствуют, либо обходятся дорого (например в Северной Канаде, на Аляске, в Сибири и на Дальнем Востоке).

НЕВЕЩАТЕЛЬНЫЕ СЛУЖБЫ

Большинство систем вещания пригодно также и для других применений. Так, например, АМ-станции средневолнового диапазона могут служить в качестве аэронавигационных и морских навигационных радиомаяков, в особенности в таких удаленных и малонаселенных регионах, где отсутствуют обычные вспомогательные средства навигации.

Во всех международных соглашениях о выделении частот для вещания предусматриваются свободные участки, что дает возможность дополнительной передачи сигналов. В качестве примеров можно привести передачи на очень низких частотах (20–25 Гц) сигналов управления от средневолновых станций и выделение 5-кГц полосы на станциях ЧМ- и ТВ-вещания для каналов связи с космическим транспортным кораблем «Шаттл».

К числу вспомогательных услуг ТВ-вещания относится передача буквенно-цифровых субтитров по заказу (кодированные субтитры, передаваемые в видеосигнале) при показе фильмов на иностранных языках, для плохослышащих телезрителей и т.д. Такая информация передается во время вертикального гасящего импульса, но для доступа к ней требуется декодер. Другие абоненты могут заказать желаемую информацию по телефону или воспользовавшись клавиатурой. Эта же служба может предоставлять такие специальные услуги, как уроки иностранного языка или финансовую информацию, а также обучение письму и графике. В альтернативном варианте эти каналы можно использовать частным образом для телеметрии, управления и контроля качества сигнала.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Важные проекты улучшений как в радио-, так и в телевещании сейчас разрабатываются или реализуются. Система цифрового звукового вещания (DAB) «Эврика» 147 прошла эксплуатационные испытания в Западной Европе. Восемь и большее число программ передавались в стереофоническом варианте одним передатчиком. В проекте участвовали Бельгия, Великобритания, Германия, Нидерланды и Франция.

Рассматривается возможность использования DAB для микроволнового вещания со спутника, а также для одночастотных наземных сотовых сетей. Эти сети могли бы работать на частоте около 210 МГц. Каждый канал мог бы занимать полосу 7 МГц и служить для передачи до 16 разных стереопрограмм. Новые интегральные схемы облегчат производство небольших приемников, оснащенных переключателями диапазонов и режимов.

Система «Эврика» успешно прошла эксплуатационные испытания и в Канаде. Для обслуживания больших городов использовался передатчик, излучавший мощность в несколько киловатт. Полученные результаты показали, что при работе на уровнях мощности 10–20 кВт прием в городских условиях может быть значительно улучшен благодаря уменьшению помех и исключению мертвых зон и искажений, обусловленных многолучевым распространением. Кроме того, благодаря схемным улучшениям ЧМ-приемника, возможно, удастся уменьшить трудности, связанные с многолучевым приемом, и в некоторой степени повысить качество звука. В качестве факультативной возможности у некоторых выпускаемых приемников уже предусмотрен прием цифрового вещания.

На повестке дня стоит также вопрос о телевидении повышенной и высокой четкости. Такое телевидение будет, видимо, наиболее привлекательно для вещания со спутников и(или) по кабельной сети, что объясняется повышенными требованиями к ширине полосы каналов и перегруженностью спектра в современных диапазонах вещания на метровых и дециметровых волнах.

Японская вещательная корпорация приступила к экспериментальному вещанию телевидения высокой четкости (ТВЧ) со спутника на частотах диапазона Q . Это вещание рассчитано на прием только в Японии и занимает полосы 24 МГц в дециметровом диапазоне на частотах 12 ГГц и 8 ГГц. Видеосигнал представляет собой АМ-волны, соответствующие ТВ-стандарту на 1125 строк (стандарт кодирования с многократной субдискретизацией).

Разные системы телевидения повышенной или высокой четкости проходят оценку в США и Канаде. Большая часть их относится к цифровым, другие – к аналоговым, одна выполнена по модифицированному японскому стандарту MUSE. В соответствии с новой концепцией Федеральной комиссии связи для улучшенного телевидения планируется использовать наземные службы распределения, работающие в дециметровом диапазоне. Как и в японской системе MUSE, в ней используется формат кадра (отношение ширина/высота) 16:9 вместо обычного 4:3. Она рассчитана на широкий экран и широкий угол обзора, что повышает реализм восприятия изображения и дает примерно удвоенное изображение по горизонтали и вертикали по сравнению с обычным.

Широкое распространение приема спутникового телевидения непосредственно в жилых домах радикальным образом изменит вещание и связь. В Европе и Японии такие системы используются с 1989; они принимают сигналы на зеркальные антенны диаметром всего лишь 40–60 см и обеспечивают множество каналов. Аналогичные спутники, оснащенные гораздо более мощными ретрансляторами Q -диапазона, НАСА ввело в действие в 1994–1995. Тем не менее очень мала вероятность того, что будет принят какой-либо всемирный стандарт на телевидение высокой четкости. Скорее, каждая крупная промышленно развитая страна или группа стран, как, например, Европейский союз, разработают собственные стандарты. См. также АНТЕННА ; ЗВУКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ЗАПИСЬ ; ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ; СПУТНИК СВЯЗИ ; ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ .

Литература:

Резников М.Р. Радио и телевидение вчера, сегодня, завтра . М., 1977
Александрова Т.С., Урьев А.Г. Основы телевидения и радиорелейной связи . М., 1980
Ефимов А.П. и др. Радиосвязь, вещание и телевидение . М., 1981



Cтраница 4


На рис. 5.27 изображен пример схемы реактивного метода измерения частоты применительно к диапазону дециметровых и сантиметровых волн.  

Потребность в радиочастотных кабелях значительно возросла в связи с использованием сверхвысоких частот - диапазона дециметровых и сантиметровых волн.  

Магний-цинковые ферриты А-34, А-1331 и другие и магний-марганцовые предназначены для работы в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн.  

Использование обычных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и др.) в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн ограничивается главным образом инерцией электронов и влиянием распределенных реактивностей: междуэлектродных емкостей и индуктивностей вводов. Основные особенности электронных при-ров СВЧ диапазона связаны с устранением влияния перечисленных факторов.  

Повторение через интервал РРЛ одних и тех же частот допустимо, так как в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн при отсутствии прямой видимости между антеннами радиорелейных станций, расположенных через три интервала, ослабление сигнала, как прави-бо, достаточно велико. Однако при некоторых условиях распространения радиоволи, например при повышенной рефракции, возможен прием сигнала от станции, отстоящей на три интервала (минуя две станции), что приводит к значительным искажениям передаваемых сигналов.  

Резонансные волномеры по своей конструкции и простоте отсчета являются наиболее удобными приборами для измерения длины волны в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн и благодаря этому получили в радиоизмерительной технике широкое применение.  

Наиболее широкое внедрение керамика получила в так называемых металлокерамических лампах, разработанных первоначально для работы специально в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. Во всех случаях при этом применяются специальная керамика с малыми диэлектрическими потерями и сплавы или металлы с коэффициентом теплового расширения, близким к значениям того же коэффициента для керамики.  

Таким образом, обычные волноводы в нижней части миллиметрового диапазона и особенно в субмиллиметровом диапазоне имеют почти те же недостатки, которые присущи обычным длинным линиям в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. Проблема передающих линий миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, пригодных для передачи больших мощностей и обладающих малыми потерями, полностью не решена до настоящего времени.  

Передатчики магистральной радиосвязи входят в радиорелейные линии прямой видимости (РРЛ), линии космической (спутниковой) связи и линии связи, использующие явление рассеяния радиоволн на неоднородностях тропосферы, - тропосферные линии. Такие линии работают в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, осуществляя многоканальную радиотелефонную связь (с возможностью вторичного уплотнения телефонных каналов телеграфными) и передачу программ телевидения. Расположенные на спутниках передатчики-ретрансляторы имеют мощность около нескольких десятков ватт.  

Коэффициент шума для смесителя рассчитывается в том случае, если до него нет усилительных каскадов. Это обычно имеет место в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн. В метровом диапазоне смесительному каскаду обычно предшествует усилитель радиочастоты.  

Замедляющая система, вдоль которой движется бегущая волна, - кольцевая. Применяется как усилитель мощности в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн и как самовозбуждающийся генератор.  


Прежде чем перейти к описанию отдельных элементов приемного тракта, заметим, что приборы, используемые в качестве УВЧ, были уже рассмотрены в предыдущей главе. Из этих устройств наибольшее распространение в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн получили ЛБВ, а в последнее время - параметрические и квантово-механические усилители, которые применяются и на более коротких волнах.  

В настоящее время почти всё телевизионное вещание перешло на трансляцию в дециметровом диапазоне. Это обусловлено тем, что волны этого диапазона малочувствительны к влиянию внешних помех и оборудование, применяемое для обеспечения трансляции в этом диапазоне, обладает невысокой стоимостью . В качестве диапазона для использования цифрового телевидения Т2 был выбран именно он.

Дециметровые волны (ДМВ) располагаются в диапазоне радиоволн, имеющих длину волны от одного метра до 10 см, и лежат в частотах от 300 МГц до 3 ГГц. Для приёма ДМВ применяются широкополосные антенны направленного действия они могут осуществлять приём телетрансляций на удалении 60-70 км от телецентра.

Особенности приёма ДМВ

Необходимо понимать, что чёткого различия между профессиональными и домашними антеннами не существует. Профессиональные антенны для телевизионного режима имеют узкую диаграмму направленности, а значит и больший коэффициент усиления. Благодаря этому они имеют более усложнённую , с множеством элементов конструкцию, чем домашние.

Перечислим основные части, из которых состоит антенна:

  • фидер;
  • рефлектор;
  • вибратор;
  • директор.

В первую очередь на качество приёма оказывает влияние рельеф местности . Различные барьеры, возникающие на пути прохождения сигнала, ослабляют его уровень или не дают его распространению. В зоне отсутствия прямой видимости антенны нередко настраивают на отражённый сигнал и из-за этого приходится применять различного вида активные усилители и согласователи.

В близости от передатчика антенна может ставиться внутри помещения или снаружи. В отдалении, конечно, нужно ставить снаружи: на стену, балкон, крышу, мачту. Обычно в удалении от ретранслятора антенна размещается на высоте 8-15 м на мачте.

Симметрирование антенн

Симметрирующие устройства устраняют попадание токов радиочастоты на внешнюю площадь наружного проводника (оплётки) коаксиального провода. Подключать без такого устройства нельзя, так как это приводит к искривлению диаграммы направленности антенны и уменьшению помехоустойчивости приёма. Когда входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления провода, то такое устройство применяется и как согласующее.

Согласующее устройство для антенны своими руками выполнить несложно. Обычно применяют четвертьволновой мостик или волновое U-колено. Мостик представляет собой двухпроводную короткозамкнутую линию с величиной длины Lcp/4, подключённую к зажимам вибратора. Мостик состоит из двух трубок, изолятора и короткозамкнутого шунта. Через одну из трубок (например, левую) пропускается кабель. Внешний проводник (оплётка) подключается к левой трубке вибратора и левой трубке мостика, центральный контакт - к правой трубке вибратора .

Волновое колено выполняется из кабеля и состоит из двух отрезков с волновым сопротивлением 75 Ом, соответственно длиной Lc/4 и Lc/3, где Lc средняя длина волны в кабеле. Выдерживать определённое расстояние между кабелями не нужно. Рабочая полоса частот составляет 12- 15 процентов.

И также может использоваться проволочный трансформатор . Он трансформирует входной импеданс антенны в импеданс равный 73 Ом. Две пары катушек трансформатора намотаны поочерёдно на двух каркасах диаметром 5- 7 мм. Намотка непрерывная, в два провода. Промежуток между каркасами 15-20 мм. Монтаж выполняется на металлической плате, к концам которой припаиваются оплётка фидера и концы обмоток.

Проволочная антенна

Самую простую конструкцию можно выполнить из куска медной проволоки . Такая антенна представляет собой петлевую рамку, которая состоит из двух разделённых зазором проводников. В случае использования мачты, крепление осуществляется с помощью изоляционной пластины, например, гетинакс, покрытый лаком или текстолит. Место подключения кабеля при использовании на улице следует закрыть от прямого попадания атмосферных осадков.

Основная операция будет заключаться в расчёте длины петли. Для этого необходимо знать частоту передачи эфирного сигнала. Длина волны, соответствующая несущей частоте изображения f, вычисляется по формуле L = 300/f. Например, для частоты 600 МГц это значение будет L = 300/600= 0,5 м. То есть длина петли составит 50 см.

Алюминиевый диск

Для изготовления нам понадобится:

  • алюминиевый диск толщиной 1 мм;
  • печатная плата из стеклотекстолита толщиной 1 мм;
  • согласующий трансформатор;
  • кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

В алюминиевом диске диаметром 356 мм, с отверстием посередине с диаметром 170 мм, делается пропил 10 мм. Вместо выпиленного куска устанавливается печатная плата, к которой припаивается согласующий трансформатор. Вместо него можно установить усилительное устройство, взятое из комплекта, идущего с польской антенной.

Волновой канал

Несложная по конструкции высокоэффективная антенна направленного действия, которая может быть использована практически во всём диапазоне телевизионного вещания. Антенна представляет собой активный полуволновой вибратор (обычно петлевой), рефлектор из нескольких директоров, укреплённых на основании стрелы, зафиксированные скобами или сваркой. Вибратор со стрелой закрепляется на мачте. Соединение кабеля и симметрирующе-согласующего U образного колена к активному вибратору производится с помощью специальной коробки.

Полуволновое колено выполняется из отрезков коаксиального кабеля длиной равной средней длины волны поделённой на два. U-колено является сразу как симметрирующим устройством, так и трансформатором сопротивлений: оно изменяет входное сопротивление петлевого вибратора 292 Ом до 73 Ом, что даёт возможность обеспечить согласование вибратора с фидером. Оплётки кабеля колена нужно спаять между собой, а также с оплёткой фидера. Длина отрезка используемого провода примерно будет около 185 мм.

Расчёт

ДМВ антенны вибраторы изготавливаются из трубок диаметром от 14 до 25 мм, несущую стрелу 18-35 мм. Мачта может быть изготовлена из трубок диаметром 40-50 мм, со стенкой 3-4 мм или деревянного бруса 60×60 мм.

Расстояние между элементами устройства можно рассчитать в специально созданных для этого программах: Antwu 15, 4K6D и т. п. Эти утилиты русифицированные , разобраться будет нетрудно.

Зигзагообразное устройство

Несложная в изготовлении антенна широкого диапазона. Работает в двукратной полосе частот. Конструкция представляет собой две вертикальные рейки, закреплённые на диэлектрической стойке. На верхнем и нижнем конце стойки крепят стальные планки. Планки такого же вида, но через изоляционные шайбы, закрепляют на концах реек. На стойке между рейками располагают непроводящую пластину, на которой установлены две пластины из проводника .

Кабель диаметром 3-4 мм соединяют со стальными планками. Его также подпаивают к нижней планке. Провод прокладывают параллельно стороне внутреннего кабеля нижней рамки и припаивают к планкам (оплётку - слева, центральный проводник справа).

Для упрощения конструкции можно использовать только один ромб, зигзаг. Размер такого ромба составит 340×340 мм. Расстояние между двумя металлическими планками в центре ромба берут около 10 мм. В качестве материала применяют алюминиевые, медные или латунные трубки, или полоски шириной 6-10 мм.

Усилитель

Для улучшения приёма телевизионного эфира часто применяют антенну с активным усилителем сигнала. Обычно такой усилитель не нуждается в настройке и выполняется на малошумящих транзисторах с усилением около 20 дБ.

Для того чтоб изготовить усилитель ТВ сигнала своими руками, понадобится печатная плата и следующий перечень радиоэлементов:

  1. Резисторы: R1, R5-220 Ом; R2, R6-8,2 кОм; R3-3,3 кОм; R4, R8-22 Ом; R7- 1,5 кОм.
  2. Конденсаторы: C1-0,01 мкФ; C2, C4, C6-220 пФ; C3, C5-100 нФ.
  3. Транзисторы: VT1, VT2 S790T.

Схема антенного усилителя для телевизора своими руками будет выглядеть так:

https://masterkit.ru/images/magazines/3_SH3 04 .gif

Усилитель выполнен на транзисторах S790T по схеме с общим эмиттером и имеет две корректирующие цепочки R1, C3 и R5, C5. Устройство собирается на двух усилительных каскадах. Центральная жила входного кабеля подпаивается на вход конденсатора C2, а оплётка экрана на общую землю. Усиленный сигнал снимается с выхода конденсатора C6.

Усилитель для антенны распаивают на отдельной независимой плате, радиоэлементы на ней устанавливаются навесным способом. Крепят плату посередине антенны, такое расположение позволяет эффективно принимать сигнал.

Рамочная антенна

Самодельное устройство будет состоять из следующих элементов:

  • алюминиевые полосы размером 320 мм;
  • мачта;
  • рефлектор;
  • усилительное устройство;
  • кабель.

Вначале собирается рамка из четырёх полос. Крепление между собой осуществляется с помощью винтов. В середину рамки устанавливается крестовина. От центра каждая часть крестовины укорачивается на 5 мм. Ближайшие друг к другу части обрезанных пластин соединяются проводником, образовывая два внутренних, разделённых квадрата. К этим пластинам припаивается кабель, к одной центральная жила, к другой оплётка. Далее антенна устанавливается на мачте, и крепится усилитель.

Логопериодическая

Такая антенна выделяется хорошим согласованием с коаксиальным кабелем и узкой диаграммой направленности, что позволяет принимать телевизионный сигнал на значительном удалении.

Антенна состоит из двухпроводной симметрично распределённой линии, образованной из одинаковых трубок, лежащих параллельно друг другу. На эти трубки устанавливаются полувибраторы в количестве семи штук, при этом направление их чередуется на противоположное относительно предыдущего.

Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом прокладывается в одну из линий, концы труб в месте входа фидера соединяются пластинкой из проводника. Экран кабеля распаивается при его выходе из линии, а центральная жила припаивается к лепестку, установленном на заглушке другой трубы. Расстояние между вибраторами выбирают от начала 80, 94,77, 63, 52, 43, 35 мм, а их размер соответственно 160, 131, 107, 88, 72, 60, 49 мм.

Польская

Если выполнить самостоятельно усилитель нет возможности или желания, можно приобрести готовый. Особой популярностью пользуются те, что стоят в так называемых польских антеннах, например, фирмы Sowar. Польская антенна работает в широкополосном диапазоне, т. е. может принимать дециметровый и метровый сигнал. Однако, в том виде в котором она есть, она не очень приспособлена для приёма цифрового телевидения DVB-T, поэтому для её использования рекомендуется выполнить доработки.

Всё дело в том, что входное сопротивление усилителя выше сопротивления антенны. Для начала убираем длинные метровые активные вибраторы или укорачиваем их до размеров дециметровых, затем удаляем полотно рефлектора от активных вибраторов. Таким образом, изменяется сопротивление антенны. Из усилителя желательно выпаять и узел согласования, кольцо из феррита. Это поможет расширить диапазон, увеличит сопротивление, изменит частотную характеристику.

Баночная

Эта оригинальная антенна, которую просто сделать самостоятельно, не уступит по параметрам логопериодической антенне. Собирается из двух консервных банок. Банки берутся размерами 75×95 мм. С помощью двух полосок стеклотекстолита банки соединяются путём пайки. Одна полоска сплошная, а на второй делается разрыв в который подпаивается кабель. Принцип работы её основан на свойстве симметричного широкополосного вибратора, за счёт чего она обладает большим коэффициентом усиления.

Рассмотренные виды антенн без проблем можно подключать к всевозможным приставкам для приёма цифрового телевидения и даже фм диапазона.