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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antenas de TV ao ar livre. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas de televisão Devido ao rápido crescimento do número de canais de transmissão televisiva, é muito difícil garantir uma recepção de alta qualidade de todos os programas de televisão. Em primeiro lugar, depende das antenas utilizadas. Portanto, seus principais projetos, testados pelo autor sob diversas condições, são discutidos a seguir. Mas primeiro, vamos relembrar as informações básicas sobre frequências, bandas e canais de televisão. As frequências de televisão cobrem a faixa de 48,5 a 790 MHz. Eles são divididos em faixas de metros (canais 1-12, frequências 48,5...230 MHz) e decímetros (canais 21-60, frequências 470...790 MHz). Um canal de televisão ocupa a faixa de frequência de 8 MHz. Para calcular o comprimento de onda operacional das antenas, recomenda-se selecionar a frequência portadora da imagem, uma vez que o sinal da imagem é modulado em amplitude, é mais suscetível a interferências e requer mais amplificação do que o sinal de áudio modulado em frequência. A frequência da portadora de imagem do 1º e 2º canais de televisão é 49,75 e 59,25 MHz, respetivamente. Para os canais 3-5 (em megahertz) é calculado da seguinte forma: fn.iz=77,25+(N-3)x8, onde N é o número do canal; para 6-12: fn.from=175,25+(N-6)x8, e para 21-60: fn.from=471,25+(N-21)x8 A frequência da banda central de um canal pode ser obtida adicionando 2,75 ao valor da portadora da imagem. A frequência da portadora de áudio é 6,5 MHz superior à frequência da portadora de imagem. O comprimento de onda operacional L (em metros) no ar, dependendo da frequência operacional f (em megahertz), é determinado pela fórmula l = 300/f. Em outros dielétricos o comprimento de onda é mais curto (por exemplo, em polietileno em 1,52 vezes). Este fato deve ser levado em consideração na fabricação de elementos ressonantes de dispositivos correspondentes a partir de cabo coaxial de polietileno. Agora um pouco sobre o design das antenas. É aconselhável utilizar tubos, varetas, tiras, cantoneiras e fios de metais e ligas com boa condutividade elétrica (cobre, alumínio, latão) como materiais para sua fabricação. A banda larga da antena depende da área de superfície dos elementos ativos: quanto maior a área (quanto maior o diâmetro dos tubos ou a largura das tiras), mais banda larga será a antena (mas também mais pesada). Não é recomendado escolher o tamanho transversal dos elementos (tubos, hastes) da antena inferior a 1/200 do comprimento de onda em que opera, pois isso deteriora significativamente os parâmetros elétricos e a resistência mecânica. A largura das tiras é escolhida para ser 1,5...2 vezes o diâmetro recomendado dos tubos ou hastes, a espessura é de 2...3 mm. A superfície dos elementos deve ser plana e lisa. Para a faixa UHF, os melhores resultados são obtidos se forem utilizados elementos feitos de um material com superfície polida, uma vez que as correntes HF são induzidas apenas em sua camada superficial. Se precisar dobrar os elementos da antena, faça-o com cuidado, colocando pedaços de textolite ou madeira sob as mandíbulas do torno para não danificar a superfície. Antes disso, os tubos devem ser bem preenchidos com areia e tampados com tampões de madeira. Ao instalar antenas fora do alcance dos pára-raios, sua proteção confiável contra raios é garantida [1]. Além disso, as conexões elétricas e os locais onde a trança do cabo sai do isolamento externo devem ser cuidadosamente vedados, preenchendo-os com vernizes ou resinas dielétricas resistentes à água e ao calor. Para orientar com precisão a antena na direção desejada, o sinal na entrada da TV deve ser atenuado várias vezes com um atenuador. Neste caso, o sistema AGC da TV deixa de funcionar e o máximo do sinal recebido torna-se mais perceptível. E, finalmente, sobre as próprias antenas. Vamos começar com banda estreita. São concebidos para receber um ou mais canais de televisão, desde que as suas frequências difiram no máximo 5...10%. Neste caso, a antena é projetada para a frequência média geométrica, calculada como a raiz quadrada do produto das frequências de cada canal, ou a frequência do sinal de um canal mais fraco. As antenas também são divididas em simples e complicadas [2]. Este último pode conter, além de um elemento ativo, um refletor, diretores e até elementos ativos adicionais. As antenas mais simples recebem igualmente um sinal direto e um sinal vindo da direção oposta ao centro de televisão. Eles têm o menor ganho (e eficiência). Portanto, seu uso é, via de regra, limitado a uma curta distância da antena transmissora na ausência de sinais refletidos (visualmente aparecem na tela da TV na forma de imagens multicontornos ou borradas). As antenas mais simples incluem um “vibrador linear dividido em meia onda” [1, 2], mostrado esquematicamente na Fig. 1. Possui uma impedância de entrada com uma frequência ressonante de cerca de 75 ohms. É o seu ganho que normalmente é considerado convencionalmente como 0 dB. O vibrador é feito de tubos, hastes ou tiras. O diâmetro d dos tubos é escolhido igual a 20...30 para MV e 6...12 mm para UHF. A distância entre as extremidades dos tubos l deve ser igual à metade do comprimento de onda operacional da antena, multiplicado pelo fator de encurtamento, que depende da relação entre o diâmetro dos tubos e o comprimento de onda operacional. Para proporções de 0,001 e 0,003, os valores dos coeficientes são 0,96 e 0,95, respectivamente. Se subir para 0,005 ou mais, o coeficiente é reduzido para 0,94. A distância L é escolhida dentro da faixa de 50...80 para MV e 20...30 mm para UHF. Para obter o nível máximo do sinal, o vibrador é colocado horizontalmente em um plano perpendicular à direção de recepção (com polarização horizontal das ondas do transmissor).
Ao conectar a antena ao alimentador, use um dispositivo de correspondência de loop de quarto de onda de acordo com o circuito mostrado na Fig. 2, que é composto por uma seção de cabo em curto-circuito com comprimento lsh igual a um quarto do comprimento de onda no qual a antena está sintonizada (levando em consideração o fator de encurtamento). A distância D para a faixa MV é escolhida entre 50...80 e para a faixa UHF - 20...30 mm.
Outra antena simples é o “vibrador de meia onda Pistolkors” [1, 2], mostrado na Fig. 3, tem uma impedância de entrada com frequência de ressonância de 295 Ohms. Assim como um vibrador split, a antena é feita de tubos, hastes ou tiras. O raio de curvatura não importa; as dobras podem ser feitas em ângulos retos. A principal vantagem do vibrador Pistolkors sobre o split é que no ponto de simetria ele tem potencial zero, e neste ponto pode ser fixado ao mastro sem isoladores. O vibrador também é colocado horizontalmente em um plano perpendicular à direção de recepção.
A antena tem uma largura de banda mais ampla do que um vibrador dividido e tem melhor imunidade a ruídos. As dimensões l, L, d são escolhidas da mesma forma que para um vibrador dividido. Porém, no cálculo do coeficiente de encurtamento do vibrador Pistolkors, ao invés do diâmetro dos tubos, toma-se um valor igual à raiz quadrada dupla do produto do diâmetro do tubo d pelo tamanho S no vibrador. Este último é igual a 80...100 para MV e 40...50 mm para UHF. Para conectar a antena ao alimentador, utilize o mostrado na Fig. 4 Dispositivo de correspondência “cotovelo em U”, feito de um pedaço de cabo coaxial com impedância característica de 75 Ohms. O comprimento lш é igual à metade do comprimento de onda em que a antena opera, dividido pelo fator de encurtamento de um cabo de polietileno (1,52). O dispositivo está conectado ao vibrador nos pontos A e B.
É possível reduzir a influência do sinal refletido e aumentar ligeiramente o ganho das antenas mais simples, tornando-as mais complexas, por exemplo, colocando um refletor atrás do vibrador ativo (na direção do centro de televisão), conforme mostrado na Fig. 5 para a antena “canal de onda”, que será discutida abaixo. O comprimento dos elementos refletores deve ser maior que o comprimento do vibrador l em 5...15%, e a distância do vibrador ao refletor é escolhida dentro de 0,15...0,2 do comprimento de onda operacional.
Antenas loop [1], mostradas na Fig. 6 e 7, possuem bons parâmetros com relativa simplicidade do dispositivo. Sua impedância de entrada na frequência de ressonância é de 73 Ohms, o ganho é de 3,5 dB. Eles são posicionados da mesma forma que o vibrador Pistolkors para obter o nível máximo de sinal.
Para uma antena em zigue-zague incompleta (Fig. 6), a distância a é escolhida igual a um quarto do comprimento de onda operacional. Em uma antena anelar (Fig. 7), a circunferência l é igual ao comprimento de onda em que ela opera. Para ambas as antenas, a distância L é de 10...15 para HF e 7 mm para UHF. As antenas de quadro são conectadas ao alimentador por meio de um “loop em curto-circuito de um quarto de onda” (ver Fig. 2). Se um forte sinal refletido interferir na recepção no lado oposto à direção do centro de televisão, então sua influência pode ser significativamente reduzida colocando uma tela refletora atrás da antena, como mostrado na Fig. 8. Ao mesmo tempo, o ganho da antena também aumenta aproximadamente 3 dB.
Estruturalmente, a tela é feita dos mesmos elementos do próprio tecido da antena, mas também é permitido o uso de condutores mais finos. A largura a e a altura b da tela são 5...10% maiores que as dimensões gerais correspondentes da antena. A distância D entre os elementos da tela não é superior a 0,1 comprimento de onda operacional e C entre a folha da antena e a tela é de 0,21...0,27 comprimento de onda. Os elementos da tela são fixados ao mastro apenas no centro. A antena ziguezague completa mostrada na Fig. 9 também não é difícil de fabricar [1]. É composto por dois incompletos (ver Fig. 6). É composto por tubos, varetas, tiras ou dois ou três fios de cobre de 2...3 mm de espessura, colocando-os paralelos a uma distância de 5...10 para UHF e 20...50 mm para MT. A impedância de entrada da antena na frequência de ressonância é de 73 Ohms. Ganho - 6 dB.
A antena é conectada ao cabo de descida sem dispositivos correspondentes diretamente nos pontos A e B. O alimentador é colocado ao longo de um lado da antena. Caso seja necessário aumentar o ganho e reduzir a influência dos sinais refletidos, instale uma tela refletora da mesma forma que para antenas de quadro. O aumento do ganho de uma antena em zigue-zague é conseguido utilizando sistemas multi-elementos, antenas com elementos de borda aberta e ângulo superior a 90° [3]. A antena “tripla quadrada” [4] tem um design sofisticado e é um híbrido de uma antena loop e um “canal de onda”. É mostrado na Fig. 10. Sua impedância de entrada é de 70 Ohms, o ganho é de 8 dB. A antena consiste em três elementos quadrados: um refletor (P), um vibrador ativo (B) e um diretor (D). Os elementos são constituídos por hastes, fios, tubos ou tiras com dimensão transversal de pelo menos 3 mm para UHF e 10 mm para MT. Os lados dos quadrados P, B e D são iguais a 0,32, 0,25, 0,22 comprimentos de onda operacionais, respectivamente. A distância a entre o refletor e o vibrador é 0,16, e entre o vibrador e o diretor b é 0,11 comprimento de onda operacional.
Ao fazer uma antena, os planos dos quadrados devem ser paralelos e seus centros devem estar no mesmo eixo. Você pode aumentar a rigidez da antena instalando, além da barra transversal metálica superior, espaçadores dielétricos entre os quadrados. A distância L para MV é 40 e para UHF é 15 mm. A antena é conectada ao alimentador através de um dispositivo correspondente “loop em curto-circuito de um quarto de onda” (ver Fig. 2). Piores resultados ao simplificar a antena podem ser obtidos abandonando o diretor (antena quadrada dupla), mas ao mesmo tempo alterando o lado do refletor P e a distância a para 0,31 e 0,18 comprimentos de onda, respectivamente. A impedância de entrada de tal antena é de cerca de 100 Ohms e o ganho é 3...4 dB pior do que o de um “quadrado triplo”. Projetos de banda estreita ainda mais complexos incluem a antena “canal de onda Spindler” [5], mostrada na Fig. 5. Sua impedância de entrada na frequência de ressonância é de 280 Ohms. O ganho depende do número de elementos (ver tabela).
Tal antena multielemento, além do vibrador ativo, que geralmente é feito na forma de um vibrador Pistolkors, consiste em vários vibradores-diretores passivos, com comprimento decrescente, localizados na frente do vibrador ativo (na direção de centro de televisão), e uma tela refletora colocada atrás, na direção oposta ao centro de televisão Ela opera com base no princípio das ondas viajantes e é considerada a antena de banda estreita mais eficiente. No entanto, é difícil de calcular e requer precisão na fabricação. O objetivo dos diretores é fortalecer o sinal útil vindo da direção principal, e o refletor é enfraquecer os sinais refletidos e outros sinais interferentes. Estruturalmente, os elementos da antena são montados sobre uma travessa metálica ou dielétrica que possui a resistência mecânica necessária. Ao usar uma travessa de metal, o comprimento dos elementos é aumentado pela metade do tamanho transversal da travessa. Para calcular as dimensões da antena, são utilizadas fórmulas complexas ou programas de computador prontos. Um desses programas foi desenvolvido pelo autor e está no site da revista Rádio. Na fabricação de uma antena, atenção especial deve ser dada à manutenção das dimensões exatas dos elementos, das distâncias entre eles e da simetria da antena. O cabo de redução é conectado através de um dispositivo de correspondência “cotovelo em U” (ver Fig. 4) aos pontos A e B do vibrador Pistolkors. As antenas de banda larga são projetadas para receber sinais de televisão com frequências significativamente diferentes. Eles funcionam bem sem ressintonização, às vezes cobrindo completamente as faixas MV ou UHF e até mesmo todos os canais de televisão MV e UHF. As mais simples dessas antenas de banda larga incluem antenas aranha e antenas em zigue-zague. O projeto da antena teia de aranha é mostrado na Fig. 11. Uma antena semelhante é descrita em [2]. Seu ganho é de 1,5 dB, a impedância de entrada é de 73 Ohms. Esta antena possui uma ampla faixa de frequência operacional. Porém, devido ao seu baixo ganho, seu uso é limitado à faixa de MT. A antena é orientada da mesma forma que qualquer antena simples.
Os elementos da antena são feitos de fio de cobre ou haste de latão com espessura de pelo menos 3 mm. Nas junções dos fios, é garantido um contato elétrico confiável. As dimensões da antena são escolhidas para a faixa de frequência mais baixa, como para um vibrador dividido em meia onda. O ângulo de abertura a é escolhido entre 90 e 120°. A antena não requer o uso de dispositivos correspondentes - o alimentador é conectado diretamente aos pontos A e B. Uma antena em zigue-zague acaba sendo de tamanho pequeno se usada em UHF. Porém, como os estudos descritos em [6] mostraram, é possível expandir sua banda de frequência de operação para uma região de frequência mais baixa se elementos adicionais mostrados na Fig. 9 forem utilizados no projeto. XNUMX por linha tracejada. Neste caso, a antena zigue-zague de banda larga é projetada para a frequência mais alta do sinal recebido. Muitas vezes (especialmente em áreas distantes das estações transmissoras), o ganho de uma antena é insuficiente para uma recepção confiável. Neste caso, são usados amplificadores de antena ou conjuntos de antenas [4]. Além disso, o uso deste último é mais preferível, uma vez que qualquer amplificador introduz ruído e distorção adicionais no sinal útil e requer ajuste cuidadoso com equipamentos de medição bastante complexos. O arranjo mais simples de dois andares consiste em duas antenas do mesmo tipo, cujos elementos ativos estão localizados no mesmo plano vertical. As antenas devem ser espaçadas umas das outras (geralmente verticalmente) a uma distância H igual ao comprimento de onda operacional. O ganho de tal conjunto é aproximadamente 3 dB maior que o de uma única antena. Melhores resultados podem ser obtidos usando um conjunto de antenas de quatro antenas, chamado double-deck double-row, como mostrado na Fig. 12. Neste caso, o ganho aumenta para 6 dB em comparação com uma única antena. A distância H também é escolhida igual ao comprimento de onda operacional. Freqüentemente, um conjunto é composto de antenas de “canal de onda”, mas menos frequentemente são usadas antenas de loop.
Para somar os sinais de antenas de arranjos individuais, os cabos delas são conectados através de sistemas correspondentes que consistem em seções de cabo coaxial com diferentes impedâncias características com comprimento T igual à metade do comprimento de onda operacional (levando em consideração o fator de encurtamento). Um conjunto de duas antenas é conectado ao cabo de descida através de um pedaço de cabo com impedância característica de 50 Ohms, como mostrado na Fig. 13.
Se você usar um cabo com impedância característica de 75 Ohms, conecte as duas antenas conforme Fig. 14.
No caso de um arranjo de quatro antenas, a conexão é feita através do cabo RK-75 conforme Fig. 15.
Literatura
Autor: V.Portunov, Bryansk
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