Распространение метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Радио и телевидение

Содержание:

Электромагнитные волны образуются при изменении электрического поля. А оно меняется, когда движутся электрические заряды. Чтобы электромагнитное поле образовывалось постоянно, и изменение зарядов должно происходить непрерывно. Самое распространенное движение зарядов - это движение по кругу. И в этом случае электромагнитное поле становится периодическим, синусоидальным, а вокруг оно будет распространяться в виде волн, как рябь на водной поверхности.

То, что болтается в серединке, обычно называют осциллятором, это если взять небольшой материальный предмет и придать ему колебательное движение на водной поверхности. Тогда и получится примерно такая картина волн.

Даже если бросить в воду камень, то есть выполнить одиночное воздействие, все равно вокруг разойдется не одна волна, а целый пакет волн. Отсюда следует, что сама природа волн именно колебательная, и так волны и расходятся вокруг - затухая, но не меняя своей колебательной натуры.

Свойства волн

При встрече с волнами объектов нашего материального мира наблюдаются сразу несколько явлений:

• отражение волн от препятствий;
• прохождение сквозь препятствие;
• поглощение волн средой прохождения;
• огибание волнами препятствий.

Последнее явление относится уже к взаимодействию волн друг с другом. Когда волны встречают другие волны, то они накладываются друг на друга и складываются и вычитаются. Это называется интерференцией волн.

Но волна может интерферировать не только с другой волной - волной от другого источника - она может то же самое делать и с самой собой, когда какое-то препятствие разделяет одну волну на два потока. При прохождении препятствия волна снова объединяется и постепенно «забывает» о препятствии, когда полосы усилений и ослаблений за препятствием гаснут и сходят на нет.

Все эти явления присущи всем волнам, и механическим, таким как на поверхности воды или как акустические волны в воздухе, и электромагнитным, пронизывающим и воздушное пространство, и безвоздушное.

Электромагнитные волны и мы

К электромагнитным волновым явлениям мы привыкли относить совсем разные для нас и нашего восприятия феномены. Своими глазами мы ощущаем видимый свет, кожей - тепло от инфракрасного излучения, наша кожа почти без ощущений может загореть от ультрафиолета, а рентгеновские лучи нами совсем не ощущаются, но именно их работу мы видим на рентгеновском снимке нашего тела, который нам могут сделать в больнице. Радиоволны знаем по работе множества самых разных технических средств.

Различие между ними очень простое - это все разные диапазоны длин волн, или диапазоны частот излучателей, которые изменяются в очень широких пределах. Сами частоты порождаются физическими размерами излучающих тел и скоростями электрических процессов, в них протекающими. А длины получающихся волн при распространении взаимодействуют с встречающимися им объектами тоже по принципу близости длин волн физическим размерам препятствий. Разумеется, не только этим. Еще влияет материал, с которым встречается волна, - материал среды и препятствий. Так как волны электромагнитные, то играют роль именно электрические свойства. Более-менее электрически инертные среды - диэлектрики - с электромагнитными волнами взаимодействуют слабо, остальные среды, проводящие электричество, - сильно. Отсюда диэлектрики часто бывают прозрачными, а металлы все непрозрачны и сильно отражают свет, отчего и блестят металлическим блеском.

Они активно и отражают, и поглощают волны, а также могут внутри себя создавать вторичные электрические явления. На этом основаны вся наша наука о радиоволнах, а также техника использования радио, телевидения, связи и всего такого прочего.

Радиоволны

Достаточно представить, что оба процесса симметричны: когда волны излучаются и когда они улавливаются и превращаются в электрический сигнал. Чтобы волны излучать, используется источник, а чтобы принимать - приемник. И в обоих случаях используется антенна материальная, геометрическая часть радиоприбора. Она при излучении придает волне определенные пространственные свойства, а в случае приемника - «снимает» из пространства электромагнитную волну, формируя сигнал «уверенного приема», то есть такой, чтобы его можно было отделить от прочего радиофона. Отделить и усилить.

При этом размеры антенн или их деталей как раз и получаются зависимыми от длин принимаемых волн. Часто антенны выглядят как некоторые повторяющиеся в пространстве композиции из проводников. Это делается для резонансного взаимодействия в них волн с возникающим переменным электрическим током, что делается для усиления радиосигнала именно конкретных длин волны.
Другой характеристикой антенны является направленность. Она или излучает, или принимает сигналы преимущественно с некоторого направления, что тоже способствует выделению именно этого сигнала от конкретного излучающего устройства.

Диапазоны электромагнитных волн

Вообще полезно представлять весь спектр диапазонов электромагнитных волн и уметь сопоставлять волны с объектами нашего материального мира.

Радиодиапазон делится на несколько других по длинам волн.

Как видим, диапазоны радиоволн как раз и охватывают всю нашу обыденность от звездочек дальних до самого человека и его органов. А также всех предметов нашего быта.

Например, желаете горячий бутерброд? - одну минуточку в микроволновке.

А вот УКВ еще подразделяются на:

Каждый из этих поддиапазонов по-своему интересен, но нам нужны именно дециметровые волны.

Дециметровые волны

Дециметровые волны, в отличие от всех остальных, работают только по прямой видимости. Они не отражаются ионосферой как короткие волны - ионосфера для них прозрачна; они не огибают препятствия, как длинные волны. Препятствия, которые они могут обойти, пользуясь своей дифракцией, сопоставимы с нашими обычными объектами, то есть человека или табуретку они обойдут, а вот дом - уже тяжко. Зато от больших для них объектов они отражаются и могут зайти, например, через окно, отразившись от соседнего дома. То есть, ведут себя почти как люди с хулиганскими наклонностями. Чем нам близки и по-своему дороги.

Самостоятельное изготовление

Для приема волн, чья длина вполне соизмерима с предметами нашего окружения, и антенна получится такой, что впишется в наше окружение. Следовательно, в этом плане возможно изготовление, не просто, несомненно, полезного предмета, но даже и детали, говорящей многое о характере и вкусах хозяина. И которую часто можно называть уже деталью архитектурной, а иногда даже и фэн-шуйной.

Антенна ДЦМ укрепляется на вертикальной обычно деревянной рейке-основании и состоит из нескольких металлических частей.

В направлении предполагаемого прохождения волн антенна дециметрового диапазона протягивает металлическую несущую пластину, которая называется траверса.

Поперек нее, то есть параллельно фронту волны, на ней устанавливается несколько пластин-резонаторов. Один обычно активный, от него отводят провод антенны, ставится посредине. Два других ставят один перед ним (в направлении излучателя), другой после него. Который перед ним, называется директором, его роль - создать препятствие волне, заставив ее его огибать, заставляя волну создавать дифракционную картину, то есть волне входить в резонанс самой с собой (см. рисунок вначале).

Та пластина, которая ставится после активного резонатора, называется рефлектором, то есть отражателем. Она отражает волну назад, на активную пластину, также усиливая сигнал. Понятно, что такие воздействия на волну возможны при четком соблюдении размеров пластин, так, чтобы они соответствовали длинам принимаемых волн. Длины пластин делают в размер полуволны - 0,5 λ. Активный элемент, равный полуволне, рефлектор чуть больше, директор чуть меньше. Расстояние между резонаторами - четверть длины волны, 0,25 λ .

Часто можно видеть не три пластины, а множество. Это говорит о том, что и волны можно принимать не одной длины, а нескольких длин. Такие антенны называют «многоволновыми» или даже «всеволновыми». Но мы-то знаем, что волны имеются в виду только нашего, дециметрового диапазона.

Такие антенны можно конструировать и устанавливать в собственное удовольствие, пользуясь тем, что невидимые нами радиоволны создают в пространстве весьма замысловатые картины отражений, дифракций и интерференций. И если поместить пластины-вибраторы в точки максимумов волн, то можно добиться хорошего резонанса, который заметно усилит сигнал. По такому принципу строится логопериодическая антенна, в которой резонаторы с двух сторон - справа и слева - попеременно включены в две шины в шахматном порядке.

Две шины кабеля подключены к двум рядам резонаторов в шахматном порядке

Самодельный вариант

Из подручных материалов вполне получается комнатная антенна - ДМВ-антенна т2. Например, из двух компьютерных дискет, если вынуть из конверта собственно магнитные поверхности дисков, легко получится антенна чебурашка - этакое глазастое создание, если иметь чуточку воображения.

Возможен и наружный вариант чебурашки, тогда стоит подумать о более прочном креплении всех деталей и кабеля.

Нужна, кроме дискет, еще палка-стойка, кусок кабеля и несколько гвоздиков или шурупов.

Для мастеров-радиолюбителей большой интерес представляют ТА дециметрового диапазона, которые позволяют значительно расширить возможности лампово-полупроводниковых моделей телевизоров. В данной главе предлагаются для повторения только три типа ТА ДМВ, так как автор подготовил к изданию новую книгу, полностью посвященную ТЛ для приема ДМВ и спутникового телевидения.

В соответствии с принятой классификацией прием телепередач на 21-61-м каналах обеспечивается в диапазоне ДМВ на частотах свыше 300 МГц. В большинстве случаев владельцы телевизоров, оборудованных соответствующими селекторами каналов, применяют комнатные индивидуальные малогабаритные антенны. Но на садово-огородных участках эти антенны не всегда дают положительный результат. Поэтому в большинстве случаев приходится использовать самодельные дециметровые антенны, которые рассматриваются в настоящей главе.

Каждый цветной телеприемник имеет три антенных ввода: два для подключения антенны метровых волн (MB), один из которых обеспечивает ослабление сигнала в 10 раз, и специальный ввод для подключения антенны ДМВ. Все антенные вводы рассчитаны на подключение коаксиального радиочастотного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.

Подключение антенны к дециметровому вводу специальной конструкции должно обеспечивать такое же высокое качество основных технических характеристик телевизора, как и при приеме в диапазоне MB.

Важнейшей характеристикой, определяющей качество изображения и чистоты звукового сопровождения, является чувствительность. В диапазоне MB чувствительность канала изображения должна быть не хуже 100 мкВ,

а в диапазоне ДМВ - не хуже 500 мкВ. Для современных телевизоров чувствительность звукового сопровождения в диапазоне MB должна быть не хуже 50 мкВ. а в диапазоне ДМВ - не хуже 200 мкВ.

Не менее важным электрическим параметром является избирательность, которая характеризуется способностью ослаблять сигналы помех вне рабочей полосы частот. Избирательность при настройке от несущей частоты изображения принимаемого канала на 1,5 МГц должна быть не хуже 40 дБ (100 раз), на 3,5 МГц - 40 дБ, на +6,5 МГц - 36 дБ, на +8 МГц - 40 дБ,

От качества изготовления антенн зависят также такие параметры, как контрастность и максимальная яркость. Величина контрастности зависит от размеров взаимного удаления темных и светлых элементов изображения. В общем случае контрастность должна быть не хуже 80:1 и выше. Максимальная яркость свечения определяется как яркость наиболее светлых крупных участков телеизображения, она может составлять до 100 кд/м^2.

Диапазон воспроизводимых звуковых частот должен находиться в пределах от 80 до 12 500 Гц.

При проектировании и изготовлении ТА дециметрового диапазона используются известные формулы, в основу которых входят следующие понятия: действующая длина антенны пропорциональна длине волны; коэффициенты усиления и защитного действия антенны ДМВ должны быть выше, чем у антенн метрового диапазона; с увеличением частоты возрастает затухание в коаксиальных кабелях, соединяющих антенну с входом телевизора; внутренние шумы входных цепей телевизоров в диапазоне ДМВ больше, чем в диапазоне MB.

Эти электрические параметры сравнительно легко реализуются в различных типах антенн за счет увеличения числа пассивных элементов. Например, в антеннах типа «волновой канал», логопериодических антеннах и антеннах для дальнего приема телевидения.

В диапазоне ДМВ все элементы антенны имеют малые конструктивные размеры, и при увеличении числа директоров габаритные размеры самой антенны остаются небольшими. (Интересное решение было опубликовано в журнале «Радио», № 2 за 1988 г.).

Зона уверенного приема ДМВ радиопередающей станцией, как правило, оценивается статистическими методами, она непостоянна во времени и зависит от диэлектрической проницаемости воздуха. В диапазоне ДМВ длины

волн короче 0,65 м - для работы в каналах с 21-го и выше. Минимальные потери при распространении ДМВ наблюдаются до тех пор, пока между передающей и приемной антеннами существует прямая видимость, за.пределами которой сигнал существенно уменьшается и уверенный прием становится невозможным.

В теоретических исследованиях распространение ДМВ представляют в виде окружности, радиус которой равен максимальному расстоянию прямой видимости, с тем допуском, что мощность, излучаемая передающей станцией, достаточно велика для приема непосредственно на границе. Известно, что чем выше частота радиосигнала, тем больше требуется напряженность поля в месте приема. Для первых каналов MB в месте установки приемной антенны напряженность поля находится в пределах от 300 до 700 мкВ, а для ДМВ - 3200 мкВ и выше. Напряженность поля по мере удаления от передающей станции уменьшается. Для ДМВ нельзя рассчитывать радиус зоны прямой, видимости по максимальному расстоянию прямой видимости, так как мощность станций недостаточна для приема на максимальном расстоянии прямой видимости. Например, минимальная напряженность поля для 33-го канала - 70 дБ (3200 мкВ).

Радиолюбителями разработано достаточно большое число антенных усилителей несложной конструкции, предназначенных для усиления сигналов в телевизионном диапазоне ДМВ, которые решают почти в полной мере изложенные проблемы и конкретные задачи.

Для приема ДМВ используются широкополосные направленные антенны, работающие без перестройки в широком диапазоне волн и для приема телепередач на расстоянии до 60-70 км от ТЦ.

Для расчета такой антенны необходимо знать крайние волны рабочего диапазона частот lдл.mах и lдл.min. Сначала определяют длину наибольшего вибратора l, которая должна быть равна (с определенным допуском) 0,55 lдл.max. Затем строится равнобедренный треугольник с заданным углом а при вершине, который лежит в пределах от 30 до 45°, и основанием треугольника, равным в масштабе построения длине наибольшего вибратора l. Второй вибратор располагается на расстоянии а1, которое определяется из пределов (0,15...0,18) lдл.max от первого (в масштабе построения).

Длина второго вибратора в этом случае определяется

однозначно, исходя из построения, так как он должен полностью вписываться в треугольник. Далее определяется длина третьего вибритора, который располагается на расстоянии а2=а1 t, где t - коэффициент уменьшения длины вибратора. Затем строится четвертый вибратор на расстоянии а3=а2 t от третьего и т. д. Построение продолжается до тех пор, пока длина очередного вибратора, вписанного в треугольник, не будет равна (ориентировочно) (0,14...0.45.) lдлmin. Этот вибратор и будет последним.

Логопериодические антенны сравнительно просты по конструкции, хорошо согласуются с 75-омным коаксиальным кабелем снижения, имеют КПД от 4 до 7 дБ. Все логопериодические антенны и существующие их разновидности могут быть представлены в виде замкнутой системы вибраторов, расположенных и горизонтальной плоскости.

Схема плоской вибраторной логопериодической антенны (ЛПА) представлена на рис. 5.1. Антенна состоит из двухпроводной распределительной линии длиной А, в которую включены вибраторы различной длины и различного расположения. Наибольший вибратор состоит из двух отрезков, отстоящих друг от друга на расстоянии 2 d, где d - диаметр трубки распределительной линии.

Электрические параметры антенны определяются тремя основными составляющими: периодом структуры t, углом раствора а и длиной антенны L.

Параметры антенны рассчитываются так, чтобы внутри каждого интервала частот элементов антенны (например, f7 - f6) характеристики антенны менялись незначительно.

Первый параметр t характеризует частотную периодичность антенны, при которой каждый вибратор имеет свою резонансную частоту. На самой низкой частоте, в зависимости от выбранного канала, рабочего диапазона f1 = fmin резонирует первый вибратор 1 с длиной плеча l1, на следующей, более высокой, частоте f2 резонирует вибратор 2 с длиной плеча l2 = l1 t и т. д.

Незначительное изменение характеристик антенны при расчете параметров должно быть во всем рабочем диапазоне частот, поэтому антенна, построенная по рассматриваемому принципу, и носит название логарифмически-периодической, или логопериодической.

Длина антенны L рассчитывается по формуле: L = (l1 -

т. е.зависит от угла и принимаемого диапазона

частот, который определяется, в свою очередь, размерами граничных элементов антенны l1 и l9. Здесь необходимо заметить, что количество элементов в антенне не ограничивается девятью элементами и может составлять от шести до двадцати двух.

Логопериодическая антенна может быть изготовлена для приема телепередач во всех диапазонах частот.

Расстояние между двумя соседними вибраторами можно определить также по формуле: а6= l6 (1-t)ctg(а/2). При изготовлении антенны для приема телепередач на первых 12 каналах рекомендуется принять в расчетных формулах t = 0,84; а = 60°; L = 2285 мм; число вибраторов равно 13. Для антенны, предназначенной для приема первых 3 каналов, необходимо взять шесть вибраторов, тогда L = 1515 мм.

Антенну, работающую на первых каналах телевидения в метровом диапазоне волн, рекомендуется изготавливать из трубок с тонкими стенками диаметром 20 мм. Антенну для 6-12-го каналов можно сделать из дюралевых или латунных трубок диаметром 15 мм, а антенну для приема сигналов ДМВ - из трубок диаметром 8 мм, с толщиной стенки до 1 мм.

Второй вариант логопериодической антенны приведен на рис. 5.2, где проводники распределительной линии расположены в вертикальной плоскости, а вибраторы - в горизонтальной плоскости в два ряда. Все вибраторы поочередно направлены в разные стороны. Коаксиальный кабель снижения проложен внутри нижней трубки без верхней полиэтиленовой оболочки. Экран коаксиального кабеля припаян в точках б и г, а центральная жила кабеля припаивается в точке а.

Проводники распределительной линии, как правило, скрепляются между собой крепежными изоляторами в двух точках. Концы трубок распределительной линии в точках виг должны быть накоротко замкнуты металлической перемычкой. К вертикальной штанге логопериодическая антенна прикрепляется с помощью крепежных деталей, расположенных в центре тяжести собранной антенны.

Телевизионная антенна дециметрового диапазона для приема телепрограмм с 21-го по 40-й канал, которая по принятой классификации относится к антеннам типа «волновой канал», показана на рис. 5.3.

Техническая характеристика:

коэффициент усиления............. 2,8-4 (9,2...12 дБ)

КБВ, не менее................... 0,55-0,85

КЗД, не менее................... 14-24 .

входное сопротивление активного

петлевого вибратора............. 292 Ом

волновое сопротивление фидера..... 75 Ом

рабочая частота.................. 470-622 МГц

неравномерность коэффициента

усиления...................... 0,8

кпд, не менее.................... 0,96

количество принимаемых программ

без перестройки................ 20

внешние нагрузки в местностях

с климатом.................... УХЛ, ХЛ, В

диаграмма направленности односторонняя

в горизонтальной плоскости....... узкая, объемная

ширина главного лепестка диаграммы

направленности в горизонтальной

плоскости...................... 32-46

Как следует из рисунка, антенна имеет одиннадцать директоров, петлевой вибратор 3, рефлектор, состоящий

из трех элементов 1 и 2, и несущую стрелу 4, которая изготавливается из металлической трубки диаметром 20- 22 мм.

Для изготовления активного 3 и пассивного вибраторов (директоров) используется дюралюминиевая трубка диаметром не менее 8 мм. Рефлектор можно выполнить из алюминиевой полоски толщиной 5 мм, но можно применить и меньшую толщину - до 2,5 мм. Ширина пассивных элементов рефлектора равна 16-20 мм. Средний элемент рефлектора крепится непосредственно к несущей стреле с помощью специальных шайб и крепежных деталей, а два других элемента рефлектора 1 - с помощью металлической стойки, которая также жестко прикреплена к стреле. Расстояние между этими элементами равно 49 мм при проекции на горизонтальную плоскость.

Петлевой вибратор выполнен из дюралюминиевой трубки диаметром 8-12 мм с толщиной стенки не менее 1 мм. Рекомендуется изготавливать петлевой вибратор из дюралюминиевой полоски толщиной 2.5 мм и шириной до 50 мм. Он может иметь фигурную конструкцию, удобную для крепления и, самое главное, обеспечивающую хорошее согласование во всем диапазоне частот принимаемых телепередач. Размеры основных элементов антенны - пассивных и активных - приведены в табл. 5.1. Длина четвертого элемента антенны рассчитывается, исходя из об-

щего количества вибраторов, и в данном случае равна 1400-1450 мм.

Наилучшие результаты дает подключение коаксиального кабеля снижения к петлевому вибратору через УСС типа «проволочный трансформатор». Изготавливается это УСС на двух ферритовых кольцевых сердечниках марки 100ВЧ размерами 8,4 х 3,5 х 2 мм. на которые виток к витку вплотную наматываются обмотки в два провода марки ПЭЛШО диаметром 0,23 мм. УСС должно обеспечивать КБВ, равный 0.75, в широкой полосе частот (от 470 до 622 МГц) со стороны подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.

В данной антенне можно применить другое УСС, изготовленное без ферритовых сердечников,- эквивалент кабельной петли, выполненной из отрезка спиральной полосовой линии, которая наматывается на ферритовый или

стальной стержень из электротехнической стали марки 3311, 3312, 3313. Спираль изготавливается из медной или латунной ленты толщиной до 0,1 мм, шириной до 1 мм, имеет 5,25 витка и укладывается в пазы, сделанные в диэлектрике, выполненном в виде трубки, которая устанавливается на этот стержень. Намотка спирали на стержень показана на рис. 5.4.

Эту антенну можно устанавливать на одной штанге с антенной MB, но расстояние между ними должно быть не менее 1,0-1,2 м.

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.

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 1

Дециметровые волны в меньшей степени, чем метровые, подвержены явлению дифракции. Они рассеиваются местными предметами, что уменьшает вероятность интерференционных помех приему. Так же как и метровые волны, они испытывают рассеяние на неоднородно-стях тропосферы.  

Дециметровые волны в меньшей степени, чем метровые, подвержены дифракции. Они рассеиваются местными предметами, что уменьшает вероятность интерференционных помех приему. Так же как и метровые волны, они испытывают рассеяние на неоднородностях тропосферы. Это позволяет осуществить многоканальную телефонную связь или трансляцию телевизионной передачи с помощью радиорелейных линий на расстояниях, превышающих сотни и даже тысячи километров.  

Дециметровые волны - радиоволны длиной от 10 см до 1 м, соответствующие диапазону частот от 3000 до 300 Мщ.  

Дециметровые волны - радиоволны длиной от 10 см до 1 м, соответствующие диапазону частот от 3000 до 300 МГц.  

Дециметровые волны используются в зоне прямой видимости.  

Дециметровые волны - радио волны длиной от 10 см до 1 м, соответствующие диапазону частот от 3000 Мгц до 300 Мгц.  

Дециметровые волны - радиоволны длимой от 10 см до 1 м, соответствующие диапазону частот от 3000 Мгц до 300 Мгц.  

Дециметровые волны распространяются только в пределах прямой видимости и избирательно поглощаются атмосферой, интенсивно отражаются от подвижных и неподвижных объектов. Антенны малогабаритны и обладают острой направленностью излучения. Дециметровые волны используются в радиорелейных и спутниковых системах связи, высокоточных наземных системах радиолокации и радиоуправления.  

Дециметровые волны позволяют получать с помощью спутниковых РНС очень высокую точность местоопределения в рабочей области системы, которая для глобальных СРНС охватывает все околоземное пространство.  

Мертвые и дециметровые волны распространяются в пределах прямой видимости. Эти волны не отражаются от ионосферы, а поверхностная волна очень быстро затухает. Для увеличения дальности радиосвязи на этих волнах применяются направленные антенны, излучающие электроэнергию узким пучком.  

Однако дециметровые волны не могут быть приняты существующими телевизионными приемниками непосредственно, и работа в этом диапазоне потребует использования конверторов-преобразователей частоты.  

Для телевизионного вещания используются метровые и дециметровые волны. Для черно-белого телевидения в СССР отведено двенадцать каналов.  

Сначала в радиолокации использовались метровые и дециметровые волны, а затем стали переходить к сантиметровым волнам, которым соответствует спектр частот от 30 тыс. до 3 тыс. мггц. Малая длина этих волн, являющихся частью диапазона ультракоротких волн, позволила создать сравнительно небольшие по размерам радиолокационные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности в несколько градусов и даже долей градуса.