ЧМ-АНТЕННЫ
На первый взгляд кажется, что антенна - это тупик для электрического тока. Однако, когда энергия излучается в окружающую среду, а токи, циркулирующие в земле, возвращаются в передатчик, то на самом деле передатчик, антенна, земля и воздух образуют вместе с приемником радиослушателя электрический контур. Более правильно представлять себе антенны как устройства, согласующие сопротивление фидера (обычно 50-70 ом) и окружающей воздушной среды (377 ом).
Оптимальный размер антенны зависит от длины радиоволн, которые она должна излучать. Длина волны обратно пропорциональна частоте: это расстояние между соседними пиками циклов волновых колебаний. Для расчета длины волны в метрах разделите 300 на частоту, выраженную в МГц. Если частота равна 88 МГц, эквивалентная длина волны равна 3,4 м. При частоте 104 МГц длина волны = 2,88 м. Итак, при радиовещании в верхней части ЧМ-диапазона длина волны составляет от 3,4 до 2,88 м.
Как было упомянуто в нашей главе о студиях, при отношении линейных размеров комнаты 1:1 или 1:2 в помещении возникает акустический резонанс. Сходное явление наблюдается и с антеннами. Если длина антенны равна длине волны радиосигнала, 1/2 длины, или находится к ней в другом гармоническом отношении, в антенне возникает стоячая волна энергии. Токи и напряжения концентрируются ближе к узлам резонанса, усиливая излучение энергии. Эффективное излучение антенны является наивысшим, если ее размер и форма приводят к резонансу на длине волны, соответствующей радиочастоте, генерируемой передатчиком.
Радиоэнергия, излучаемая антенной, распространяется со скоростью света. В конце концов, ее небольшая порция где-то пересекает антенну радиоприемника и вызывает в последней слаботочное колебание, согласованное с током передающей антенны. Максимальная передача энергии с передающей на приемную антенну происходит, когда обе антенны сходным образом направлены. Их направление, как и ориентация соединяющего их электромагнитного поля, называются направлением поляризации.
На заре ЧМ-радиовещания передающие и принимающие антенны обычно были горизонтальными. Соединяющее их поле, соответственно, являлось горизонтально поляризованным. Но с ростом популярности автомобильных ЧМ-радиоприемников положение изменилось, потому что автомобильные приемные антенны чаще вертикальные или наклонные. Если передающая и принимающая антенны перпендикулярны друг другу, происходит минимальная передача энергии. Чтобы это поправить, а также потому, что вещатели больше не могли рассчитывать на какую-то определенную направленность приемных антенн, передающие антенны стали делать с круговой поляризацией. В общих чертах это значит, что направление поля совершает одно круговое вращение за цикл, так что независимо от направленности принимающей антенны, в течение хотя бы части периода каждого цикла обе антенны оказываются согласованы.
Из вышесказанного следует, что существует много вариантов конструкции ЧМ-антенн. Антенны с круговой поляризацией весьма замысловаты: разомкнутые кольца со спиральным витком; "клеверный лист", установленный перед решеткой; проволочные цилиндры на сетке. Конструкции попроще излучают энергию не менее эффективно, но, как мы уже говорили, мощность сигнала, попадающего на приемник, зависит от совпадения направленности передающей и приемной антенн1. Если у большинства ваших радиослушателей антенны приемников ориентированы каким-то одним типичным образом, постарайтесь, чтобы передающая антенна вашей станции была согласована с ними по направленности.
Один факт несомненен: энергия, излучаемая вашей ЧМ-антенной вертикально вверх, пропадает впустую. В небесах радиослушателей мало. Чтобы попасть к радиослушателям, радиоволны должны посылаться горизонтально вдоль поверхности земли, или даже слегка наклонно вниз с возвышенности, по направлению к приемникам. Поэтому существенной частью конструкции антенны ЧМ-радиовещания является концентрация энергии излучения в горизонтальном направлении, независимо от волновой поляризации.
Концентрация мощности излучения антенны по любому направлению повышает коэффициент усиления антенны в этом направлении. Коэффициент усиления всегда относителен, как и децибелы, в которых он измеряется. Стандартом для сравнения обычно служит антенна, излучающая одинаковое количество энергии во всх направлениях. Если у антенны коэффициент горизонтального усиления равен 3 дБ, это значит, что она посылает вдоль поверхности земли в два раза больше энергии, чем ненаправленная антенна, при той же мощности передатчика. ЭМИ (эффективная мощность излучения) удваивается, и вы можете вычесть 3 дБ из минимальной напряженности поля, необходимой для приема сигнала, как говорилось выше в главе "Мощность, высота и дальность приема".
Простейшая конструкция ЧМ-антенны (рис. 24):
(А) Простейшая ЧМ-антенна - это так называемый полуволновой диполь: два отрезка медного провода, каждый длиной в 1/4 волны, отходящие в противоположные стороны от общей оси. Диполь может быть установлен горизонтально, как показано на рисунке, или вертикально. У простейшего диполя есть один существенный недостаток: он представляет из себя симметричный проводник, в то время как для большинства фидеров используется несимметричный коаксиальный кабель. При непосредственном соединении симметричной и несимметричной линии энергия антены распространяется вне коаксиального кабеля, тем самым уменьшая симметричность диаграммы излучения.
(В) Чтобы этого не происходило, применяется четвертьволновой отрезок такого же коаксиального кабеля, из которого сделан фидер. Его внешний проводник припаивается к внешнему проводнику фидера и к проводу антенны, который подсоединен к внешнему проводнику фидера. Таким образом, предотвращается распространение тока вниз вне фидера.
(С) Еще лучше использовать небольшой согласующий трансформатор в точке соединения фидера и антенны. Четвертьволновой согласующий трансформатор вибратора обеспечивает появление напряжения на обоих полюсах антенны точно в противофазе. Такие трансформаторы обычно наматываются вокруг ферритового кольца или шайбы.
Рис. 25. ЧМ-антенны более сложной конструкции
D) Модель BESP, разработанная Broadcast Electronics, включает "разомкнутые кольца" из медной трубки, предназначенные для напряжения 50.000 ватт и круговой поляризации. Для ЧМ-антенн идеально подходят обыкновенные медные водопроводные трубы. Благодаря их толщине возрастает сопротивление ветру и обледенению и увеличивается ширина пропускания. На мачте антенны этой конструкции должны устанавливаться такие же "разомкнутые кольца" для увеличения коэффициента усиления антенны.
E) Конструкция попроще, разработанная той же фирмой. Такая кольцевая антенна предназначена для маломощных станций. Кольца отстоят друг от друга на 1/2 длины волны.
F) "Коллинеарная" антенна для ЧМ-вещания, сконструированная Эрнстом Уилсоном для фирмы Panaxis Production. Она изготовлена из коаксиального кабеля типа RG-8, разрезанного на секции и соединенного, как показано на рисунке, так что сигнал распространяется по внешней стороне кабеля. Секционирование придает антенне коэффициент усиления 3 дБ. Чтобы сохранить жесткость и ориентацию антенны, ее помещают внутрь пластиковой или бамбуковой трубки.
Так каким же образом можно увеличить коэффициент усиления антенны в горизонтальном направлении? Путем постройки многоярусной антенны. При соответствующем расстоянии между ярусами (которое зависит от длины волны), энергия многоярусных антенн комбинируется в пространстве, усиливая волны, распространяющиеся горизонтально, и гася волны, распространяющиеся вертикально. Если антенна включает от шести до двенадцати ярусов, это радикально улучшает дальность приема, или, иными словами, дает 10-ваттному передатчику 100-ваттную ЭМИ. В общем случае, антенны с большим коэффициентом усиления лучше всего подходят для вещания на равнинной местности. В холмистой местности лучше пользоваться антеннами со средним КУ. В горных районах лучше всего будет работать антенна с низким КУ, которая будет посылать максимум энергии в зоны молчания или отсутствия приема.
Большинство ЧМ-антенн монтируется на мачте или опорном столбе. Опора антенны может повлиять на диаграмму направленности излучения, особенно если опора металлическая. Даже опытные радиоинженеры не знают заранее, где на опоре следует монтировать антенну, чтобы получить наилучшую диаграмму приема. По этой причине для достижения наилучших результатов в процессе установки антенны необходимо проверять качество приема на разных расстояниях и направлениях от нее. Энергия, отраженная антенной опорой, может заметно увеличить направленный КУ, но заодно и создать зоны отсутствия приема.
Если антенна устанавливается на опоре с оттяжками, они тоже могут повлиять на диаграмму излучения. Если металлические оттяжки создают затруднения, попробуйте заменить их нейлоновыми или веревочными. Однако убедитесь, что любые неметаллические оттяжки достаточно прочны, чтобы удержать опору при сильном ветре. Если антенна упадет, ваша станция будет вынуждена прекратить трансляцию, и кто-нибудь может пострадать.
Отличительной особенностью передающих систем ЧМ-вещания является их повышенная чувствительность к обледенению. Лед не должен накапливаться на поверхности антенны - не только потому, что дополнительная нагрузка может ее деформировать, но в основном потому, что присутствие льда способно изменить резонансную частоту антенны до такой степени, что энергия, отражаемая на передатчик, может его повредить. Самые дорогие модели ЧМ-антенн предусматривают встроенную систему обогрева, очищающую их ото льда. Другой способ решения этой проблемы -- заключить установленную на крыше антенну в неметаллический короб.
1 Поляризация, кроме того, оказывает некоторое влияние на дальность приема, поскольку, как правило, рельеф местности поглощает меньше энергии при горизонтальной поляризации волн.