Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Anteny R-TV Yagi-Uda budowa i działanie

Jerzy Cieślański 21 Wrz 2004 15:51 19718 0
  • #1 21 Wrz 2004 15:51
    Jerzy Cieślański
    Poziom 19  

    W związku z rozważaniami na temat zalet i wad poszczególnych anten RiTV polecam dla uporządkowania dyskusji:
    Cytaty z "Anteny i instalacje antenowe" Janusza Batora -Wydawnictwa Komunikacji i Łączności-Warszawa 1981 i z "Anteny telewizyjne" Lwa Kapczyńskiego -Wydawnictwa Komunikacji i Łączności -Warszawa 1985, dotyczące zagadnien konstrukcyjnych anten wieloelementowych typu: Yagi Uda.


    Cytat ze str. 81-82: (Janusz Bator"
    Antena Yagi Uda (rys. 4.20) utworzona jest ze zbioru elementów promieniujących w postaci dipoli o długości ok. 0.5 długości fali,
    >>>> przyp. cyt.:(długości fali w dipolu, która ulega skróceniu w stosunku do długości fali elektromagnetycznej w wolnej przestrzeni)<<<<<
    uszeregowanych tak, że kierunki maksymalnego promieniowania poszczególnych dipoli leżą na wspólnej osi, będącej osią symetrii anteny.
    Odległości między elementami oraz ich długości, dobrane są w taki sposób, aby wypadkowa charakterystyka anteny miała kształt "cygara" z minimalnymi listkami bocznymi.
    Spośród elementów anten zazwyczaj tylko jeden jest połączony z przewodem zasilającym i nazywa się go elementem czynnym.
    Element ten jest wykonany w postaci dipola półfalowego, najczęściej pętlowego.
    Pozostałe elementy promieniujące pobudzane są przez elektromagnetyczne sprzężenie z elementem czynnym i dla tego nazywają się elementami biernymi.
    Elementy bierne rozmieszczone w kierunku maksymalnego promieniowania względem elementu czynnego nazywają się direktorami, zaś elementy rozmieszczone w kierunku promieniowania wstecznego nazywają się reflektorami.
    Długość direktorów jest o 5-20% mniejsza od długości elementu czynnego i zazwyczaj stopniowo maleje przy wzroście kolejnego numeru direktora tzn. przy wzroście odległości od elementu czynnego.
    >>>> przyp.cyt.: direktor pierwszy czyli najbliższy elementu czynnego ma numer 1.<<<<<<<

    Długość reflektorów jest o 6-10% większa od długości elementu czynnego.
    Jeżeli liczba reflektorów jest większa od 1, wówczas -w przeciwieństwie do współpłaszczyznowych direktorów -są one rozmieszczone na powieszchni walca, którego oś leży wzdłuż elementu czynnego.
    Rozwiązania takie stosuje się wtedy, gdy wymaga się aby antena charakteryzowała się dużą wartością stosunku promieniowania głównego do wstecznego (powyżej 15 dB) w szerokim pasmie częstotliwości (powyżej 15%)
    >>>> przyp.cyt.: np. dla UKF87.5-108MHz, fśr= 97,211MHz, B= 21%
    --szerokość względna pasma B [%] równa jest ilorazowi { (fg[MHz] - fd[MHz]) : fśr[MHz] } *100% (różnicy częstoliwości górnej fg i częstotliwości dolnej fd) przez częstotliwość środkową,
    --częstotliwość środkową liczy się z wzoru fśr = /^ (fg * fd)[MHz] (pierwiastek kwadratowy z iloczynu (fg * fd)




    --długość fali elektomagnetycznej w wolnej przestrzeni liczy się z wzoru L [m]= 300 : f[MHz] <<<<


    Odległość reflektorów od elementu czynnego wynosi w praktyce 0,2-0,3 długości fali >>>> tu, w wolnej przestrzeni<<<<.
    Odległości między direktorami anten wieloelementowych (powyżej 5 elementów) są zazwyczaj niejednakowe i rosną z numerem direktora od ok. 0.1 długości fali do ok.0.35 długości fali.
    (.........)
    Należy podkreślić , że dobór wymiarów anteny Yagi-Uda, optymalny z uwagi na właściwości kierunkowe, nie oznacza bynajmniej spełnienia wymagań odnoszących się do impedancji wejściowej i WFS
    >>>(Współczynnika Fali Stojącej).<<<<
    Dopasowanie tych anten wymaga specjalnych środków zaradczych lub kompromisowego doboru elementów.
    Z tego względu amatorskie wykonanie anten telewizyjnych, na podstawie "recept" nie popartych fachowymi pomiarami, prowadzi najczęściej do daremnego wydatkowania środków.
    Wymagane właściwości elektryczne i mechaniczne zapewniają jedynie te anteny, które produkowane są przez renomowane firmy dysponujące odpowiednim laboratorium i kadrą specjalistów.

    >>>> UWAGA!! przyp. cytanta: w polskiej rzeczywistości gospodarczej, bywa i tak, że prywatne "warsztaty rzemieślnicze" biorą wymiary z gotowych anten produkowanych przez renomowane firmy, zmieniają trochę wymiary tak aby nie można było zarzucić im nieprzestrzegania praw autorskich, potem jeszcze coś zmieniają ze względów "oszczędności materiałowej", w procesie produkcji jeszcze robotnicy coś tam pomylą w kolejności ustawienia direktorów lub niedokładnie je dotną na długość (bo w poniedziałek po weselu u szwagra męczy ich -nie tylko- podagra).
    A potem rozżaleni nabywcy tych cudeniek na forum szukają pomocy, kamuflująco wołąc: Co sądzicie o antenie producenta hmm."jakiegoś tam"???
    A w razie reklamacji dystrybutor wygłasza formułkę: wszystko z pańską anteną jest w porząsiu bo jest "profesjonalna" czyli produkowana według cudownego programu komputerowego.
    Tu dochodzimy do następującej konluzji, w wielu firmach produkujących i rozprowadzających urządzenia techniczne, o asortymencie produkcji zaczynają decydować specjaliści od markeingu, którzy doskonale znają się na technologii efektywnego wciskania jakich kolwiek produktów klijentowi ale nie mają odpowiedniej wiedzy w zakresie wymagań technicznych, pozwalającej podwyższać standarty jakościowe produktów rozpowszechnianych na rynku danej bryndzy, pardon, branży.
    Podobnie z resztą jest i w polityce, jak twierdzą politolodzy.<<<<


    "Zapewnienie szerokopasmowości i strojenie anten wieloelementowych" str. 159-160:
    Konwencjonalnie zaprojektowana antena telewizyjna Yagi-Uda charakteryzuje się szerokością względną pasma częstotliwości ok.15%.
    Projektowanie anten szerokopasmowych polega na świadomym "rozstrajaniu" elementów promieniujących względem częstotliwości środkowej, przy czym długość reflektorów określona jest dolną częstotliwością, a długość direktorów -górną częstotliwością pasma roboczego.
    Długość elementu czynnego dobiera się według zasad poznanych w p.4.5.2, dla częstotliwości środkowej.
    Metoda ta przypomina sposób strojenia niektórych wieloobwodowych, szerokopasmowych wzmacniaczy pasmowo-przepustowych, gdzie dobiera się częstotliwości rezonansowe obwodów (w antenach: długości elementów promieniujących) oraz wartości współczynników sprzężenia (w antenach: odległości między elementami), w celu uzyskania żądanej charakterystyki przenoszenia.
    Rozstrajanie obwodów odbywa się kosztem wzmocnienia układu, czyli w przypadku anten -kosztem zysku energetycznego.
    Z tego względu w zakresie III nie stosuje się anten szerokopasmowych o średnim zysku energetycznym większym od 10 dB. (............)
    Jako elementy czynne w zdecydowanej wikszości anten stosuje się dipole pętlowe, znane z rys. 4.12b.
    Możliwości transformacji impedancji przez różnicowanie średnic dipola (por. rys 4.15a) wykorzystywana jest rzadko ze względów technologicznych.
    Najbardziej rozpowszechnionym współcześnie sposobem dopasowania anten wieloelementowych w zakresach III-V jest metoda polegająca na zastosowaniu dodatkowego elementu biernego, na ogół direktora, pozostającego w stanie silnego i odpowiednio dobranego sprzężenia z elementem czynnym (rys. 9.1).
    Dzięki temu sprzężeniu , impedancja wejściowa anteny w znacznym stopniu zależy od odległości i wymiarów elementu dopasowującego, który nie ma natomiast istotnego wpływu na właściwości kierunkowe anteny z uwagi na bliskość względem elementu czynnego.
    Z tego powodu przy projektowaniu anten Yagi-Uda, dopasowanych opisaną metodą należy element dopasowujący traktować jako dodatkowy, nie decydujący o wartości zysku energetycznego.
    Przy odpowiednim dobraniu długości elementu promieniującego oraz jego odległości od sąsiednich elementów anteny można zapewnić wymagane dopasowanie w paśmie o szerokości względnej ok. 15% dla anten wielokanałowych i ok 50% dla anten szerokopasmowych.
    Sprzężenie oraz wymiary elementu dopasowującego dobiera się drogą doświadczalną, w warunkach laboratoryjnych.


    >>>>przyp.cyt.; Bardziej przystępnym, jeśli chodzi o zasadę działania anteny Yagi Uda, wydaje się opis jej budowy w poradniku Lwa Kapczyńskiego "Anteny telewizyjne" WKiŁ1985. str.76,77,78.:
    Moim zdaniem, oba opisy, powyższy i poniższy doskonale się uzupełniają.<<<


    Zwróćmy uwagę na pięcioelementową antenę typu Yagi-Uda przedstawiona na rys. 36.
    Jeżeli dipol pętlowy 1 (półfalowy) dołączymy do źródła drgań wielkiej częstotliwości, to jeśli ma on symetryczną charakterystyke promieniowania o kształcie ósemki, będzie wypromieniowywał energię elektromagnetyczną zarówno w kierunku A (w stronę reflektora) jak i w kierunku A1 (w stronę direktorów).
    Pod wpływem energii elektromagnetycznej wypromieniowanej przez dipol w kierunku A w reflektorze indukują się prądy będące źródłem promieniowania wtórnego.
    Długość reflektora i jego odległość od dipola aktywnego zostały tak dobrane aby promieniowanie reflektora osłabiało promieniowanie dipola aktywnego w kierunku A a wzmacniało je w kierunku A1.
    Reflektor jest więc ekranem wzmacniającym promieniowanie w jednym kierunku, a osłabiającym je w kierunku przeciwnym.
    Dla uzyskania efektu ekranowania prąd płynący w reflektorze musi wyprzedzać w fazie prąd dipola aktywnego.
    Warunek ten może być spełniony, gdy impedancja reflektora będzie mieć charakter indukcyjny.
    Wynika stąd, że długość reflektora powinna być większa niż przy rezonansie półfalowym o 5-10% połowy długości fali.

    Amplituda prądu reflektora jest nieco mniejsza niż w dipolu aktywnym. Dlatego promieniowanie w kierunku A nie zostaje całkowicie skompensowane.
    Część energi wypromieniowanej z dipola aktywnego "przesącza" się przez reflektor i jest to powodem powstawania tylnych i bocznych listków promieniowania na charakterystyce promieniowania anteny.
    Inną przyczyną pojawiania się tych listków jest praktyczna niemożliwość zapewnienia dokładnego fazowania prądów w reflektorze i dipolu aktywnym.
    Przy strojeniu anten dąży się do minimalizacji tylnych i bocznych listków charakterystyki promieniowania.
    Na wzmocnienie promieniowania anteny w stronę A1 wpływają direktory, które wzbudzają się podobnie jak reflektor pod wpływem energii pola elektromagnetycznego wypromieniowanej przez dipol aktywny.
    Dobiera się je w ten sposób, aby ich promieniowanie sumowało się z promieniowaniem dipola aktywnego.
    Poprawna praca direktorów jest możliwa gdy prąd w pierwszym direktorze jest opóźniony w fazie w stosunku do dipola aktywnego, w drugim direktorze -od prądu w pierwszym itd.
    Wyboru odpowiednich faz można dokonać przez zmianę długości direktorów oraz ich odległości od dipola aktywnego.
    Impedancja wejściowa direktorów w tym przypadku powinna mieć charakter pojemnościowy , a ich długość nie może przekroczyć połowy długości fali.
    Najlepsze proporcje między amplitudami i fazami prądów , sprzyjające maksymalnej koncentracji promieniowania w kierunku A1 można zwykle osiagnąć przez stopniowe zwiększanie długości w stronę dipola aktywnego.
    Promieniowanie kierunkowe anten typu Yagi-Uda formuje się przez wspólne działanie reflektorów i direktorów.

    Rozpatrzmy problem doboru liczby reflektorów i direktorów w antenach typu Yagi-Uda.
    Zwykle w antenach tych stosuje się tylko jeden reflektor.
    Zastosowanie drugiego reflektora praktycznie nie polepsza właściwości kierunkowych anteny.
    Wynika stąd, że pole elektromagnetyczne za pierwszym reflektorem jest tak silnie osłabione, że amplituda prądu powstałego w drugim reflektorze jest znikoma.
    W związku z tym promieniowanie drugiego reflektora nie ma zauważalnego wpływu na całkowite promieniowanie anteny w kierunku direktorów.
    Drugi reflektor może wpłynąć jedynie na pewne osłabienie poziomu tylnych i bocznych listków charakterystyki promieniowania.
    Dlatego celowe jest montowanie drugiego reflektora w tych przypadkach, gdy istnieje potrzeba silnego osłabienia poziomu tylnych i bocznych listków, a także przy budowie anten wielokanałowych z rozszerzonym pasmem częstotliwości.

    Inaczej przedstawia się sprawa liczby direktorów w antenie.
    Założenie kolejnego direktora polepsza właściwości kierunkowe anteny i zwiększa jej zysk energetyczny.
    Jednakże im więcej direktorów ma antena, tym mniejszy wpływ na jej właściwości kierunkowe wywiera dokładanie kolejnych direktorów.
    Na przykład jeżeli do anteny trójelementowej (dipol petlowy, reflektpr. i jeden direktor) dołożymy jeden direktor, to jej zysk energetyczny wzrośnie z 5 do 6,5-7 dB (o 18-25%) w kierunku A1.
    Jeżeli natomiast dołożyć jeden direktor do anteny dziesięcioelementowej (dipol pętlowy, reflektor i osiem direktorów), to jej zysk energetyczny wzrośnie tylko o 0,4-0,5 dB.
    Przy wyborze liczby direktorów należy wziąć pod uwagę jeszcze następujące warunki.
    Zwiększenie liczby direktorów powoduje zawężenie pasma przepuszczania anteny.
    Jeżeli przyjąć, że dopuszczalne jest obniżenie zysku energetycznego anteny na krańcach pasma o 1,5-2 dB, w stosunku do zysku anteny przy średniej częstotliwości, to robocze pasmo częstotliwości anteny mającej cztery, pięć direktorów (antena sześcio-, siedmio-elementowa) zawiera się w przedziale częstotliwości różniących się o +,-, 10-15% częstotliwości środkowej.
    Przy liczbie direktorów równej 9-10, robocze pasmo częstotliwości zmniejsza się o +,-, 5-6% częstotliwości środkowej.

    >>>>>> przypis cytanta): Tu, Uwaga. Nie wiadomo czy tłumacz pisząc: "+,-, 10-15%" miał na myśli (plus minus)jako margines tolerancji czyli względną szerokość pasma 20-30% , czy raczej użył tłumaczenia (plus minus) w znaczeniu: "około, mniej więcej" czyli względną szerokość pasma od 10 do 15%, tak jak to jet sformułowane we wspomnianym powyżej poradniku Janusza Batora na str.159<<<<<

    W procesie strojenia anten typu Yagi-Uda przy odpowiednim rozmieszczeniu i dobranej długości direktorów można uzyskać szersze pasmo przenoszenia.
    Rozszerzenie pasma następuje kosztem obniżenia średniego zysku energetycznego anteny.
    Na przykład antena jedenastoelementowa, nastrojona na kanał ósmy (f=190-198 MHz) ma w przybliżeniu zysk energetyczny równy 12dB, a nastrojona na kanały od 6 do 12 i (f=174-230 MHz) tylko 9-10dB.
    (........)
    Do odbioru programów TV na duże odległości od stacji nadawczej TV (daleki odbiór) używa się anten typu Yagi-Uda ze zwiększonym zyskiem energetycznym.
    Znaczny wzrost zysku otrzymuje się zwykle nie przez nadmierne zwiększenie liczby direktorów, lecz dzięki zastosowaniu kilku anten łączonych synfazowo -tak zwanych siatek synfazowych -w postaci anten wielopiętrowych.
    Taki sposób zwiększania zysku energetycznego jest również korzystny dla tego, że przy synfazowym łączeniu anten nie następuje zawężenie pasma przepuszczania.
    >>>>>przyp. cyt.: przy zastrzeżeniu, że zastosowany transformator rozwidlający posiada wymaganą szerokość pasma przepuszczania.<<<<<<<<<


    "Dopasowanie i zasilanie anten w zakresach I i II" Janusz Bator str.137,138,139.
    Z uwagi na znaczne rozmiary i ciężar anten, w zakresach I (6.2m-4.55m) i II (3.95m-3.0m) stosuje się wyłącznie anteny jednokanałowe (.....)

    >>>>>(przyp.cytanta: czyli na pasmo o szerokości 8MHz, natomiast antena UKF musi poprawnie pracować w pasmie o szerokości 20.5MHz tzn. 2.5 raza szerszym.<<<<


    >>>>>Stąd wykorzystanie typowej anteny na kanał 5 OIRT, mimo faktu, że jego częstotliwość środkowa wynosi 96MHz, i jest bliska częstotliwości środkowej zakresu UKF równej 97,2MHz może być przydatne do prawidłowego (i dopasowanego), odbioru sygnałów radiowych UKF-FM w zasadzie tylko w przedziale 92MHz- 100MHz.
    Dla anteny na 4 kanał OIRT przedział częstotliwości roboczych wynosi 84-92MHz. Obie anteny mogą być więc użyteczne do odbioru R-UKF w pewnych szczególnych przypadkach, kiedy interesujące nas programy radiowe (z odległych nadajniów) nadawane są na odpowiednich dla tych anten częstotliwościach.
    W poradniku Lwa Kapczyńskiego znajdują się wymiary anten trzy-, pięcio-, i siedmio-elementowych na 4 i 5 kanał TV OIRT.
    Zysk energetyczny anten siednioelementowych wynosi G=10dB,
    stosunek promieniowania głównego do wstecznego P/T=18dB,
    kąt rozwarcia listka głównego wynosi 46 stopni.
    Wszystkie te anteny te posiadają reflektory w postaci dwóch prętów rozsuniętych w płaszczyźnie pionowej (400mm + 400mm) względem nośnika anteny , a element czynny wykonany w postaci dipola pętlowego.
    Długości tych anten wynoszą odpowiednio dla k.4 -3000mm i dla k. 5 -2730mm.
    Wymiary elementów promieniujących podane są dla średnicy zewn. rurek od 18mm do 22mm.<<<<


    Oprócz poruszonej na wstępie kwestii rozmiarów i ciężaru anten I i II zakresu (przy. cyt. i anten UKF), problemem, który nastręcza poważne trudności techniczne, jest zagadnienie ich dopasowania.
    Trudności te wynikają z następujących względów:
    -wymagania dotyczące WFS są w omawianych zakresach najostrzejsze,
    -impedancja wejsciowa anten Yagi-Uda zależy przede wszystkim od wpływu elementów sąsiadujących bezpośrednio z elementem czynnym.
    Wynika stąd, że w antenach o niewielkiej liczbie elementów promieniujących (2-3) każdenu rozstawieniu elementów, optymalnemu ze względu na zysk energetyczny, odpowiada inna wartość impedancji wejściowej, na ogół znacznie mniejsza od wartości znamionowej (300 ohm).

    Producenci stosują najczęściej jeden z następujących dwóch sposobów dopasowania anten:
    -przez konwencjonalne zasilanie dipola pętlowego (por. rys. 4.12b) i odpowiedni dobór długości i odległości elementów promieniujących,
    -przez bocznikowe zasilanie dipola prostego (por. rys. 4.11b)
    Ze względów technologicznych większość firm stosuje sposób pierwszy.
    Wadą tych rozwiązań jest jednak to , że długości dipoli pętlowych są za zwyczaj różne w antenach dwu- i trójelementowych, przeznaczonych do pracy w tym samym kanale częstotliwości, co nie ma dostrzegalnego wpływu na charakterystyki promieniowania (różnice długości wynoszą 5%-10%), pozwala natomiast na spełnienie jednolitych wymagań dotyczących WFS.
    Z tego m.in. powodu anteny dwuelementowe nie zawsze bywają produkowane.
    Zasilanie bocznikowe umożliwia w praktyce dopasowanie anten dla dowolnej kombinacji długości i odległości elementów promieniujących bez wpływu na kształt charakterystyki promieniowania, przez co znakomicie ułatwia strojenie anten i zapewnia powtarzalność ich parametrów.
    W celu skompensowania reaktancji indukcyjnej na wejściu anten, równolegle do zacisków wejściowych dołącza się kondensator o odpowiednio dobranej pojemnoś (rys. 8.1).
    Zasilanie bocznikowe prowadzi do znacznych oszczędności aluminium i zapewnia lekkość konstrukcji anteny.
    Pewnym utrudnieniem produkcyjnym, współcześnie jednak opanowanym, jest konieczność spawawania lub lutowania boczników wykonanych ze stopu aluminium.

    1 0
  • Sklep HeluKabel