Девиз статьи: "Охота пуще неволи...."
Особой необходимости для постройки новой антенны для приема телевидения на даче у меня не было, с существующей "сеткой" вещания (Ленинградская область, 50 км от телевышки, 22 и 31 аналоговое вещание, 35 и 45 DVB-T2) спокойно справляется 14 элементная логопериодическая антенна ( примерно 10 дБ усиления). Появилось желание, так сказать, "тряхнуть стариной", и позаниматься дальним приемом телевидения, тем более в прошлом году был факт сверхдальнего приема финских мультиплексов (статья). Совершенно не было желания делать узкополосную систему, этим и определился выбор типа антенны: или конусная антенна ("бабочка"), или зигзагообразная дипольная система Ховермана. При выборе конусной антенны для получения усиления порядка 12-14 дБ в достаточно широком диапазоне (470МГц - 700МГц) необходимо не менее четырёх "этажей" диполей, есть проблемы с получением достаточно равномерного КСВ (< 2) из-за "пика" импеданса на резонансной частоте конусного диполя, приходится делать "бабочки" с разными резонансными частотами для перекрытия принимаемого диапазона. Описание некоторых конструкций и результаты исследования изложены в статье "Теория конусных антенн BowTie" на habr.com. Но Ваш покорный слуга уже делал антенны такого типа с вполне удовлетворительными результатами. Достаточно много конструкций и результатов испытаний на форуме канадских радиолюбителей.
В связи с этим фактом и поиском развлечений - антенна будет по схеме Ховермана.
Немного истории. Первый патент Доут Ховерман на ультра широкополосную антенну получил в 1958 году (патент US2918672A, ссылка на документ в формате pdf). На рисунке ниже представлен оригинальный первый вариант антенны без вибраторов-отражателей. Антенна, как и положено для такой конструкции, двунаправленна. Обещалась работа в МВ и ДМВ....
В патенте достаточно много информации о конструкции, размерах, и полученных характеристиках - но нет ни слова о методе расчета.
Последний патент US3148371A (ссылка на документ в формате pdf) авторства Доута Ховермана датирован 1964 годом. На рисунке ниже конструкции антенн из патента. Добавились вибраторы-отражатели, и, указывается уже один диапазон - ДМВ. Антенны, соответственно стали однонаправленными.
В патенте представлены три варианта антенн - с сплошными вибраторами-отражателями, с "щелевыми" (состоят из двух "половинок") и комбинация сплошных и "щелевых".
В 70-х годах прошлого века антенна Ховермана выпускалась на североамериканском континенте (полюбилась она американским антенна-строителям), на фотографии ниже канадская версия от RadioShack, в штатах подобная антенна производилась фирмой Antennacraft (Super-G 1483).
В 2007 году группа единомышленников, участников форума Digita Home (https://www.digitalhome.ca/), провели работы по поиску оптимальной геометрии антенны (использовался 4NEC2). Оптимизированные конструкции ребята назвали Грей-Хверман. Посмотреть конструкции можно в этой ветке форума (и "прелюдия" от энтузиастов). Несколько особняком стоит работа радиолюбителя и программиста Джона Э. Девиса по оптимизации конструкций антенн данного типа. Использовался пакет NEC2. На его сайте можно найти результаты моделирования и размеры конструкции антенн. К сожалению, нет информации по результатам реального изготовления антенн.
Перед тем, как брать в руки молоток и моток проволоки, хорошо бы посидеть пару вечеров за стареньким ноутбуком и глядя на звездное небо "посчитать" модели в пакете FEKO. Небольшое замечание - меня интересует диапазон 470 МГц - 700 МГц, актуальный в данный момент для телевизионного вещания. Модель построена по размерам со странички Джона Э. Дэвидсона, отличается от предыдущих ревизий (GH10.rev2) без щелевой конструкцией "паразитных" вибраторов - отражателей. Для начала посмотрим результат моделирования вибраторов без отражателей (300 Ом, диаметр линий, как и в оригинале - 7 мм). На Рисунке 1 представлена модель, на Рисунке 2 - усиление с учетом КСВ, Рисунок 3 - зависимость усиления от частоты, Рисунок 4 - КСВ по напряжению в зависимости от частоты. На Рисунке 5 - диаграммы направленности.
На Рисунке 3 хорошо виден максимум усиления на частоте 670 МГц. И, соответственно, на графике КСВ видно достижение на этих частотах минимума. Это совпадает с результатами моделирования автора. Добавим в модель "паразитов" - вибраторы-отражатели. На рисунке 6 представлена модель антенны в FEKO.
На Рисунках 7 и 8 эскизы антенны Ховермана, оптимизированной Джоном Э. Дэвидсоном (далее по тексту - "оригинальная" антенна).
Результаты моделирования приведены на Рисунках 9 и 10.
На графике усиления в зависимости от частоты хорошо виден подъём в верхней части диапазона. КСВ изменяется от 1.2 на частоте 470 МГц до 1.86 на частоте 700 МГц - вполне приемлемо. На Рисунке 11 представлен график зависимости импеданса от частоты.
Входное сопротивление антенны около 300 Ом, необходим трансформатор (балун) для согласования с фидером снижения (75 Ом) - 4:1.
На Рисунках 12 -17 приведены диаграммы направленности в зависимости от частоты в полярной системе координат.
Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности (3 дБ) изменяется с 29 градусов до 16 градусов в зависимости от частоты. Отчетливо видно, что с повышением частоты "растут" боковые лепестки, что ухудшает помехозащищенность и избирательность антенны. Так же достаточно большой задний лепесток, что не очень хорошо.
Все следующие телодвижения связаны с объективным требованием несколько уменьшить размеры антенны (не влезает в чердачок под коньком такой размер), что соответственно не приводит к улучшению параметров - только к ухудшению. Ещё один фактор - не подготовился к строительству антенны - нет толстой проволоки (да, как-то так получилось, что не только медной, но и алюминиевой нужного диаметра тоже нет на даче - форменное безобразие).
К сожалению, я не нашел методики расчета данного типа антенн - похоже есть только эмпирические результаты и расчеты методом оптимизации. Если уважаемый читатель имеет материалы по методике расчета - прошу поделится.
Далее буду оперировать обозначениями с эскиза антенны (Рисунок 7 и Рисунок 8).
Первым делом убрал самый длинные вибраторы-отражатели - L6. Результаты моделирования на Рисунке 18 и 19.
Видно, что коэффициент усиления снизился примерно на 0.6 дБ, КСВ тоже немного "подпортилось". Но не катастрофично. Портим антенну дальше. Уберем L4. Результаты моделирования на Рисунке 20 и Рисунке 21.
Усиление антенны упало в среднем на 1 дБ, КСВ на нижнем крае диапазона увеличилось. При варианте - исключить L3, оставить L4 - результат будет примерно такой же.
Режем дальше - уберем L3. Результаты моделирования на Рисунке 22 и Рисунке 23.
Без вибраторов-отражателей L3 и L4 параметры антенны ухудшались значительно - усиление упало по сравнению с оригиналом почти на 3 дБ, КСВ тоже пострадало.
Подредактируем - поставим в модель имеющийся медный провод диаметром 1.6 мм на зигзаг, алюминиевый провод диаметром 4 мм на вибраторы-отражатели (использую то, что есть в наличии). Так же изменим расстояние от зигзагов до вибраторов-отражателей в соответствии с планируемой конструкцией (описание далее).
Результаты расчета модели из имеющихся материалов (вибраторы - 1.6 мм, рефлектор - 4 мм), без вибраторов-отражателей L3, L4, L6 приведены на Рисунке 24.
Попробуем добавить "укороченные" вибраторы-отражатели L3 и L4.
Конструкция и размеры "укороченных" вибраторов-отражателей получены с помощью сценария оптимизации в пакете FEKO. Вибраторы L3 и L4 изогнуты по форме меандра (Рисунок 25).
Ширина меандра - 68 мм, высота L4 - 50 мм, L3 - 45 мм, "хвостики" в конце отражателя по 50 мм, общая длина - 712 мм. Положение вибраторов-отражателей - как и в оригинале - z3 и z4. Результаты расчётов приведены на Рисунке 26 и Рисунке 27.
Усиление антенны ниже примерно на 1.6 дБ по сравнению с оригинальной антенной со всеми установленными вибраторами-отражателями и диаметром материала антенны 7 мм. КСВ не приблизилось к оригиналу (но в большей степени это "заслуга" небольшого диаметра провода вибратора). По сравнению с вариантом без вибраторов-отражателей L3, L4, L6 (Рисунок 24) выигрыш около 1.2 дБ. Задний лепесток (Рисунок 28) достаточно большой - практически половина главного лепестка. У оригинальной конструкции так же задний лепесток почти половина главного (Рисунок 17).
Результат расчета, конечно, не фантастический - но при использовании "таких" материалов для изготовления - вполне ожидаемый. "Охота пуще неволи" - делаем антенну.
В основе конструкции применены листы экструдированного пенополистирола. В данном конкретном случае использовались листы "Пеноплекса" размером 1200х600х40 миллиметров. Относительная диэлектрическая проницаемость - около ε ≈ 1.0467, тангенс угла потерь - 2·10^(-4) (ссылка на работу, содержащую данные по экструдированному пенополистиролу и опыт применения для построения радио линз).
В свое время (году так в 2010... )использовал "потолочную" технологию (использование пенопластовой плитки для потолка), для изготовления линзы Френеля , для спутникового приема, о чем есть запись на тогда еще живехоньком форуме Альяно (советы бывалого чайника). Фотографий к сожалению не сохранилось - но интернет все помнит, случайно нашёл свою фотографию.
Два сложенных листа пенополистирола дают толщину основания антенны в 80 мм, при построении моделей для расчетов учитывалась относительная диэлектрическая проницаемость материала основания (78.2 мм от рефлектора до вибраторов в воздушном пространстве). На Рисунке 29 показаны некоторые моменты и этапы сборки антенны.
"Полотно" антенны крепится к основанию с помощью термоклея клеевым пистолетом. Для крепления рефлектора использовались обрезки пенополистирола, закрепленные тоже с помощью клеевого пистолета. Для изготовления вибраторов-отражателей L3 и L4 использовалась самоклеящееся алюминиевая фольга толщиной 0.07 мм. Размер антенны - 930х720х80 миллиметров.
Для согласования антенны с кабелем снижения были опробованы следующие согласующие трансформаторы: полуволновой трансформатор, трансформатор на ферритовом "бинокле" и трансформатор в микрополосковом исполнении. Полуволновой трансформатор с частотой 560 МГц показан на Рисунке 30 (заготовка).
Трансформатор на ферритовом "бинокле" использовался смонтированный на "пластинчатом" усилителе, предварительно убрав проходную разделительную емкость на входе усилителя (Рисунок 31).
Микрополосковое исполнение согласующего трансформатора сопротивлений (300 Ом-75 Ом) представлено на Рисунке 32.
Исследование микрополоскового исполнения трансформатора можно посмотреть здесь.
В связи с неподготовленностью метрологической базы для исследования антенн на даче, Ваш покорный слуга просит прощение за субъективные оценки типа "лучше", "хуже", "вроде бы", "умеренный снег", и т.д. Контроль антенны производился с помощью DVB-T2 приставки (Oriel 963, тюнер MxL608, измерение в "попугаях", так и будем далее называть единицу шкалы уровня сигнала по тексту) и макетного экземпляра панорамного индикатора уровня сигнала диапазона частот 45 МГц - 860 МГц (Рисунок 33, ссылка на статью, на основе которой построен макет). К сожалению, с метрологией индикатора разобраться еще не успел - так, что результаты измерений тоже крайне относительны.
Индикатор обладает достаточно высокой чувствительностью, позволяющей наблюдать наличие сигнала цифрового вещания, в тех случаях, когда чувствительности приставки DVB-T2 не хватает для демультиплексирования сигнала. Второе преимущество - наблюдение всего диапазона ДМВ сразу (частота обновления около 5 сек.).
Сравнение проводилось с работой промышленной логопериодической антенной "Дельта Н141" (11.5 дБ по паспорту, 14 эл.), установленной на чердаке под коньком, кабель SAT703 примерно 7 метров. Установка антенны позволяет свободно изменять направление приема. Примерное возвышение над замлей - 12 метров. В дальнейшем по тексту будем называть её "штатной". Испытуемая антенна расположена на мансарде, длина кабеля - 7 метров, примерное возвышение над землей - 9 метров. Дом каркасный, крыша - резиновый шифер. Фронтон дома "смотрит" на телевизионную вышку. Расстояние до телевизионной вышки - 50 км. Вещание ведется в аналоговом стандарте - 22 и 31 частотный канал и в стандарте DVB-T2 - 35 и 45 частотный канал. Мощности передатчиков DVB-T2 вещания - по 5 кВт (не уверен), мощности передатчиков аналогового вещания установить не удалось, но сигнал заметно слабее цифровых каналов. Штатная антенна выдает 46 попугаев уровня сигнала, 98 процентов качества, примерно одинаково на 35 и 45 частотном канале. 22 частотный канал - "снег", 31 частотный канал - умеренный "снег".
При использовании полуволнового трансформатора испытуемая антенна: 35 канал - 74 попугая, 98 процентов качества, 45 канал - 63 попугая уровня, 98 процентов качества, 22 аналоговый канал - умеренный "снег", 31 - небольшие "вкрапления" в цвет. Явно ожидаемый "завал" высокочастотной части рабочего диапазона антенны.
Подключаем трансформатор на ферритовом "бинокле": 35 канал - 52 попугаев уровня, 98 процентов качества, 45 канал - 46 попугаев уровня, 98 процентов качества, 22 канал - "снег", 31- чуть лучше 22....
При использовании трансформатора в микрополосковом исполнении: 35 канал - 69 попугаев, 98 процентов качества, 45 канал - 75 попугаев, 98 процентов качества, 22 канал - небольшие "вкрапления" в цвет, 31 канал - удовлетворительно.
Что же, первые результаты вполне удовлетворительные. По сравнению со штатной антенной, субъективно антенна Ховермана имеет большее усиление. Немного непонятно "поведение" трансформатора на феррите - в дальнейшем постараюсь разобраться с этим вопросом, а пока исключим его из дальнейших опытов. Наиболее "ровный" и соответствующий расчетным параметрам результат при применении трансформатора в микрополосковом исполнении. При применении полуволновой "петли" закономерный "завал" в высокочастотной части рабочего диапазона антенны, но вполне приемлемо, при отсутствии других согласующих трансформаторов.
Далее была проведена серия опытов по приему телевизионного сигнала с удаленных телевизионных передатчиков. Наилучший результат был получен с использованием трансформатора в микрополосковом исполнении. Удалось "зафиксировать" сигнал 21 и 23 частотного канала, направление на Тихвин (Кириши и Волхов в том же направлении, но мощность передатчиков невелика). Так же фиксировались 39 и 47 канал по Лужскому направлению. Оказалось крайне тяжело идентифицировать передающую телевизионную вышку - в "зоне" с одной частотной сеткой обычно несколько передатчиков, с разной мощностью.
В некоторых случаях сигнал наблюдался только на индикаторе. Было решено проверить прием с применением усилителей. В наличии были усилители SWA 555 (от "польки", по данным из интернета около 30 дБ усиления, 3 дБ "шума", 12В) и LSA -777DF (усиление 20дБ, шум - 0.7дБ, 5В, производства Locus) (Рисунок 34).
С усилителем SWA-555 удалось принять 47 канал, на уровне "срыва" и зависания картинки - 20-35 попугаев уровня, 40-60 процентов качества, сигнал не устойчивый. Усилитель подвержен самовозбуждению, и увеличение длины кабеля, перенос места наблюдения (индикатор, DVB-T2 приставка) на первый этаж метров на 30 от антенны не решили вопрос возбуждения усилителя.
Применение усилителя LSA-777 оставило хорошие результаты - прием на приставку 23 канала - 55-60 попугаев уровня, качество 50-65 процентов. Прием 21 осуществить не удалось. Достаточно хорошо "шли" 39 и 47 канал - по 65 попугаев, и достаточно устойчиво около 70 процентов качества. Были кратковременные "захваты" 24 канала со стороны Выборга.
Краткие выводы: даже в таком "исковерканном" варианте антенна Ховермана дает хорошие результаты приема. Конечно, при строительстве необходимо ориентироваться на оригинальную конструкцию антенны. Применение пенополистирола облегчает строительство антенны - но это только lkz размещения антенны под крышей. Если делать "уличный" вариант - конструкция сложнее чем "бабочка". Размеры антенны Ховермана соизмеримы с классической четырёхэтажной "бабочкой".
Антенна имеет значительный задний лепесток, и боковые лепестки, меняющие направление в зависимости от частоты (в качестве примера - я достаточно долго не мог понять при настройке антенны, откуда два максимума на 31 частотном канале, хотя на 35,45 и 22 максимум был один, пока не обратил внимание на печную трубу из нержавейки, расположенную сзади антенны метрах в двух, диаметр трубы - 200 мм, пришлось менять место экспериментов). Главный лепесток "заострен" не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной - наклон антенны относительно горизонта значительно влияет на качество приема.
Применение усилителя типа LSA с малыми собственными шумами значительно улучшает прием мультиплексоров.
Благодарю уважаемого читателя за уделенное время на чтение "опуса" о моих дачных вечерних развлечениях.
С уважением.
P.S. Уже в процессе написания статьи на моем пороге появился сосед, проживающий через дорогу от моего дома, со своей бедой пришёл - ветер повалил мачту с "польской" антенной, что и стало причиной её окончательной смерти (она и так была значительно потрепана временем, ветрами, птицами). Исследовав с рулеткой чердак под коньком в доме соседа, убедившись, что антенна влезет, установил и настроил соседу испытуемую антенну Ховермана. С усилителем LSA. Две DVB-T2 приставки, солитер с проходом питания. Уровни по 94 попугаев, качество - по 98 процентов. Этому соседу не жалко, за одно, получил заверение, что будет "наблюдение" уровня приема и качества в зимние время года - он каждые выходные приезжает на дачу. На будущий год придется делать следующую "опытную" антенну....