Самодельная антенна Зональная антенна Френеля

• 
• 

Подробности

Категория: Статьи

Опубликовано 21.09.2013 21:54

Просмотров: 1180

Зональная антенна Френеля

Самодельная антенна

 

За основу данной статьи взята статья о Зональной антенне Френеля, массово выложенная в интернете повсюду один к одному, и ее клон - статья из журнала Теле-Спутник - 6(32) Июнь 1998 г.

Цель ниже приведенного материала – исправить и дополнить. Главная и грубая ошибка, которая может привести к значительному снижению чувствительности антенны – выбор фокусного расстояния принимается произвольно в пределах 500-1000мм.

Теоретическая часть – Принцип работы и расчетные формулы

В настоящее время в спутниковом непосредственном телевизионном приеме наиболее широкое применение получили два основных параболоида вращения: осесимметричный и асимметричный (офсетный). Трудоемкость изготовления параболического отражателя вынудила искать альтернативные конструкции антенн, более технологичные в производстве и самостоятельном изготовлении.

Преимущество антенны Френеля – простота изготовления, Недостатоки – более низкая чувствительность, как следствие больший диаметр и узкополосность.

 

К таким конструкциям относится плоский зональный отражатель Френеля*, схематическое изображение которого показано на рис.1.

Зональная антенна Френеля (ЗАФ) по своему принципу действия существенно отличается от обычно используемых антенн, в основе содержащих параболический отражатель. Параболоид вращения обладает одним замечательным свойством, которое заключается в следующем. Радиоволны, параллельные оси параболоида, отражаются от его зеркала и концентрируются в одну точку. Эта точка называется фокусом антенны F.

Антенный отражатель Френеля представляет собой проводящие концентрические кольцевые поверхности, расположенные в одной плоскости. Под воздействием падающей волны электромагнитного поля, согласно принципу Гюйгенса, каждое кольцо становится источником вторичного излучения, которое направлено в разные стороны в отличие от параболоида вращения, отражающего все лучи в направлении фокуса. Можно подобрать такую ширину каждого кольца зональной антенны и расстояния между ними, чтобы сигналы вторичного излучения от средних линий каждого кольца в определенной точке пространства совпадали по фазе. Для этого достаточно, чтобы расстояния между средними линиями колец и указанной точкой отличались на длину волны сигнала — l. Эту точку по аналогии с параболоидом можно назвать фокусом. В фокусе, как и в параболической антенне, располагается облучатель.

 

Рисунок 2 – Расчетная схема антенны Френеля

На рис. 2 показано сечение при виде сбоку на верхнюю часть центрального диска антенны и первого кольца. Если в качестве фокуса выбрана точка, которая находится на расстоянии f от плоскости с кольцами, то сигналы, излученные серединами колец, будут совпадать по фазе в фокусе при следующих значениях расстояний между краями колец и фокусом:

 

и т.д.

т.е. в общем случае

 

где n=1, 2, 3 и т.д.

Тогда на поверхности первого кольца должна существовать такая окружность, расстояние от которой до фокуса будет больше l₂, равного f + 3l/4, но меньше l₃, равного f + 5l/4, то есть f + l. Таким образом, сигнал, излученный этой окружностью, у фокуса окажется в фазе с сигналом, излученным центром диска. На поверхности второго кольца будет расположена окружность, расстояние от которой до фокуса окажется равным f + 2l, на поверхности третьего кольца – f + 3l и т.д. Все эти сигналы в фокусе будут складываться синфазно.

Зная значения гипотенуз и одного из катетов, можно вычислить вторые катеты треугольников — наружные и внутренние радиусы колец по теореме Пифагора

 

или в общем случае:

 

Сигналы, излученные серединами колец, оказываются в фазе с сигналом, излученным центром диска. Расфазировка между сигналами, излученными кромкой диска и его центром, а также кромками колец и их серединой составляет всего четверть длины волны.

Таким образом, расчет ЗАФ сводится к выбору места расположения фокуса F на воображаемой оси антенны, то есть расстоянии f от полотна антенны и вычисления внутренних и наружных радиусов колец в зависимости от длины волны l ретранслятора по формуле (1).

Сигналы, излученные краями колец, отличаются по фазе от сигналов, излученных той окружностью (находится в середине кольца), которая обеспечивает синфазность. Вместе с тем, широкие кольца обеспечивают широкополосность антенны. В связи с тем, что радиусы колец ЗАФ зависят от длины волны сигнала, может показаться, что антенна является узкополосной и для каждой частоты (или длины волны) спутникового ретранслятора понадобятся соответствующие размеры колец. Однако расчеты показывают, что это не так.

Если радиусы колец будут рассчитаны для средней частоты диапазона 10,7 ... 11,7 ГГц (длина волны 26,8 мм) или 11.7 ... 12,5 ГГц (длина волны 24,8 мм), то, как для минимальной, так и максимальной частот диапазонов, те окружности, которые соответствуют равенству фаз сигналов, все еще будут располагаться на поверхности колец.

В таблице приведены результаты расчетов размеров ЗАФ для указанных диапазонов частот и расстояния f = 1000 мм. В формулу (1) последовательно подставлялись в качестве значения n порядковые номера радиусов. При этом четные номера соответствуют внутренним радиусам, нечетные — наружным, а r₁ — радиусу центрального диска.

Из таблицы видно, что ширина колец убывает равнозамедленно. Радиолюбителю не обязательно изготовлять ЗАФ в полном объеме. В тех случаях, когда в месте приема используется параболическая антенна диаметром 90 см, в конструкции ЗАФ можно ограничиться пятью кольцами (пятому кольцу соответствуют радиусы r10 и r11 ). В этих случаях для диапазона частот 10,7...11,7 ГГц диаметр ЗАФ равен 1098 мм, для 11,7 ... 12,5 ГГц — 1024 мм.

Если рассчитать радиусы колец для средней длины волны всего вещательного диапазона Ku (10,7 ... 12,75 ГГц), на его краях эти "синфазные" окружности уже выходят за пределы поверхности колец. Поэтому на краях такого широкого диапазона синфазного сложения сигналов не получается.

Если широкополосности не требуется, можно уменьшить расфазировку, сузив каждое кольцо. Тогда радиусы колец можно вычислить по формуле:

 

 В результате этого расчета получаются радиусы "синфазных" окружностей, где n — номер кольца. Центральному диску соответствует n = 1. Ширина колец формулой не определяется, а выбирается произвольно. На практике можно изготовить центральный диск радиусом 50 мм, а ширину каждого кольца взять равной 20 мм. В этом случае синфазная окружность располагается примерно в середине кольца.

 

Практическая часть – Расчет и изготовление антенны

На первом этапе нужно выбрать диаметр антенны.

 

Таблица коэффициента усиления (дБ) и напряжения (U) от диаметра параболической антенны (м)

Для антенн Френеля значения Кф получены опытным путем.

Из таблицы видно, что коэффициент антенны Френеля ниже на 2 дБ, по сравнению с параболической антенной аналогичного диаметра.

Из этого следуют, что нужно принимать диаметр антенны на порядок выше чем у параболической антенны, т.е. если прием ведется на антенну диаметром 0,6м, то изготавливаем антенну Френеля диаметром 0,75м, и т.д.

 

Выбрав необходимый диаметр антенны, переходим к выбору фокусного расстояния, т.е. расстояния от плоскости антенны до конвертора F.

Выбор фокусного расстояния зависит от типа используемого конвертора, точнее от его угла раскрыва. Для прямофокусных антенн обычно используются конверторы с углом раскрыва 120 ̊, для офсетных 70-90 ̊.

Три примера, изображенных на рисунках ниже, дают представление о зависимости фокусного расстояния антенны и угла раскрыва конвертора.

 

 

Таким образом, наша цель сводится к расчету такого фокусного расстояния, как показано на первом рисунке. Из схематического расположения конвертора относительно антенны, находим фокусное расстояние F.

 

 

 

где: r – наружный радиус последнего кольца, α – угол раскрыва конвертора. tg 70 ̊/2= 0,7002, tg 90 ̊/2= 1, tg 120 ̊/2= 1,7321

 

Итак фокусное расстояние для разных облучателей находится по следующим формулам:

 

 Для удобства самостоятельного расчета антенны Вы можете скачать программу расчета – Exel-файл

 

Для выполнения расчета вам необходимо ввести:

1)      Диаметр антенны в мм (ячейка D2);

2)      Угол раскрыва конвертора (ячейка D3);

3)      Верхнюю и нижнюю частоту принимаемого диапазона (ячейки D4, D5).

Еще раз обращаю Ваше внимание, что антенна узкополосная и не может охватить весь вещательный диапазон Ku (10,7 ... 12,75 ГГц = 2,05ГГц). Рассогласование фазы от ширины частотного диапазона рекомендуется не выше 5 %, т.е. диапазон не шире 1,2ГГц.

Основное достоинство зональной антенны состоит в том, что она значительно технологичнее в любительских условиях изготовления, так как является плоской. Такая антенна может быть выполнена из большого куска фольгированного пластика либо методом травления, либо вырезанием промежутков между кольцами. Ее также можно изготовить наклейкой колец из фольги или ровной жести на лист гетинакса, текстолита, оргстекла, древесно-волокнистого полотна (ДВП). Для уменьшения ветровой нагрузки в диэлектрическом основании антенны можно насверлить произвольное количество отверстий.

Основным недостатком зональной антенны является меньший коэффициент усиления по сравнению с параболической такого же диаметра, так как не вся энергия сигнала, падающая на полотно антенны, направляется к облучателю. В условиях слабого сигнала потеря усиления даже на 2 дБ может привести к поражению сигнала шумами и потере цветности. Для компенсации недостатка коэффициента усиления ЗАФ необходимо увеличивать диаметр полотна антенны, хотя при достаточной мощности спутникового ретранслятора и при больших углах места (меньше сказываются тепловые шумы Земли) для данной точки приема данная антенна может обеспечить хорошие результаты.

Приспособление для крепления конвертора изготавливается из трех дюралюминиевых трубок. Они прикручиваются к металлической шайбе с отверстием в центре для конвертора. По краям окружности зональной антенны трубки закрепляются уголками. Точки крепления дюралюминиевых трубок размещаются через 120° по поверхности антенны.

Необходимо точно вычислить и затем обозначить крестиком центр полотна антенны. Зональную антенну устанавливают строго горизонтально, и отвесом центрируется центр шайбы на трех дюралюминиевых трубках. Эта шайба должна находиться дальше фокуса от плоскости ЗАФ на расстоянии 15-25 мм. Это необходимо для того, чтобы можно было передвигать в этой шайбе конвертор и настроиться на наибольший сигнал.

Необходимо напомнить, что горизонтальная установка ЗАФ делается исключительно для того, чтобы отвесом обеспечить перпендикулярность линии, соединяющей центр этой шайбы с центром ЗАФ, к плоскости ЗАФ.


Литература:

 

1. Теле-Спутник - 6(32) Июнь 1998 г. В.Никитин (Москва), В.Пясецкий (Минск)
2. Журнал Telesatellite, №№3-4,1993 г.
3. Никитин В.А., Соколов Б.Б., Щербаков В.В., ТВ, РВ, Си-Би антенны. "100 и одна конструкция, новые и старые варианты". — М.: Символ — Р, 1997 г.
4. Пясецкий В.В. Прием спутникового телевидения. — Мн.: МП Центр, 1992 г.

* Огюстен Жан ФРЕНЕЛЬ (1788-1828), французский физик, один из основателей волновой оптики, в процессе изучения дифракции света использовал метод разделения фронта волны на кольцевые зоны, названные впоследствии его именем.