Analiza si proiectarea sistemelor radiante de emisie VHF -UHF

Notă: La curs, pentru exemple şi simulări se va utiliza soft-ul A.S.D.A (Antenna system – design and

analysis)

2

Calculul diagramelor de radiaţie a antenelor de emisie din banda VHF-UHF

CONŢINUT

1 Introducere.................................................................................................................................................. 3

2 Rprezentarea geometrică a diagramelor de radiaţie............................................................................... 3

3 Diagramele de radiaţie şi calculul cîştigului ............................................................................................ 4

4 Elemente radiante ...................................................................................................................................... 7 4.1 Surse punctuale............................................................................................................................... 7 4.2 Şiruri de surse punctuale................................................................................................................. 9

4.2.1 Multiplicarea diagramelor............................................................................................... 9 4.2.2 Sumare vectorială a diagramelor de bază........................................................................ 9

4.3 Antene elementare ....................................................................................................................... 10

5 Polarizarea ................................................................................................................................................ 11 5.1 Polarizarea eliptică........................................................................................................................ 11 5.2 Polarizare orizontală şi verticală ................................................................................................... 11 5.3 Polarizare oblică ........................................................................................................................... 11 5.4 Polarizare circulară ....................................................................................................................... 12

6 Şiruri de antene ........................................................................................................................................ 13 6.1 Şiruri cu radiaţie transversală ....................................................................................................... 13

6.1.1 Şiruri de antene liniare cu elemente pasive ................................................................... 17 6.2 Diagrame de radiaţie în amplitudine şi fază.................................................................................. 18 6.3 Calculul diagramei de radiaţie a reţelelor de antene ..................................................................... 20 6.4 Antene de bază (elementare)......................................................................................................... 21

6.4.1 Antene panou ................................................................................................................ 22 6.4.2 Antene Yagi .................................................................................................................. 23 6.4.3 Alte tipuri antene de bază.............................................................................................. 23

7 Sisteme de antene ..................................................................................................................................... 24 7.1 Diagrama unui sistem radiant ....................................................................................................... 25

7.1.1 Anularea nulurilor ......................................................................................................... 25 7.1.2 Înclinarea lobilor ........................................................................................................... 30

7.2 Diagrame de radiaţie ale sistemelor de antene.............................................................................. 32 7.3 Exemple diagrame de radiaţie ale sistemelor radiante.................................................................. 35

7.3.1 Sistem radiant cu dipoli semiundă ................................................................................ 37 7.3.2 Sisteme radiante cu antene Yagi ................................................................................... 37 7.3.3 Sisteme radiante cu antene panou ................................................................................. 39

8 Anexe ......................................................................................................................................................... 41 8.1 Comparaţie beam tilt mecanic vs. beam tilt electric .............................................................. 41

8.2 Zona serviciu neoptimizată ..................................................................................................... 42 8.3 Zona serviciu optimizată......................................................................................................... 43 8.4 Exemplu caz nerespectare rec. ETSI (Radio Site engineering) .............................................. 44

3

CAP 1

Calcul diagrame de radiaţie în banda VHF - UHF

1 Introducere

În această parte sunt expuse principiile fundamentale a teoriei antenelor pentru benzile VHF – UHF cît şi caracteristicile generale a sistemelor de antene realizate cu un număr finit de antene elementare (antene de bază).

Sunt expuse de asemenea cîteva exemple de sisteme radiante şi caracteristicele de funcţionare, ghid util pentru utilizatori în alegerea corectă a configuraţiei necesare.

În particular, paragrafele § 4.2 şi 7.2 descriu metoda analitică pentru calculul diagramei de radiaţie globale a unui sistem radiant de antene şi care poate fi considerată ca o metodă recomandabilă pentru evaluarea condiţiilor de funcţionare a unui sistem radiant în condiţii ideale.

Se are în vedere faptul că în anumite condiţii reale pot exista abateri ale diagramelor de radiaţie faţă de metoda expusă (detailat în Cap.2).

2 Reprezentarea geometrică a diagramelor de radiaţie a antenelor.

O antenă poate fi constituită dintr-un singur element radiant sau de o reţea de elemente radiante. Repartizarea spaţială a radiaţiei unei antene poate fi reprezentată în trei dimensiuni ca un loc geometric în care fiecare punct corespunde unei forţe cimomotrice (f.c.m.)*. Această reprezentare este bazată pe o emisferă situată deasupra solului, centrată pe antenă şi cu dimensiuni mult mai mari decit dimensiunile fizice ale antenei.

F.c.m este un punct de pe suprafata sferei şi este exprimat in dB ca raport între f.c.m maximă, normalizată [ 0 dB] şi f.c.m a punctului considerat.

Diagramele de radiaţie tridimensionale sunt construite într-un sistem de coordonate de referinta – Fig.1

Se definesc parametrii într-un sistem de coordonate polar – sferic :

θ : unghi elevaţie în raport cu planul orizontal (0° ≤ θ ≤ 90°)

ϕ : azimut în raport cu axa x (0° ≤ ϕ ≤ 360°)

r : distanţa origine – punct de observaţie

Q : punct de observaţie.

* Definiţia fortei cimomotive(f.c.m) şi a forţei cimomotive specifice sunt date în Rec.ITU –R BS.561

Forţa cimomotivã asociatã unui punct din spaţiu reprezintã efectul datorat cimpului electric produs de o antenã situatã la o distantã suficientã astfel încît componenta reactivã sã nu se manifeste.

Se exprimã în (mV/m) şi este numeric egalã cu cîmpul electric produs de o antenã situatã la 1 Km.

Forţa cimomotivã specificã a unui punct din spaţiu este forţa cimomotivã în acel punct cînd puterea radiatã de antenã este 1 kW.

4

Reprezentarea în coordonate polare a unei diagrame de radiaţie

Reprezentare în coordonate carteziene a unei diagrame de radiaţie, axa Y cu scala lineară.

5

Reprezentare în coordonate carteziene a unei diagrame de radiaţie, axa Y cu scala logaritmică.

Reprezentarea unei diagrame de radiaţie în coordonate XYZ (suprafată de radiaţie, utilă pentru predicţie propagare utilizînd hărţi digitale)

6

3 Diagrama de radiaţie şi calculul cîştigului

Fig.1 Sistemul de referinţă

În sistemul de coordonate de referinţă din Fig.1, amplitudinea cîmpului electric creat de o antenă este dat de expresia :

E (θ, ϕ) = k f (θ, ϕ) (1)

unde:

E (θ, ϕ) : amplitudinea cîmpului electric

f (θ, ϕ) : funcţia diagramei de radiaţie

k : factor de normalizare pentru a se obţine E (θ, ϕ) max = 1, sau 0 dB.

Dacă se exprimă cîmpul electric total în funcţie de componentele sale într-un sistem de coordonate sferic, se obţine :

(2)

Directivitatea, D, a unei surse de radiaţie se exprimă ca raportul dintre intensitatea maximă de radiaţie (sau a densitătii maxime de putere) şi intensitatea de radiaţie a unei surse izotrope, care radiază aceeaşi putere :

(3)

Aplicînd ecuatia (1), putem exprima D cu ajutorul funcţiei normalizate a diagramei de radiaţie a sursei, f (θ, ϕ) :

7

(4)

Ţinînd cont şi de randamentul antenei, se poate defini cîştigul G, ca raportul dintre intensitatea maximă de radiaţie şi intensitatea maximă de radiaţie a unei antene de referinţă, excitată cu aceeaşi putere de intrare.

Dacă antena de referintă recomandată este o antenă izotropă fără pierderi, expresia cîştigului G devine :

Gi = 10 log10 D dB (5)

dacă referinta este antena dipol λ/2, Gd :

Gd = Gi – 2,15 dB (6)

4 Elemente radiante

4.1 Surse punctuale

Dacă o antenă radiază în condiţii de cîmp îndepărtat (zona Fraunhofer), şi admitem că vectorii E şi H sunt ortogonali pe direcţia de propagare, putem aproxima antena ca o sursă punctuală.

În VHF şi UHF această distanţă este mică iar în zona de serviciu putem admite că sistemul radiant este o sursă punctuală şi fluxul de putere este radial.

Vectorul Poynting rezultant a acestor componente transversale ale cîmpului Eθ şi Eϕ,, este reprezentat în Fig.2 :

.2 Relaţia dintre vectorul Poynting şi componentele cîmpului la distantă mare.

Considerând frontul de undă plan , valoarea medie a vectorului Poynting devine :

8

(7)

unde:

2 2 2E E Eϑ φ= + (8)

Z0 : impedanta intrinsecă a spaţiului liber

E : intensitatea totală a cîmpului electric

Cîmpul electric E la o distanţă r produs de o sursă punctuală care radiază puterea Pis este dat de relatia : (ITU-R P.525, asumînd propagarea în spatiul liber)

1/22

E= 30Pis/r V/m (9)

unde:

Pis : puterea izotropă (W)

r : distanţa (m).

Raportînd puterea izotropă radiată Pis la puterea radiată de o antenă dipol λ/2, Pis = 1.64 P, se obţine pentru cîmp relaţia:

E=7,014 P/r V/m (10)

Pentru o sursă punctuală non-izotropă, cîmpul electric Eni radiat în altă direcţie, depinde de diagrama de radiaţie :

Eni = f (θ, ϕ) · Eis (13)

unde:

Eni : cîmpul electric produs într-un punct Q (r, θ, ϕ) de o sursă punctuală non-izotropă de putere P ;

f (θθθθ, ϕϕϕϕ) : diagrama de radiaţie a sursei punctuale non izotrope ;

Eis : cîmpul produs in punctul Q de o sursă punctuala de aceeaşi putere P ;

4.2 Şiruri de surse punctuale

Considerînd un şir de surse de radiaţie punctuale, distribuite în spaţiu, putem distinge următoarele situaţii :

a) şiruri de surse punctuale non-izotrope, identice;

b) şiruri de surse punctuale non-izotropice, diferite.

Cazul a) se raportează la şiruri în care antenele elementare au diagrame de radiaţie identice şi orientate în aceeaşi direcţie. Este evident cazul şirurilor de antene panou, una deasupra celeilalte, orientate identic

Cazul b) este general şi nu există nicio corelaţie între diagramele de radiaţie/amplitudine a surselor grupate , iar orientarea poate fi arbitrară.

9

4.2.1 Multiplicarea diagramelor

Pentru şiruri de antene non-izotrope dar identice (caz a) se poate aplica principiul multiplicării diagramelor de radiaţie. Conform acestui principiu, amplitudinele relative ale diagramei de radiaţie a unui şir de antene non-izotrope, dar identice, este produsul dintre diagrama de radiaţie a unei antene individuale şi a diagramei de radiaţie a unui şir de antene izotrope ; diagrama de fază rezultantă este suma vectorială a fazelor individuale a şirului izotrop.

Astfel:

( , ) ( , )* ( , ) ( ( , ) ( , ))p pE f F f Fθ φ θ φ θ φ θ φ θ φ= ∠ + (14)

şi pentru un sistem de referinţă - Fig. 1:

E : vector cîmp electric

f (θ, ϕ) : diagrama de amplitudine a antenei individuale

fp (θ, ϕ) : diagrama de fază a antenei individuale

F (θ, ϕ) : diagrama de amplitudine a şirului de antene izotrop (sau factor de şir)

Fp (θ, ϕ) : diagrama de fază a şirului de antene izotrop

4.2.2 Sumarea vectorială a diagramelor

În cazul general al unui şir de antene non izotrope şi cu direcţii de radiaţie diferite (cazul b), nu se poate aplica principiul multiplicării diagramelor. În acest caz, diagrama de radiaţie E(θ, ϕ) se calculează prin sumarea vectorială (amplitudine şi fază a fiecărei antene individuale, astfele :

(15)

unde:

Ei (θ, ϕ) : cîmpul electric radiat de sursa i

E (θ, ϕ) : cîmp rezultant.

4.3 Antene elementare (antene de bază) VHF - UHF

Antenele constituite din radiatoare elementare sunt utilizate destul de rar în radiodifuziunea VHF – UHF datorită cîştigului redus şi a complexităţii sistemelor de adaptare. De obicei se utilizează perechi sau quadrupleţi de radiatoare asamblate şi adaptate, constituind o antenă bine definită.

În sistemul de referinţă din Fig.3, componentele cîmpului, Eθ et Eϕ, produs de un dipol λ/2 de lungime

şi o distribuţie sinusoidală de curent sunt :

(16)

unde:

I0 : curentul de alimentare

β = 2 π/λ

r : distanţa la punctul P unde se face calculul.

10

Expresia de mai sus se simplifică dacă l = 0,5 λ

Fig.3 Dipol λ/2λ/2λ/2λ/2 într-un sistem de referinţă

În acest caz, dipolul λ/2 prezintă o impedanţă de 72 Ω rezistivă la frecvenţa de rezonanţă şi se poate simula ca un circuit rezonant serie.

Crescînd diametrul conductorilor dipolului creşte capacitatea şi se diminuează inductanţa circuitului serie echivalent ; scade Q-ul ul propriu şi banda de frecvenţa de lucru a dipolului creşte (cazul antenelor de emisie FM-TV).

5 Polarizarea

Alegerea corectă a polarizării necesare pentru diverse aplicaţii broadcasting, funcţie de condiţiile locale, face obiectul recomandării ITU – BT.464

5.1 Polarizarea eliptică.

În figura 4, polarizarea eliptică se obţine din 2 unde perpendiculare, cu polarizare rectilinie, care se propagă de-a lungul axei Z şi pentru care componenta electrică respectă :

Ex = E1 sin ωt

Ey = E2 sin (ωt + ϕ) (17)

Unde ϕ este diferenţa de fază dintre cele 2 unde. Cînd unda polarizată eliptic se propagă de-a lungul axei Z, rezultă un vector E care descrie o elipsă cu semiaxele date de E1 şi E2.

11

Fig.4 Polarizarea eliptică

5.2 Polarizarea orizontală şi verticală

Aceste unde sunt descrise de (17), unde Ey = 0 (polarizare orizontală) sau Ex = 0 (polarizare verticală).

5.3 Polarizarea oblică

O polarizare oblică de 45° se obţine din (17), pentru E1 = E2 şi ϕ = 0.

Fig.5 Polarizare oblică

5.4 Polarizarea circulară

Polarizarea circulară se obţine cînd în ecuaţia (17), Ey = E sin ω t şi Ex = ± E cos ω t. În cazul semnului +, unda se roteşte în sensul acelor de ceas, în direcţia pozitivă a axei Z(dextrogiră). Pentru semnul -, este vorba de polarizare levogiră.

12

Fig. 6 Polarizare circulară

Se poate obţine polarizare circulară sau oblică cu 2 antene cu polarizare rectilinie, una orizontală iar cealaltă verticală, cu un uşor decalaj de fază (exemplu de mai sus).

6. Sisteme de antene Sunt rare situaţiile cînd antenele elementare se utilizează individual. În general se folosesc sisteme de antene din următoarele considerente :

– obţinerea unui cîştig mare,

– obţinerea unei diagrame conforme cu zona de acoperire cerută a emiţătorului..

Frecvent utilizate sunt şirurile de dipoli elementari. Aceste şiruri sunt livrate de către fabricanţi sub diverse forme de antene de bază (antene panou, Yagi ) ; ulterior aceste antene pot constitui un sistem radiant. Fiecare antenă de bază are propriile diagrame de radiaţie de amplitudine H, V şi fază H, V.

6.1 Şiruri cu radiaţie transversală

Alimentînd un şir de antene liniare cu curenţi de aceeaşi amplitudine şi fază, aceştia vor radia transversal. Rezulta o diagramă a cărei maxim (maxime în absenţa reflectorului), va fi perpendicular pe planul antenelor.

În VHF şi UHF există 2 tipuri de şiruri cu radiaţie transversală care interesează realizarea unei antene : şir vertical de dipoli orizontali şi reţea colineară de dipoli verticali.

Şir vertical de dipoli orizontali :

Un şir vertical de dipoli orizontali are o structură periodică (Fig.7) constînd din dipoli orizontali suprapuşi la distante egale (în general λ/2), şi curenţi de alimentare avînd aceeaşi amplitudine şi fază.

13

Fig.7 Şir de dipoli orizontali

14

Fig.8 Diverse şiruri cu radiaţie transversală

15

Cîştigul realizat de un şir este funcţie de numărul de elemente şi distanta dintre dipoli .(sau lungimea şirului). În figura 9 este reprezentată grafic această dependentă. Distanţa optimă pentru obţinerea cîştigului maxim se află pentru valori ale lui n între 0,65 λ şi 0,95 λ. Trebuie amintit că distanţa optimă depinde de frecvenţă şi dacă sistemul de antene este proiectat să funcţioneze în bandă largă, va trebui luată o margine de siguranţă pentru evitarea scăderii bruşte a cîştigului , fenomen care se manifestă cînd valorile distanţei dintre antene sunt superioare valorii optime. Acest tip de şir de antene cu panouri individuale pot ajunge la 4 – 16 dipoli elementari ; valorile obişnuite de spaţiere sunt de ordinul λ/2. Pentru frecvenţe de lucru determinate , se pot alege spaţieri apropiate de valoarea optimă.

Fig.9 Variaţia cîştigului funcţie de numărul de antene şi distanţa S

Şir colinear de dipoil identici

Şirul colinear de dipoli identici este constituit dintr-un aranjament vertical de dipoli verticali la o distanţă egală şi alimentaţi prin curenţi de aceeaşi amplitudine şi fază – fig. 10. În această configuraţie se obţine o diagramă echidirectivă în azimut şi directivă în plan vertical – fig.11. Acest tip de sistem radiant se utilizează frecvent în FM ; pentru toată banda FM este necesară o anumită atenţie la alegerea distanţei dintre antene(prevenirea scăderii câştigului).

16

Fig.10 Şir vertical de dipoli

Fig.11 Reprezentarea cîştigului unui şir vertical colinear de dipoli verticali funcţie de distanta S

17

6.1.1 Şir de antene lineare cu elemente pasive

Dacă într-un şir de antene rectiliniu se introduc elemente nealimentate, cîmpul EM radiat de elementele active induc curenţi in elementele pasive. În domeniul VHF – UHF cea mai cunoscută configuraţie de acest gen este antena Yagi – fig.12. Antena este compusă dintr-un dipol alimentat, un reflector şi mai mulţi directori. Cîştigul global creşte proporţional cu numărul de directori.

Fig.12 Antena Yagi

Nota 1 – se poate calcula diagrama de radiaţie, aproximînd radiaţia elementului i al antenei în planul Z-Y, polarizare verticală astfel:

(18)

unde:

θ : unghiul de elevaţie

hi : λ/2 a elementului i

β = 2 π/λ

Deoarece fiecare din elementele unei antene Yagi are o diagramă diferită, nu se poate aplica principiul multiplicării diagramei. În acest caz se va face o sumare vectorială :

O diagramă se poate scrie:

(19)

unde:

n : numărul de dipoli

Ii : curentul în elementul i

di – 1 : distanţa dintre reflector şi elementul i (do =0)

18

6.2 Diagrame de radiaţie de amplitudine şi fază

Considerînd o sursă punctuală izotropă, distribuţia spaţială a semnalului receptionat este perfect definită de diagrama de radiaţie de amplitudine; diagrama de fază asociată nu are contribuţie la calculul puterii receptionate, deoarece prin definiţie o sursă izotropă emite cu faza constantă în orice direcţie din spaţiu.

În cazul surselor non izotrope de dimensiuni finite, constituite într-un sistem radiant, diagrama de radiaţie se determină utilizînd diagrama de radiaţie de amplitudine şi diagrama de fază asociată a elementelor componente. - Fig. 13.

Fig.13 Diagramele de amplitudine şi fază a unei antene UHF

Pentru determinarea diagramei de radiaţie a unui sistem radiant compus din antene individuale, este necesar să cunoaştem diagramele de radiatie de amplitudine şi fază a antenelor utilizate în sistem. Diagramele antenelor de bază sunt în general furnizate de fabricant sau măsurate de utilizator cu metodele cunoscute.

Sunt situaţii cînd un sistem radiant existent trebuie recalculat ; dacă nu se dispune de suficiente date tehnice despre antenele utilizate în sistem, se poate măsura o antenă şi extrage informaţiile necesare.

Se poate aplica şi o metoda (mai puţin precisă) de aproximare a antenelor din sistem :

În acest caz este comod să constituim un punct de referinţă, origine a diagramei de radiaţie, punct denumit centrul de fază, centrul geometric al frontului undei radiate.

19

Într-un sector unghiular putem aproxima sistemul ca o sursă punctuală non izotropă, amplasată în centrul de fază şi deci diagrama de radiaţie poate fi definită cu ajutorul unei singure diagrame de radiaţie de amplitudine.

Pentru sisteme de dipoli cu reflectori, centrul de fază este amplasat în general între bornele de intrare a dipolului şi reflector.

În cazul panourilor, constructorul indică precis poziţia centrului de fază, obţinut prin măsurători.

În VHF şi UHF, majoritatea antenelor de bază au banda de frecvenţe de lucru destul de mare şi în consecinţă constructorul va trebui să indice poziţia centrului de fază în toată banda sau pe subbenzi, obţinînd valori tabelate utile pentru proiectantul de sisteme radiante(fig.14) .

Fig.14 Poziţia centrului de fază pentru o antenna panou VHF de bandă largă

Deseori, constructorul pune la dispoziţia utilizatorilor o bază de date completă (diagrame amplitudine H, V , diagrame fază H, V, cîştiguri asociate) pe subbenzi de frevenţă.

Exemplu de bază date utilizat în programul A.S.D.A

20

ExempluE

Sinteza unui sistem radiant din două antene panou UHF, la 90 grade. În stînga, făra diagrama de fază(incorect) ; dreapta cu diagrama de fază(corect)

6.3 Calculul diagramelor de radiaţie a sistemelor radiante

Un sistem radiant compus din antene elementare (antene de bază), furnizate de către un fabricant (dipoli simpli, antene panou sau Yagi, etc) este bine definit dacă se cunosc secţiunile verticale şi orizontale ale diagramelor de radiaţie în trei dimensiuni, conţinînd direcţiile de radiaţie maxime. Dacă fA (θ, ϕ) este diagrama de amplitudinea a antenei, atunci diagramele orizontale şi verticale se pot exprima :

fAH (ϕ)θ = θmax et fAV (θ)ϕ = ϕmax

(20)

unde θmax et ϕmax reprezintă respectiv unghiurile de elevaţie şi azimutul radiaţiei maxime.

Practic, constructorii de antene indică diagramele pentru θmax = ϕmax = 0. Pentru valori θ ≠ θmax şi ϕ

≠ ϕmax se poate utiliza relaţia :

fA (θ, ϕ) = fAH (ϕ)θ = θmax · fAV (θ)ϕ = ϕmax

(21)

identic, pentru diagrama de fază se poate scrie:

fP (θ, ϕ) = fPH (ϕ)θ = θmax + fPV (θ)ϕ = ϕmax

(22)

unde : fPH (ϕ) θ = θmax şi fPV (θ) ϕ = ϕmax reprezintă respectiv diagramele de fază în plan

orizontal şi vertical. Expresia de mai sus presupune că toate secţiunile verticale sau orizontale au o alură asemănătoare celei de radiaţie maxime, ipoteză care se verifică în practică (antenele de bază au axe de simetrie) – figura de mai jos.

21

6.4 Antene de bază

6.4.1 Antene de tip panou

În VHF şi în special în UHF, radiatoarele elementare sunt de dimensiuni suficient de mici şi constructorii preferă asamblarea lor în şiruri bine definite apoi ca antene de sine stătătoare.

Această tehnică este destul de utilizată de constructorii de antene broadcasting deoarece permite o repetabilitate a parametrilor destul de bună.

Astfel, o antena panou poate fi considerată ca un simplu dipol semiundă unic, fixat la o distanţă determinată de un plan reflector incorporat. De fapt antena panou conţine un şir de 4 – 16 dipoli semiundă, reţea de adaptare, un plan reflector, totul asamblat rigid şi protejat printr-un radom cu pierderi RF mici.

Constructorul va optimiza panourile radiante referitor la :

– cîştig,

– diagrama de radiaţie,

– adaptare optimă,

– impedanţă constantă în bandă largă,

– banda frecvenelor de lucru.

Parametrii variabili sunt :

– structura fizică a radiatoarelor elementare,

– distanta dintre dipoli,

– distanţa dipoli – reflector sau forma reflectorului,

– sistemul de alimentare.

Posibilitatea funcţionării în bandă largă este un factor esential în concepţia panourilor radiante şi este consecinţa problemei ca un sistem radiant să poată funcţiona corect într-o bandă mare (exemplu UHF 470 – 960 MHz).

În fig.16 este reprezentată o antenă panou VHF. Este compusă din 2 dipoli suprapuşi, cu alimentare centrală printr-un simetrizor_distribuitor. Diagramele de radiaţie sunt reprezentate în fig. 18 ; se disting reprezentările pentru diagrama H, V şi diagrama de fază.

Panourile pentru banda I au cîştigul de cca 5 – 7 dBd, în banda II G = ~ 8 dBd. Panourile pentru banda III pot funcţiona în toată banda 174 – 230 MHz şi au cîştiguri = ~ 10 – 14 dB. În banda IV-V, datorită dimensiunilor mici ale dipolilor se pot construi panouri radiante foarte directive cu cîştiguri importante. La această frecvenţă apare problema compromisului dintre răspunsul corect în bandă şi obţinerea unor cîştiguri bune. Se obţin curent antene panou UHF care răspund acceptabil în toată banda şi au cîştuguri între 9 – 14 dBd.

Fig.16 Panou radiant VHF

22

Fig.18 Diagrama de radiaţie H, V şi fază a unei antene VHF

Faptul că antenele panou trebuie să acopere o bandă largă influenţează asupra impedanţei de intrare, a cîştigului şi a poziţiei centrului de fază ; constructorul va trebui să precizeze variatia acestor caracteristici cu frecvenţa. Valorile obişnuite ale cîştigului sunt 8 – 14 dB cu VSWR între 1.10 - 1.15, la intrarea în panou.

6.4.2 Antena Yagi

Antenele de emisie Yagi pentru FM-TV sunt compuse în general dintr-un element activ (uzual dipol semiundă), un reflector şi din mai mulţi directori pentru creşterea cîştigului.

Nu putem afirma, în sensul § 6.4.1, că antenele Yagi sunt de bandă largă. Este posibil să funcţioneze cu o lărgime de bandă de la ± 5% la ± 10%, în raport cu frecvenţa centrală.

Antenele Yagi actuale pot acoperi banda II şi 2 canale adiacente din banda III cu o singură antenă. Au cîştigul de ordinul a 4 – 5 dB, după numărul de directori( 1 la 3) ;

Antenele Yagi pot servi ca antene de bază pentru realizarea unui sistem de antene complex. Se pot suprapune antene Yagi orizontal sau/si vertical pentru realizarea unor diagrame de radiaţie deosebite. Diagrama globală se poate calcula prin metoda § 4.2, considerînd antenele Yagi ca surse punctuale non izotrope cu centrul de faze amplasat, în general între bornele de intrare.

6.4.3 Alte tipuri de antene

Pentru translatori FM-TV, la recepţie şi emisie se utilizează şi antenele log-periodice. Au avantajul funcţionării într-o bandă largă şi un raport faţă spate excelent, specific acestor tipuri de antene. Cîştigul este uşor inferior antenelor Yagi dar poate fi compensat prin instalarea a 2 -3 antene în polarizare orizontală sau verticală. O aplicaţie interesantă este suprimarea unui semnal interferator co-channel de pe un azimut mic faţă de semnalul principal.

23

* Două antene Yagi sau log-periodice instalate la o anumită distanţă pot crea în planul de polarizare un nul profund, eliminînd un potenţial perturbator cochannel.

* Diagrama de radiaţie în plan orizontal din exemplul de mai sus. Se observă pentru F=199,25 MHz, distanţa de montaj = 2907 mm, un nul profund la 15°(-75 dB).

24

7 Sisteme de antene În benzile VHF – UHF se pot realiza sisteme de antene utilizînd şiruri de antene elementare pentru sinteza unei diagrame de radiaţie optimizată, funcţie de cerinţele de acoperire.

Semnalul radiat de o antenă, într-o primă aproximatie se propagă în vizibilitate directă. Este evident că toată energia radiată de antenă deasupra liniei orizintului este pierdută. Se poate reduce această pierdere aplicînd tehnici de înclinare (beam tilt) spre sol a lobului vertical.

De asemenea se poate modela diagrama în azimut pentru a corespunde zonei de serviciu şi a asigura o protecţie la interferenţă co-channel suficientă.

Soluţia cea mai eficace pentru realizarea acestor deziderate este dispunerea unui număr suficient de antene elementare orientate spre azimuturile dorite.

În paragrafele următoare se va face o prezentare a tehnicilor actuale pentru optimizarea sistemelor radiante.

7.1 Diagrama de radiatie a unui sistem radiant

7.1.1 Eliminarea nulurilor

Sectorul unghiular care corespunde zonei de serviciu dorite este posibil să conţină nuluri datorită utilizării în sinteză a unui şir vertical de antene de bază. Prezenţa acestor nuluri poate crea zone de umbră, cu valori ale cîmpului EM insuficiente unui serviciu corect.

în Fig. 19 se prezintă diagrama de radiatie tipică pentru 4 antene panou UHF suprapuse vertical şi amplasate echidistant, alimentate cu curenţi de amplitudine şi fază egale. Se disting nulurile din diagramă care crează cîmp insuficient pentru o zonă de serviciu TV(nivelul minim recomandat al cîmpului EM este 67 dBuV/m) . Un receptor TV amplasat în zona nulurilor va recepţiona un semnal insuficient.

25

Fig.19 Evidenţierea nulurilor din diagrama verticală.

Unghiurile de apariţie a nulurilor sunt date de :

kArcTan

nd

± Θ =

(23) unde:

k : numărul de nuluri (1, 2, ...)

n : numărul antenelor suprapuse

d : distanta dintre antene, (lungimi de undă)

Există diferite metode pentru eliminarea (nulls filling) sau compensarea nulurilor din diagrama verticală şi obţinerea unei diagrame apropiate de cea ideală.

Soluţia cea mai simplă este alimentarea diverselor antene suprapuse cu puteri diferite – distribuţie convenabilă de puteri.

Tehnica utilizată implică utilizarea unei distribuţii binomiale prin care puterile de alimentare sunt proporţionale cu coeficienţii din dezvoltarea unui binom.

Pentru un şir de antene compus din 3 - 6 elemente suprapuse, coeficienţi binomiali sunt daţi de :

n Amplitudine relativă

3 4 5 6

1, 2, 1 1, 3, 3, 1 1, 4, 6, 4, 1 1, 5, 10, 10, 5, 1

26

Fig. 20 diagrama de radiaţie pentru un şir de antene panou VHF, fără compensarea nulurilor.

27

Fig. 21 diagrama de radiaţie pentru un şir de 5 antene panou VHF, cu nuluri compensate.

Distribuţia binomială lărgeşte lobul principal dar produce şi o scădere a ciştigului. O altă problemă la astfel de distribuţii pentru sistemele radiante complexe şi de putere mare, este dificultatea păstrării nivelurilor de putere în timp. Variaţia V.S.W.R datorită condiţiilor climatice poate conduce la distribuţii de puteri pe şir neconforme, producînd diagrame verticale nedorite.

O altă tehnică de distribuţie care evită inconvenientele menţionate este distribuţia Doplh – Cebîşev.

Pentru această distribuţie trebuie specificat nivelul maxim impus al lobilor secundari pentru reducerea la minimum al lărgimii lobului principal (între primele zero-uri), fie specificînd lărgime lobului principal şi reducerea la minimum al lobilor secundari.

28

Fig 22 Diagrama verticală pentru care s-a aplicat o distribuţie Doplh – Cebîşev :

1 ; 1,6 ; 1,9 ; 1,6 ; 1, care corespunde unei atenuări a lobilor secundari de 27 dB.

Pentru această distribuţie, distanta optimă dintre antene este apropiată de λ/2. De asemenea se precizează că valorile cîştigului obţinut este inferior cîştigului obţinut pentru distribuţii uniforme de putere. Pentru astfel de tehnici de compensare se defineşte noţiunea de « pierderi de distribuţie »

Se pot reduce aceste pierderi la minimum utilizînd tehnici de sinteză a diagramelor prin care puterea necesară compensărilor este preluată din acele porţiuni ale diagramei situată deasupra orizontului, fie compensînd ondulaţiile lobului principal.

Alte tehnici avansate pentru compensarea nulurilor utilizează o distribuţie de fază corespunzătoare astfel încît în zerouri se introduce o putere suficientă pentru ca diagrama V să se apropie de diagrama ideală. Diminuarea cîştigului în raport cu distribuţia uniformă se defineşte ca «pierderi de compensare»

29

Fig 23 Diagrama verticală pentru care s-a aplicat o distribuţie de fază corespunzătoare (fig.24)

.

Fig 24 Compensarea nulurilor prin distribuţie de fază corespunzătoare.

30

7.1.2 Înclinarea lobilor (beam tilt).

Această tehnică este necesară nu numai pentru reducerea puterii radiate peste orizont dar şi pentru a asigura un nivel de putere suficient spre sol.

De fapt, datorită curburii pămîntului, fascicolul radiat de o antenă nu atinge niciodat suprafaţa solului, dacă fascicolul nu este înclinat.

Pentru o antenă situată la 300 m deasupra solului este necesară o înclinare a fascicolului de cca. 0,5°

Este uşor de înlinat planul elementelor radiante cu 1 la 3 ° şi prin mijloace mecanice. Această tehnică este utilizată în special pentru antene elementare cu un bun raport faţă-spate ; altfel lobul spate ar fi radiat inutil peste orizont.

Fascicolul se poate înclina printr- o distribuţie adecvată a fazelor puterilor de alimentare a antenelor din şir, de-a lungul şirului. Se poate obţine acest lucru alimentînd jumătatea inferioară a şirului cu un defazaj fix fie utilizînd o distribuţie de fază progresivă. Valori mari ale unghiului de înclinare se obţin prin combinarea celor 2 metode.

Fig 25 Înclinarea lobilor unui sistem radiant UHF cu 2 °

31

Fig 26 Distribuţia fazelor pentru obtinerea unei înclinări de 2 °

32

7.2 Diagramele de radiatie ale sistemelor radiante

După § 6.3 şi 6.4, putem considera antenele elementare care compun un sistem radiant ca surse non izotrope amplasate în centrul lor de fază. În acest caz, după cum s-a arătat în § 4.2, se poate calcula diagrama de radiaţie rezultantă utilizînd sumarea vectorială, care tine cont de diagramele de radiaţie individuale.

Cunoscînd amplitudinea şi faza curenţilor de alimentare a fiecărui element, sumarea vectorială se reduce la o problemă de geometrie.

Astfel, pentru 2 surse dispuse arbitrar într-un spaţiu tridimensional, se vor calcula diferenţele de fază a cîmpului radiat funcţie de poziţia surselor şi frecvenţă.

Se va extinde rezultatul la cazul general al surselor non izotrope. In cazul fig.27, sistemul de coordonate nu este precizat ; se va lua ca referintă sursa 1 pentru calculul defazajului sursei 2 şi în final se va evalua cîmpul rezultant într-un punct P, coresounzător direcţiei date.

În fig.27 se distinge proiecţia sursei 1 în planul orizontal al sursei 2. Pe acest plan este indicată direcţia Nord, N, care trece prin 1.

Notaţiile din Fig. 27,

d : distanta de la sursa 2 la proiecţia 1’ a sursei 1 în planul orizontal al sursei 2

h : distanta verticală se la 1 la proiecţia 1’

γ : unghiul dintre d şi direcţia Nord geografic în planul orizontal

αH : unghiul în plan orizontal dintre Nord şi proiecţia în planul orizontal pentru direcţia de calcul

αV : unghiul în plan orizontal dintre direcţia de calcul şi proiecţia în plan orizontal

33

Fig. 27 Sistem de referinţă

Dacă se exprimă d şi h în metri, frecvenţa în MHz, defazajul electric a sursei 2 în raport cu sursa 1, se poate calcula :

ψ2 = 1,2 · f · [ ] ; d · cos (γ – αH) · cos αV + h · sin αV (24)

Presupunînd că sursa 2 radiază cu un defazaj iniţial β grade în raport cu sursa 1 şi un defazaj ∆ψp(θ, ϕ), datorat diagramei proprii de fază, se poate scrie :

ψ2 = 1,2 · f · [ ] ; d · cos (γ – αH) · cos αV + h · sin αV + β + ∆ψp (θ, ϕ) (25)

iar pentru sursa i din sistem :

ψi = 1,2 · f · [ ] ; di · cos (γi – αH) · cos αV + hi · sin αV + βi + ∆ψpi (θ, ϕ) (26)

Considerînd un sistem radiant compus din n surse non izotrope, diagrama rezultantă într-o direcţie oarecare va fi rezultatul sumării a n vectori a căror amplitudini vor fi date de diagramele proprii de amplitudine şi fază din ecuaţia (26), sursa nr.1 fiind considerată referinţă. Se poate scrie :

(27)

unde:

Vi : vectorul cîmp individual,

Ki : constantă care ţine cont de diferenţele între puterile de intrare a surselor,

34

fi : diagrama de radiaţie a unei antene individuale,

ψi (θ, ϕ) : defazajul sursei nr.i în raport cu sursa nr. 1, (ψ1(θ, ϕ) = ψp1(θ, ϕ)).

Este comod să se efectueze sumarea vectorială după un plan x-y , ca în figura de mai jos, pentru n = 3 ;

Fig 28 Sumare vectorială după un plan x – y, pentru 3 surse elementare

Rezultanta E (θ, ϕ), pe componente, va fi:

35

unde:

E (θ, ϕ) = [ ] ; Ex (θ, ϕ)2 + Ey (θ, ϕ)2½

(30)

şi:

ψ (θ, ϕ) = arc tg [ ] ; Ey (θ, ϕ) / Ex (θ, ϕ) (31)

Practic fi (θ, ϕ) se va calcula după § 6.3, plecînd de la informaţiile furnizate de fabricantul antenei, iar k

va fi dat de puterile de alimentare individuale ; fazele Ψ i vor fi calculate ţinînd cont de geometria sistemului şi de diagramele proprii de fază.

Ca sistem de coordonate, este indicat ca toate unghiurile orizontale să le raportăm la direcţia Nord, iar unghiurile verticale ale defazajului, la planul orizontal (pentru Ψ i ).

7. Exemple de sisteme radiante

7.3.1 Sisteme de antene utilizînd dipoli

Sistemele radiante care utilizează dipoli sunt utilizaţi în general pentru radiodifuziune VHF (88 – 108 MHz). Cele mai utilizate sunt şirurile de dipoli verticali λ/2 dispuşi vertical şi alimentaţi cu puteri şi fază egale.

36

Fig. 29 Sistem radiant FM realizat cu 4 antene dipol vertical

37

Fig.29 Alimentarea unui sistem FM compus din 4 dipoli verticali

38

7.3.2 Sisteme radiante cu antene Yagi

Se pot utiliza antene Yagi ca radiatoare elementare pentru realizarea unor sisteme radiante complexe. Diagramele se pot calcula prin metoda § 4.2, considerînd antenele Yagi ca surse punctuale non izotrope plasate în propriul centru de fază.

În Fig. 30 este reprezentată diagrama de radiatie pentru un sistem radiant FM compus din 4 antene Yagi

Fig. 30 Diagrama de radiaţie a unui sistem radiant omnidirecţional realizat cu antene Yagi.

7.3.3 Sisteme radiante realizate cu antene panou

Antenele de tip panou pot realiza diagrame directive ; lobul principal este perpendicular pe suprafaţa reflectorului. Pentru panouri amplasate pe piloni cu secţiune pătrată sau triunghiulară, pentru realizarea unor diagrame directive, antenele panou au în general lărgimea lobului la 90 şi 120 grade de aproximativ 6 dB ;

39

Fig. 31 Sistem radiant UHF, directiv, realizat cu antene panou

40

7.3.3.1 Sisteme radiante omnidirective cu antene panou

Se pot obţine sisteme radiante omnidirective alimentînd panourile fiecărei secţiuni orizontale cu puteri egale, panourile fiind montate în centrul de fază , simetric faţă de laturile pilonului.

Diagrama orizontală rezultantă (Fig.32) prezintă anumite ondulaţii (riplu), a căror amplitudine este proporţională cu axele de montaj, exprimate în lungimi de undă.

Pentru a onţine diagrame de radiaţie realizate cu antene panou cu grad de ondulaţie cît mai mic este necesar să fie satifăcute 2 condiţii :

– menţinerea în limite specificate a ondulaţiilor diagramei H provenind de la cele 4 panouri(sau trei în cazul pilonilor triunghiulari)

– reducerea VSWR la minimum la intrarea în panouri deoarece orice dezadaptare conduce la repartizarea inegală a puterilor la antene rezultînd o diagramă nesimetrică.

Fig. 32 Sistem radiant UHF, omnidirecţional, realizat cu antene panou. Sistemul este de bandă largă; se observă alura diagramelor H pentru două frecvenţe UHF.

41

Anexa 1. Comparaţie înclinare lobi mecanică vs. electrică

Fig.a Secţiune prin lobul vertical al unei antene broadcast, fără înclinare. Diagrama are cîştig maxim = 1, paralel cu linia orizontului. ½ din energia este radiată inutil peste orizont.

Fig.b Aceeaşi antenă înclinată cu un unghi Φ°. Cîştigul maxim este 1 dar se obţine pentru o înclinare cu + Φ° şi - Φ° ; un lob este în jos, celălalt în sus.

Fig. c Aceeaşi antenă înclinată electric cu Θ°. Cîştigul maxim <1 dar secţiunea în diagrama V este curbată în jos pentru ambele sensuri. Unghiul Θ şi cîştigul maxim depend de parametrii de proiectare. Energia este radiată spre sol, micşorînd riscul interferenţelor în zonele îndepărtate.

Fig.d Aceeaşi antenă înclinată electric şi mecanic cu unghiurile Θ° şi Φ° .

42

Anexa 2. Zona serviciu a unui emiţător TV-UHF utilizînd sistem radiant fără corecţii de beam tilt şi nulls filling. În zona de serviciu apar zone cu semnal insuficient pentru o acoperire corectă.

43

Anexa 3. Zona serviciu a unui emiţător TV-UHF utilizînd sistem radiant la care au fost aplicate corecţii de beam tilt şi nulls filling. Zona de serviciu este bine acoperită; valoarea câmului EM spre orizontul radio are valori minimale, diminuînd riscul interferenţelor.

44

Exemplu de nerespectare a regulilor privind amplasarea co-site a sistemelor radiante de emisie

(ETSI - Electromagnetic compatibility and Radio Spectrum Matters – Radio site engineering for radio equipment and system), respectiv a distanţei minime necesare pentru asigurarea unei isolaţii corespunzătoared (min. 60 dB) – Staţia RR-TV_FM Turn Bacău

Perturbaţiile din banda RX CDMA-450 provin din următorele combinaţii:

455.25 MHz 3rd [91.8 + 471.25 - 107.8]

455.45 MHz 7th [1 x 89.6 + 3 x 213.75- 3 x 91.8]

455.55 MHz 5th [1 x 207.25 + 2 x 213.75 - 2 x 89.6]

455.75 MHz 7th [3 x 91.8+ 1 x 476.75 - 3 x 98.8]

unde:

89.6 MHz : FM Radio Alfa,

91.8 MHz : FM Info Pro,

107.8 MHz : FM Pro FM,

98.8 MHz : FM R.A,

471.25 MHz : Tv Pro TV im,

476.75 MHz : Tv Pro TV s,

Identificare perturbaţie Zapp

45

Punctual, au fost identificate următoarele probleme referitoare la amplasarea sistemelor radiante:

Localizare antene Info-Pro, Pro FM şi Radio Deea. Isolaţia dintre cele 2 sisteme radiante cca. 20 dB. Energia RF a sistemului radiant Info Pro +Pro FM pătrunde în etajul final al Radio Deea .

Localizare antene Info-Pro, Pro FM şi Rx CDMA-450. Isolaţia între antene ~ 23 – 28 dB.

46

DIRECTOR, Şef Serviciu

Nerespectarea distanţei de 1.5 .. 2 λ dintre antene Info-Pro, Pro FM şi grilaj metalic; diagrama de radiaţie este puternic distorsionată şi se creează cimpuri EM extrem de intense în vecinătate.

Florin Ciubotaru