SMSR DT Iai

Analiza si proiectarea sistemelor radiante de emisie VHF -UHF

Not: La curs, pentru exemple i simulri se va utiliza soft-ul A.S.D.A (Antenna system design and analysis)

2

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

CONINUT

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

2 Rprezentarea geometric a diagramelor de radiaie............................................................................... 3

3 Diagramele de radiaie i calculul ctigului ............................................................................................ 4 4 Elemente radiante ...................................................................................................................................... 7

4.1 Surse punctuale............................................................................................................................... 7 4.2 iruri de surse punctuale................................................................................................................. 9

4.2.1 Multiplicarea diagramelor............................................................................................... 9 4.2.2 Sumare vectorial a diagramelor de baz........................................................................ 9

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

5 Polarizarea ................................................................................................................................................ 11 5.1 Polarizarea eliptic........................................................................................................................ 11 5.2 Polarizare orizontal i vertical................................................................................................... 11 5.3 Polarizare oblic ........................................................................................................................... 11 5.4 Polarizare circular ....................................................................................................................... 12

6 iruri de antene ........................................................................................................................................ 13 6.1 iruri cu radiaie transversal ....................................................................................................... 13

6.1.1 iruri de antene liniare cu elemente pasive ................................................................... 17 6.2 Diagrame de radiaie n amplitudine i faz.................................................................................. 18 6.3 Calculul diagramei de radiaie a reelelor de antene ..................................................................... 20 6.4 Antene de baz (elementare)......................................................................................................... 21

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

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

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

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

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

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

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

3

CAP 1

Calcul diagrame de radiaie n banda VHF - UHF

1 Introducere n aceast parte sunt expuse principiile fundamentale a teoriei antenelor pentru benzile VHF UHF ct i caracteristicile generale a sistemelor de antene realizate cu un numr finit de antene elementare (antene de baz). Sunt expuse de asemenea cteva exemple de sisteme radiante i caracteristicele de funcionare, ghid util pentru utilizatori n alegerea corect a configuraiei necesare.

n particular, paragrafele 4.2 i 7.2 descriu metoda analitic pentru calculul diagramei de radiaie globale a unui sistem radiant de antene i care poate fi considerat ca o metod recomandabil pentru evaluarea condiiilor de funcionare a unui sistem radiant n condiii ideale.

Se are n vedere faptul c n anumite condiii reale pot exista abateri ale diagramelor de radiaie fa de metoda expus (detailat n Cap.2).

2 Reprezentarea geometric a diagramelor de radiaie a antenelor. O anten poate fi constituit dintr-un singur element radiant sau de o reea de elemente radiante. Repartizarea spaial a radiaiei unei antene poate fi reprezentat n trei dimensiuni ca un loc geometric n care fiecare punct corespunde unei fore cimomotrice (f.c.m.)*. Aceast reprezentare este bazat pe o emisfer situat deasupra solului, centrat pe anten i cu dimensiuni mult mai mari decit dimensiunile fizice ale antenei.

F.c.m este un punct de pe suprafata sferei i este exprimat in dB ca raport ntre f.c.m maxim, normalizat [ 0 dB] i f.c.m a punctului considerat. Diagramele de radiaie tridimensionale sunt construite ntr-un sistem de coordonate de referinta Fig.1

Se definesc parametrii ntr-un sistem de coordonate polar sferic : : unghi elevaie n raport cu planul orizontal (0 90) : azimut n raport cu axa x (0 360) r : distana origine punct de observaie Q : punct de observaie.

* Definiia fortei cimomotive(f.c.m) i a forei cimomotive specifice sunt date n Rec.ITU R BS.561

Fora cimomotiv asociat unui punct din spaiu reprezint efectul datorat cimpului electric produs de o anten situat la o distant suficient astfel nct componenta reactiv s nu se manifeste.

Se exprim n (mV/m) i este numeric egal cu cmpul electric produs de o anten situat la 1 Km. Fora cimomotiv specific a unui punct din spaiu este fora cimomotiv n acel punct cnd puterea radiat de

anten este 1 kW.

4

Reprezentarea n coordonate polare a unei diagrame de radiaie

Reprezentare n coordonate carteziene a unei diagrame de radiaie, axa Y cu scala linear.

5

Reprezentare n coordonate carteziene a unei diagrame de radiaie, axa Y cu scala logaritmic.

Reprezentarea unei diagrame de radiaie n coordonate XYZ (suprafat de radiaie, util pentru predicie propagare utiliznd hri digitale)

6

3 Diagrama de radiaie i calculul ctigului

Fig.1 Sistemul de referin

n sistemul de coordonate de referin din Fig.1, amplitudinea cmpului electric creat de o anten este dat de expresia :

E (, ) = k f (, ) (1) unde: E (, ) : amplitudinea cmpului electric f (, ) : funcia diagramei de radiaie k : factor de normalizare pentru a se obine E (, ) max = 1, sau 0 dB. Dac se exprim cmpul electric total n funcie de componentele sale ntr-un sistem de coordonate sferic, se obine :

(2)

Directivitatea, D, a unei surse de radiaie se exprim ca raportul dintre intensitatea maxim de radiaie (sau a densittii maxime de putere) i intensitatea de radiaie a unei surse izotrope, care radiaz aceeai putere :

(3) Aplicnd ecuatia (1), putem exprima D cu ajutorul funciei normalizate a diagramei de radiaie a sursei, f (, ) :

7

(4)

innd cont i de randamentul antenei, se poate defini ctigul G, ca raportul dintre intensitatea maxim de radiaie i intensitatea maxim de radiaie a unei antene de referin, excitat cu aceeai putere de intrare.

Dac antena de referint recomandat este o anten izotrop fr pierderi, expresia ctigului G devine :

Gi = 10 log10 D dB (5) dac referinta este antena dipol /2, Gd :

Gd = Gi 2,15 dB (6)

4 Elemente radiante

4.1 Surse punctuale Dac o anten radiaz n condiii de cmp ndeprtat (zona Fraunhofer), i admitem c vectorii E i H sunt ortogonali pe direcia de propagare, putem aproxima antena ca o surs punctual.

n VHF i UHF aceast distan este mic iar n zona de serviciu putem admite c sistemul radiant este o surs punctual i fluxul de putere este radial.

Vectorul Poynting rezultant a acestor componente transversale ale cmpului E i E,, este reprezentat n Fig.2 :

.2 Relaia dintre vectorul Poynting i componentele cmpului la distant mare.

Considernd frontul de und plan , valoarea medie a vectorului Poynting devine :

8

(7) unde:

2 2 2E E E = + (8) Z0 : impedanta intrinsec a spaiului liber

E

: intensitatea total a cmpului electric

Cmpul electric E la o distan r produs de o surs punctual care radiaz puterea Pis este dat de relatia : (ITU-R P.525, asumnd propagarea n spatiul liber)

1/22E= 30Pis/r V/m (9)

unde: Pis : puterea izotrop (W) r

: distana (m). Raportnd puterea izotrop radiat Pis la puterea radiat de o anten dipol /2, Pis = 1.64 P, se obine pentru cmp relaia:

E=7,014 P/r V/m (10) Pentru o surs punctual non-izotrop, cmpul electric Eni radiat n alt direcie, depinde de diagrama de radiaie :

Eni = f (, ) Eis (13) unde: Eni : cmpul electric produs ntr-un punct Q (r, , ) de o surs punctual non-izotrop de

putere P ; f (, )

: diagrama de radiaie a sursei punctuale non izotrope ; Eis : cmpul produs in punctul Q de o surs punctuala de aceeai putere P ;

4.2 iruri de surse punctuale Considernd un ir de surse de radiaie punctuale, distribuite n spaiu, putem distinge urmtoarele situaii : a) iruri de surse punctuale non-izotrope, identice; b) iruri de surse punctuale non-izotropice, diferite. Cazul a) se raporteaz la iruri n care antenele elementare au diagrame de radiaie identice i orientate n aceeai direcie. Este evident cazul irurilor de antene panou, una deasupra celeilalte, orientate identic

Cazul b) este general i nu exist nicio corelaie ntre diagramele de radiaie/amplitudine a surselor grupate , iar orientarea poate fi arbitrar.

9

4.2.1 Multiplicarea diagramelor

Pentru iruri de antene non-izotrope dar identice (caz a) se poate aplica principiul multiplicrii diagramelor de radiaie. Conform acestui principiu, amplitudinele relative ale diagramei de radiaie a unui ir de antene non-izotrope, dar identice, este produsul dintre diagrama de radiaie a unei antene individuale i a diagramei de radiaie a unui ir de antene izotrope ; diagrama de faz rezultant este suma vectorial a fazelor individuale a irului izotrop.

Astfel:

( , ) ( , )* ( , ) ( ( , ) ( , ))p pE f F f F = + (14) i pentru un sistem de referin - Fig. 1: E

: vector cmp electric f (, )

: diagrama de amplitudine a antenei individuale fp (, ) : diagrama de faz a antenei individuale F (, )

: diagrama de amplitudine a irului de antene izotrop (sau factor de ir) Fp (, ) : diagrama de faz a irului de antene izotrop

4.2.2 Sumarea vectorial a diagramelor

n cazul general al unui ir de antene non izotrope i cu direcii de radiaie diferite (cazul b), nu se poate aplica principiul multiplicrii diagramelor. n acest caz, diagrama de radiaie E(, ) se calculeaz prin sumarea vectorial (amplitudine i faz a fiecrei antene individuale, astfele :

(15) unde: Ei (, ) : cmpul electric radiat de sursa i E (, )

: cmp rezultant.

4.3 Antene elementare (antene de baz) VHF - UHF Antenele constituite din radiatoare elementare sunt utilizate destul de rar n radiodifuziunea VHF UHF datorit ctigului redus i a complexitii sistemelor de adaptare. De obicei se utilizeaz perechi sau quadruplei de radiatoare asamblate i adaptate, constituind o anten bine definit.

n sistemul de referin din Fig.3, componentele cmpului, E et E, produs de un dipol /2 de lungime i o distribuie sinusoidal de curent sunt :

(16) unde: I0 : curentul de alimentare

= 2 pi/ r

: distana la punctul P unde se face calculul.

10

Expresia de mai sus se simplific dac l = 0,5

Fig.3 Dipol /2/2/2/2 ntr-un sistem de referin

n acest caz, dipolul /2 prezint o impedan de 72 rezistiv la frecvena de rezonan i se poate simula ca un circuit rezonant serie.

Crescnd diametrul conductorilor dipolului crete capacitatea i se diminueaz inductana circuitului serie echivalent ; scade Q-ul ul propriu i banda de frecvena de lucru a dipolului crete (cazul antenelor de emisie FM-TV).

5 Polarizarea Alegerea corect a polarizrii necesare pentru diverse aplicaii broadcasting, funcie de condiiile locale, face obiectul recomandrii ITU BT.464

5.1 Polarizarea eliptic. n figura 4, polarizarea eliptic se obine din 2 unde perpendiculare, cu polarizare rectilinie, care se propag de-a lungul axei Z i pentru care componenta electric respect :

Ex = E1 sin t

Ey = E2 sin (t + ) (17) Unde este diferena de faz dintre cele 2 unde. Cnd unda polarizat eliptic se propag de-a lungul axei Z, rezult un vector E care descrie o elips cu semiaxele date de E1 i E2.

11

Fig.4 Polarizarea eliptic

5.2 Polarizarea orizontal i vertical

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

5.3 Polarizarea oblic O polarizare oblic de 45 se obine din (17), pentru E1 = E2 i = 0.

Fig.5 Polarizare oblic

5.4 Polarizarea circular

Polarizarea circular se obine cnd n ecuaia (17), Ey = E sin t i Ex = E cos t. n cazul semnului +, unda se rotete n sensul acelor de ceas, n direcia pozitiv a axei Z(dextrogir). Pentru semnul -, este vorba de polarizare levogir.

12

Fig. 6 Polarizare circular

Se poate obine polarizare circular sau oblic cu 2 antene cu polarizare rectilinie, una orizontal iar cealalt vertical, cu un uor decalaj de faz (exemplu de mai sus).

6. Sisteme de antene Sunt rare situaiile cnd antenele elementare se utilizeaz individual. n general se folosesc sisteme de antene din urmtoarele considerente : obinerea unui ctig mare, obinerea unei diagrame conforme cu zona de acoperire cerut a emitorului..

Frecvent utilizate sunt irurile de dipoli elementari. Aceste iruri sunt livrate de ctre fabricani sub diverse forme de antene de baz (antene panou, Yagi ) ; ulterior aceste antene pot constitui un sistem radiant. Fiecare anten de baz are propriile diagrame de radiaie de amplitudine H, V i faz H, V.

6.1 iruri cu radiaie transversal Alimentnd un ir de antene liniare cu cureni de aceeai amplitudine i faz, acetia vor radia transversal. Rezulta o diagram a crei maxim (maxime n absena reflectorului), va fi perpendicular pe planul antenelor.

n VHF i UHF exist 2 tipuri de iruri cu radiaie transversal care intereseaz realizarea unei antene : ir vertical de dipoli orizontali i reea colinear de dipoli verticali.

ir vertical de dipoli orizontali :

Un ir vertical de dipoli orizontali are o structur periodic (Fig.7) constnd din dipoli orizontali suprapui la distante egale (n general /2), i cureni de alimentare avnd aceeai amplitudine i faz.

13

Fig.7 ir de dipoli orizontali

14

Fig.8 Diverse iruri cu radiaie transversal

15

Ctigul realizat de un ir este funcie de numrul de elemente i distanta dintre dipoli .(sau lungimea irului). n figura 9 este reprezentat grafic aceast dependent. Distana optim pentru obinerea ctigului maxim se afl pentru valori ale lui n ntre 0,65 i 0,95 . Trebuie amintit c distana optim depinde de frecven i dac sistemul de antene este proiectat s funcioneze n band larg, va trebui luat o margine de siguran pentru evitarea scderii brute a ctigului , fenomen care se manifest cnd valorile distanei dintre antene sunt superioare valorii optime. Acest tip de ir de antene cu panouri individuale pot ajunge la 4 16 dipoli elementari ; valorile obinuite de spaiere sunt de ordinul /2. Pentru frecvene de lucru determinate , se pot alege spaieri apropiate de valoarea optim.

Fig.9 Variaia ctigului funcie de numrul de antene i distana S

ir colinear de dipoil identici

irul colinear de dipoli identici este constituit dintr-un aranjament vertical de dipoli verticali la o distan egal i alimentai prin cureni de aceeai amplitudine i faz fig. 10. n aceast configuraie se obine o diagram echidirectiv n azimut i directiv n plan vertical fig.11. Acest tip de sistem radiant se utilizeaz frecvent n FM ; pentru toat banda FM este necesar o anumit atenie la alegerea distanei dintre antene(prevenirea scderii ctigului).

16

Fig.10 ir vertical de dipoli

Fig.11 Reprezentarea ctigului unui ir vertical colinear de dipoli verticali funcie de distanta S

17

6.1.1 ir de antene lineare cu elemente pasive

Dac ntr-un ir de antene rectiliniu se introduc elemente nealimentate, cmpul EM radiat de elementele active induc cureni in elementele pasive. n domeniul VHF UHF cea mai cunoscut configuraie de acest gen este antena Yagi fig.12. Antena este compus dintr-un dipol alimentat, un reflector i mai muli directori. Ctigul global crete proporional cu numrul de directori.

Fig.12 Antena Yagi Nota 1 se poate calcula diagrama de radiaie, aproximnd radiaia elementului i al antenei n planul Z-Y, polarizare vertical astfel:

(18) unde: : unghiul de elevaie hi : /2 a elementului i = 2 pi/ Deoarece fiecare din elementele unei antene Yagi are o diagram diferit, nu se poate aplica principiul multiplicrii diagramei. n acest caz se va face o sumare vectorial : O diagram se poate scrie:

(19) unde: n : numrul de dipoli Ii : curentul n elementul i

di 1 : distana dintre reflector i elementul i (do =0)

18

6.2 Diagrame de radiaie de amplitudine i faz Considernd o surs punctual izotrop, distribuia spaial a semnalului receptionat este perfect definit de diagrama de radiaie de amplitudine; diagrama de faz asociat nu are contribuie la calculul puterii receptionate, deoarece prin definiie o surs izotrop emite cu faza constant n orice direcie din spaiu.

n cazul surselor non izotrope de dimensiuni finite, constituite ntr-un sistem radiant, diagrama de radiaie se determin utiliznd diagrama de radiaie de amplitudine i diagrama de faz asociat a elementelor componente. - Fig. 13.

Fig.13 Diagramele de amplitudine i faz a unei antene UHF

Pentru determinarea diagramei de radiaie a unui sistem radiant compus din antene individuale, este necesar s cunoatem diagramele de radiatie de amplitudine i faz a antenelor utilizate n sistem. Diagramele antenelor de baz sunt n general furnizate de fabricant sau msurate de utilizator cu metodele cunoscute.

Sunt situaii cnd un sistem radiant existent trebuie recalculat ; dac nu se dispune de suficiente date tehnice despre antenele utilizate n sistem, se poate msura o anten i extrage informaiile necesare.

Se poate aplica i o metoda (mai puin precis) de aproximare a antenelor din sistem : n acest caz este comod s constituim un punct de referin, origine a diagramei de radiaie, punct denumit centrul de faz, centrul geometric al frontului undei radiate.

19

ntr-un sector unghiular putem aproxima sistemul ca o surs punctual non izotrop, amplasat n centrul de faz i deci diagrama de radiaie poate fi definit cu ajutorul unei singure diagrame de radiaie de amplitudine.

Pentru sisteme de dipoli cu reflectori, centrul de faz este amplasat n general ntre bornele de intrare a dipolului i reflector.

n cazul panourilor, constructorul indic precis poziia centrului de faz, obinut prin msurtori. n VHF i UHF, majoritatea antenelor de baz au banda de frecvene de lucru destul de mare i n consecin constructorul va trebui s indice poziia centrului de faz n toat banda sau pe subbenzi, obinnd valori tabelate utile pentru proiectantul de sisteme radiante(fig.14) .

Fig.14 Poziia centrului de faz pentru o antenna panou VHF de band larg

Deseori, constructorul pune la dispoziia utilizatorilor o baz de date complet (diagrame amplitudine H, V , diagrame faz H, V, ctiguri asociate) pe subbenzi de freven.

Exemplu de baz date utilizat n programul A.S.D.A

20

ExempluE

Sinteza unui sistem radiant din dou antene panou UHF, la 90 grade. n stnga, fra diagrama de faz(incorect) ; dreapta cu diagrama de faz(corect)

6.3 Calculul diagramelor de radiaie a sistemelor radiante Un sistem radiant compus din antene elementare (antene de baz), furnizate de ctre un fabricant (dipoli simpli, antene panou sau Yagi, etc) este bine definit dac se cunosc seciunile verticale i orizontale ale diagramelor de radiaie n trei dimensiuni, coninnd direciile de radiaie maxime. Dac fA (, ) este diagrama de amplitudinea a antenei, atunci diagramele orizontale i verticale se pot exprima :

fAH () = max et fAV () = max (20) unde max et max reprezint respectiv unghiurile de elevaie i azimutul radiaiei maxime.

Practic, constructorii de antene indic diagramele pentru max = max = 0. Pentru valori max i max se poate utiliza relaia :

fA (, ) = fAH () = max fAV () = max (21) identic, pentru diagrama de faz se poate scrie:

fP (, ) = fPH () = max + fPV () = max (22) unde : fPH () = max i fPV () = max reprezint respectiv diagramele de faz n plan orizontal i vertical. Expresia de mai sus presupune c toate seciunile verticale sau orizontale au o alur asemntoare celei de radiaie maxime, ipotez care se verific n practic (antenele de baz au axe de simetrie) figura de mai jos.

21

6.4 Antene de baz 6.4.1 Antene de tip panou

n VHF i n special n UHF, radiatoarele elementare sunt de dimensiuni suficient de mici i constructorii prefer asamblarea lor n iruri bine definite apoi ca antene de sine stttoare.

Aceast tehnic este destul de utilizat de constructorii de antene broadcasting deoarece permite o repetabilitate a parametrilor destul de bun.

Astfel, o antena panou poate fi considerat ca un simplu dipol semiund unic, fixat la o distan determinat de un plan reflector incorporat. De fapt antena panou conine un ir de 4 16 dipoli semiund, reea de adaptare, un plan reflector, totul asamblat rigid i protejat printr-un radom cu pierderi RF mici.

Constructorul va optimiza panourile radiante referitor la : ctig, diagrama de radiaie, adaptare optim, impedan constant n band larg, banda frecvenelor de lucru. Parametrii variabili sunt : structura fizic a radiatoarelor elementare, distanta dintre dipoli, distana dipoli reflector sau forma reflectorului, sistemul de alimentare.

Posibilitatea funcionrii n band larg este un factor esential n concepia panourilor radiante i este consecina problemei ca un sistem radiant s poat funciona corect ntr-o band mare (exemplu UHF 470 960 MHz). n fig.16 este reprezentat o anten panou VHF. Este compus din 2 dipoli suprapui, cu alimentare central printr-un simetrizor_distribuitor. Diagramele de radiaie sunt reprezentate n fig. 18 ; se disting reprezentrile pentru diagrama H, V i diagrama de faz.

Panourile pentru banda I au ctigul de cca 5 7 dBd, n banda II G = ~ 8 dBd. Panourile pentru banda III pot funciona n toat banda 174 230 MHz i au ctiguri = ~ 10 14 dB. n banda IV-V, datorit dimensiunilor mici ale dipolilor se pot construi panouri radiante foarte directive cu ctiguri importante. La aceast frecven apare problema compromisului dintre rspunsul corect n band i obinerea unor ctiguri bune. Se obin curent antene panou UHF care rspund acceptabil n toat banda i au ctuguri ntre 9 14 dBd.

Fig.16 Panou radiant VHF

22

Fig.18 Diagrama de radiaie H, V i faz a unei antene VHF

Faptul c antenele panou trebuie s acopere o band larg influeneaz asupra impedanei de intrare, a ctigului i a poziiei centrului de faz ; constructorul va trebui s precizeze variatia acestor caracteristici cu frecvena. Valorile obinuite ale ctigului sunt 8 14 dB cu VSWR ntre 1.10 - 1.15, la intrarea n panou.

6.4.2 Antena Yagi

Antenele de emisie Yagi pentru FM-TV sunt compuse n general dintr-un element activ (uzual dipol semiund), un reflector i din mai muli directori pentru creterea ctigului. Nu putem afirma, n sensul 6.4.1, c antenele Yagi sunt de band larg. Este posibil s funcioneze cu o lrgime de band de la 5% la 10%, n raport cu frecvena central.

Antenele Yagi actuale pot acoperi banda II i 2 canale adiacente din banda III cu o singur anten. Au ctigul de ordinul a 4 5 dB, dup numrul de directori( 1 la 3) ; Antenele Yagi pot servi ca antene de baz pentru realizarea unui sistem de antene complex. Se pot suprapune antene Yagi orizontal sau/si vertical pentru realizarea unor diagrame de radiaie deosebite. Diagrama global se poate calcula prin metoda 4.2, considernd antenele Yagi ca surse punctuale non izotrope cu centrul de faze amplasat, n general ntre bornele de intrare.

6.4.3 Alte tipuri de antene

Pentru translatori FM-TV, la recepie i emisie se utilizeaz i antenele log-periodice. Au avantajul funcionrii ntr-o band larg i un raport fa spate excelent, specific acestor tipuri de antene. Ctigul este uor inferior antenelor Yagi dar poate fi compensat prin instalarea a 2 -3 antene n polarizare orizontal sau vertical. O aplicaie interesant este suprimarea unui semnal interferator co-channel de pe un azimut mic fa de semnalul principal.

23

* Dou antene Yagi sau log-periodice instalate la o anumit distan pot crea n planul de polarizare un nul profund, eliminnd un potenial perturbator cochannel.

* Diagrama de radiaie n plan orizontal din exemplul de mai sus. Se observ pentru F=199,25 MHz, distana de montaj = 2907 mm, un nul profund la 15(-75 dB).

24

7 Sisteme de antene n benzile VHF UHF se pot realiza sisteme de antene utiliznd iruri de antene elementare pentru sinteza unei diagrame de radiaie optimizat, funcie de cerinele de acoperire.

Semnalul radiat de o anten, ntr-o prim aproximatie se propag n vizibilitate direct. Este evident c toat energia radiat de anten deasupra liniei orizintului este pierdut. Se poate reduce aceast pierdere aplicnd tehnici de nclinare (beam tilt) spre sol a lobului vertical. De asemenea se poate modela diagrama n azimut pentru a corespunde zonei de serviciu i a asigura o protecie la interferen co-channel suficient.

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

n paragrafele urmtoare 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 s conin nuluri datorit utilizrii n sintez a unui ir vertical de antene de baz. Prezena acestor nuluri poate crea zone de umbr, cu valori ale cmpului EM insuficiente unui serviciu corect.

n Fig. 19 se prezint diagrama de radiatie tipic pentru 4 antene panou UHF suprapuse vertical i amplasate echidistant, alimentate cu cureni de amplitudine i faz egale. Se disting nulurile din diagram care creaz cmp insuficient pentru o zon de serviciu TV(nivelul minim recomandat al cmpului EM este 67 dBuV/m) . Un receptor TV amplasat n zona nulurilor va recepiona un semnal insuficient.

25

Fig.19 Evidenierea nulurilor din diagrama vertical.

Unghiurile de apariie a nulurilor sunt date de :

kArcTannd =

(23) unde:

k : numrul de nuluri (1, 2, ...) n : numrul antenelor suprapuse d : distanta dintre antene, (lungimi de und) Exist diferite metode pentru eliminarea (nulls filling) sau compensarea nulurilor din diagrama vertical i obinerea unei diagrame apropiate de cea ideal.

Soluia cea mai simpl este alimentarea diverselor antene suprapuse cu puteri diferite distribuie convenabil de puteri.

Tehnica utilizat implic utilizarea unei distribuii binomiale prin care puterile de alimentare sunt proporionale cu coeficienii din dezvoltarea unui binom.

Pentru un ir de antene compus din 3 - 6 elemente suprapuse, coeficieni binomiali sunt dai de :

n Amplitudine relativ

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 radiaie pentru un ir de antene panou VHF, fr compensarea nulurilor.

27

Fig. 21 diagrama de radiaie pentru un ir de 5 antene panou VHF, cu nuluri compensate.

Distribuia binomial lrgete lobul principal dar produce i o scdere a citigului. O alt problem la astfel de distribuii pentru sistemele radiante complexe i de putere mare, este dificultatea pstrrii nivelurilor de putere n timp. Variaia V.S.W.R datorit condiiilor climatice poate conduce la distribuii de puteri pe ir neconforme, producnd diagrame verticale nedorite.

O alt tehnic de distribuie care evit inconvenientele menionate este distribuia Doplh Cebev.

Pentru aceast distribuie trebuie specificat nivelul maxim impus al lobilor secundari pentru reducerea la minimum al lrgimii lobului principal (ntre primele zero-uri), fie specificnd lrgime lobului principal i reducerea la minimum al lobilor secundari.

28

Fig 22 Diagrama vertical pentru care s-a aplicat o distribuie Doplh Cebev :

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

Pentru aceast distribuie, distanta optim dintre antene este apropiat de /2. De asemenea se precizeaz c valorile ctigului obinut este inferior ctigului obinut pentru distribuii uniforme de putere. Pentru astfel de tehnici de compensare se definete noiunea de pierderi de distribuie

Se pot reduce aceste pierderi la minimum utiliznd tehnici de sintez a diagramelor prin care puterea necesar compensrilor este preluat din acele poriuni ale diagramei situat deasupra orizontului, fie compensnd ondulaiile lobului principal.

Alte tehnici avansate pentru compensarea nulurilor utilizeaz o distribuie de faz corespunztoare astfel nct n zerouri se introduce o putere suficient pentru ca diagrama V s se apropie de diagrama ideal. Diminuarea ctigului n raport cu distribuia uniform se definete ca pierderi de compensare

29

Fig 23 Diagrama vertical pentru care s-a aplicat o distribuie de faz corespunztoare (fig.24) .

Fig 24 Compensarea nulurilor prin distribuie de faz corespunztoare.

30

7.1.2 nclinarea lobilor (beam tilt). Aceast tehnic este necesar nu numai pentru reducerea puterii radiate peste orizont dar i pentru a asigura un nivel de putere suficient spre sol.

De fapt, datorit curburii pmntului, fascicolul radiat de o anten nu atinge niciodat suprafaa solului, dac fascicolul nu este nclinat.

Pentru o anten situat la 300 m deasupra solului este necesar o nclinare a fascicolului de cca. 0,5

Este uor de nlinat planul elementelor radiante cu 1 la 3 i prin mijloace mecanice. Aceast tehnic este utilizat n special pentru antene elementare cu un bun raport fa-spate ; altfel lobul spate ar fi radiat inutil peste orizont.

Fascicolul se poate nclina printr- o distribuie adecvat a fazelor puterilor de alimentare a antenelor din ir, de-a lungul irului. Se poate obine acest lucru alimentnd jumtatea inferioar a irului cu un defazaj fix fie utiliznd o distribuie de faz progresiv. Valori mari ale unghiului de nclinare se obin prin combinarea celor 2 metode.

Fig 25 nclinarea lobilor unui sistem radiant UHF cu 2

31

Fig 26 Distribuia fazelor pentru obtinerea unei nclinri de 2

32

7.2 Diagramele de radiatie ale sistemelor radiante Dup 6.3 i 6.4, putem considera antenele elementare care compun un sistem radiant ca surse non izotrope amplasate n centrul lor de faz. n acest caz, dup cum s-a artat n 4.2, se poate calcula diagrama de radiaie rezultant utiliznd sumarea vectorial, care tine cont de diagramele de radiaie individuale.

Cunoscnd amplitudinea i faza curenilor de alimentare a fiecrui element, sumarea vectorial se reduce la o problem de geometrie.

Astfel, pentru 2 surse dispuse arbitrar ntr-un spaiu tridimensional, se vor calcula diferenele de faz a cmpului radiat funcie de poziia surselor i frecven.

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 referint sursa 1 pentru calculul defazajului sursei 2 i n final se va evalua cmpul rezultant ntr-un punct P, coresounztor direciei date.

n fig.27 se distinge proiecia sursei 1 n planul orizontal al sursei 2. Pe acest plan este indicat direcia Nord, N, care trece prin 1.

Notaiile din Fig. 27,

d : distanta de la sursa 2 la proiecia 1 a sursei 1 n planul orizontal al sursei 2 h : distanta vertical se la 1 la proiecia 1 : unghiul dintre d i direcia Nord geografic n planul orizontal H : unghiul n plan orizontal dintre Nord i proiecia n planul orizontal pentru direcia de

calcul V : unghiul n plan orizontal dintre direcia de calcul i proiecia n plan orizontal

33

Fig. 27 Sistem de referin

Dac se exprim d i h n metri, frecvena n MHz, defazajul electric a sursei 2 n raport cu sursa 1, se poate calcula :

2 = 1,2 f [ ] ; d cos ( H) cos V + h sin V (24) Presupunnd c sursa 2 radiaz cu un defazaj iniial grade n raport cu sursa 1 i un defazaj p(, ), datorat diagramei proprii de faz, se poate scrie :

2 = 1,2 f [ ] ; d cos ( H) cos V + h sin V + + p (, ) (25) iar pentru sursa i din sistem :

i = 1,2 f [ ] ; di cos (i H) cos V + hi sin V + i + pi (, ) (26) Considernd un sistem radiant compus din n surse non izotrope, diagrama rezultant ntr-o direcie oarecare va fi rezultatul sumrii a n vectori a cror amplitudini vor fi date de diagramele proprii de amplitudine i faz din ecuaia (26), sursa nr.1 fiind considerat referin. Se poate scrie :

(27) unde: Vi : vectorul cmp individual,

Ki : constant care ine cont de diferenele ntre puterile de intrare a surselor,

34

fi : diagrama de radiaie a unei antene individuale, i (, ) : defazajul sursei nr.i n raport cu sursa nr. 1, (1(, ) = p1(, )). Este comod s se efectueze sumarea vectorial dup un plan x-y , ca n figura de mai jos, pentru n = 3 ;

Fig 28 Sumare vectorial dup un plan x y, pentru 3 surse elementare

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

35

unde:

E (, ) = [ ] ; Ex (, )2 + Ey (, )2 (30) i:

(, ) = arc tg [ ] ; Ey (, ) / Ex (, ) (31) Practic fi (, ) se va calcula dup 6.3, plecnd de la informaiile furnizate de fabricantul antenei, iar k va fi dat de puterile de alimentare individuale ; fazele i vor fi calculate innd cont de geometria sistemului i de diagramele proprii de faz.

Ca sistem de coordonate, este indicat ca toate unghiurile orizontale s le raportm la direcia Nord, iar unghiurile verticale ale defazajului, la planul orizontal (pentru i ).

7. Exemple de sisteme radiante

7.3.1 Sisteme de antene utiliznd dipoli

Sistemele radiante care utilizeaz dipoli sunt utilizai n general pentru radiodifuziune VHF (88 108 MHz). Cele mai utilizate sunt irurile de dipoli verticali /2 dispui vertical i alimentai cu puteri i faz 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, considernd antenele Yagi ca surse punctuale non izotrope plasate n propriul centru de faz.

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

Fig. 30 Diagrama de radiaie a unui sistem radiant omnidirecional 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 suprafaa reflectorului. Pentru panouri amplasate pe piloni cu seciune ptrat sau triunghiular, pentru realizarea unor diagrame directive, antenele panou au n general lrgimea lobului la 90 i 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 obine sisteme radiante omnidirective alimentnd panourile fiecrei seciuni orizontale cu puteri egale, panourile fiind montate n centrul de faz , simetric fa de laturile pilonului.

Diagrama orizontal rezultant (Fig.32) prezint anumite ondulaii (riplu), a cror amplitudine este proporional cu axele de montaj, exprimate n lungimi de und. Pentru a onine diagrame de radiaie realizate cu antene panou cu grad de ondulaie ct mai mic este necesar s fie satifcute 2 condiii :

meninerea n limite specificate a ondulaiilor diagramei H provenind de la cele 4 panouri(sau trei n cazul pilonilor triunghiulari)

reducerea VSWR la minimum la intrarea n panouri deoarece orice dezadaptare conduce la repartizarea inegal a puterilor la antene rezultnd o diagram nesimetric.

Fig. 32 Sistem radiant UHF, omnidirecional, realizat cu antene panou. Sistemul este de band larg; se observ alura diagramelor H pentru dou frecvene UHF.

41

Anexa 1. Comparaie nclinare lobi mecanic vs. electric

Fig.a Seciune prin lobul vertical al unei antene broadcast, fr nclinare. Diagrama are ctig maxim = 1, paralel cu linia orizontului. din energia este radiat inutil peste orizont.

Fig.b Aceeai anten nclinat cu un unghi . Ctigul maxim este 1 dar se obine pentru o nclinare cu + i - ; un lob este n jos, cellalt n sus.

Fig. c Aceeai anten nclinat electric cu . Ctigul maxim

42

Anexa 2. Zona serviciu a unui emitor TV-UHF utiliznd sistem radiant fr corecii de beam tilt i nulls filling. n zona de serviciu apar zone cu semnal insuficient pentru o acoperire corect.

43

Anexa 3. Zona serviciu a unui emitor TV-UHF utiliznd sistem radiant la care au fost aplicate corecii de beam tilt i nulls filling. Zona de serviciu este bine acoperit; valoarea cmului EM spre orizontul radio are valori minimale, diminund riscul interferenelor.

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 distanei minime necesare pentru asigurarea unei isolaii corespunztoared (min. 60 dB) Staia RR-TV_FM Turn Bacu Perturbaiile din banda RX CDMA-450 provin din urmtorele combinaii:

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 perturbaie Zapp

45

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

Localizare antene Info-Pro, Pro FM i Radio Deea. Isolaia dintre cele 2 sisteme radiante cca. 20 dB. Energia RF a sistemului radiant Info Pro +Pro FM ptrunde n etajul final al Radio Deea .

Localizare antene Info-Pro, Pro FM i Rx CDMA-450. Isolaia ntre antene ~ 23 28 dB.

46

DIRECTOR, ef Serviciu

Nerespectarea distanei de 1.5 .. 2 dintre antene Info-Pro, Pro FM i grilaj metalic; diagrama de radiaie este puternic distorsionat i se creeaz cimpuri EM extrem de intense n vecintate.