В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Коэффициент усиления антенны – это условное понятие. Антенна – пассивное сооружение. Она не усиливает передаваемый сигнал, а фокусирует излучение в нужном направлении, что позволяет увеличить напряженность поля передатчика в пределах обслуживаемой территории. Поэтому правильнее говорить не о коэффициенте усиления, а о направленных ее свойствах. Но поскольку термин “усиление антенны” весьма распространен, далее будем применять именно его, принимая это значение численно равным отношению максимального значения напряженности поля, создаваемого в случае применения конкретной антенны, к значению напряженности поля в случае применения ненаправленной передающей антенны.
Коэффициент усиления антенны принято выражать в децибелах. При этом существуют два понятия определения этого параметра. Первое – когда усиление антенны определяют относительно точечного (изотропного) излучателя, равномерно излучающего энергию во всех направлениях. Соответственно коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя обозначают дБи. Это определение обычно применяют специалисты в области антенной техники.
Второе используют специалисты в области планирования сетей и определяют усиление антенны относительно усиления полуволнового диполя, обозначая его дБд. Кривые распространения, которыми пользуются при планировании наземных сетей, выражают зависимость напряженности поля от расстояния при излучении полуволновым вибратором мощности 1 кВт. Значение усиления антенны, вычисленное относительно полуволнового вибратора, на 2,15 дБ меньше значения коэффициента усиления той же антенны, вычисленного относительно изотропного излучателя.
Наибольшее распространение получили панельные передающие антенны. Коэффициент усиления передающей антенны (Ка), содержащей несколько панелей в одном этаже, можно в первом приближении определить как Ка = К0 – 10lgN, дБ, где К0 – коэффициент усиления одной панели, а N – число панелей. Таким образом, коэффициент усиления передающей антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, состоящей из четырех одинаковых излучающих панелей в этаже, будет на 6 дБ меньше коэффициента усиления одной панели.
Диаграмму направленности панельной передающей антенны в горизонтальной плоскости излучения формируют путем надлежащего расположения излучающих панелей на одном уровне (этаже). Передающие антенны с направленной в горизонтальной плоскости диаграммой излучения применяют, сообразуясь с местными условиями; бессмысленно излучать сигнал в сторону моря или необитаемой территории. Наиболее распространенные конструкции направленных передающих антенн – это так называемые 90, 180 и 270-градусные антенны, которые в одном этаже содержат одну, две или три панели, ориентированные по азимутам, различающимся на 90 или 180 град. При необходимости можно расположить панели одного этажа с иным азимутальным разносом, сообразуясь с конкретными условиями размещения на местности. Другим способом формирования диаграммы направленности передающей антенны является неравномерное распределение мощности передатчика между панелями одного этажа.
При проектировании передающих сетей вещания следует обратить внимание на вопрос о неравномерности круговой диаграммы излучения передающих антенн. Равномерную круговую диаграмму излучения в горизонтальной плоскости может иметь вертикально ориентированный полуволновый вибратор.
У антенны, содержащей несколько панелей в одном этаже, их азимутальные излучения суммируются, что обуславливает неравномерность диаграммы излучения. Кстати, в нормативных документах часто приводят значение неравномерности диаграммы со знаком ±, что подразумевает отсчет от некоего среднего значения. В действительности дело обстоит иначе.
Диаграммы направленности представляют в системе, где в зависимости от азимута указывают отношение Еmax/Еi – отношение максимально достижимого значения напряженности поля к значению напряженности поля в данном направлении (разумеется, на одном и том же расстоянии от передающей антенны). Очевидно, что ни в одном из азимутов это отношение не может быть больше единицы, то есть неравномерность диаграммы направленности передающей антенны имеет один знак – минус.
Еще одно замечание, касающееся диаграммы направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости. К заключениям экспертизы Главного радиочастотного центра (ГРЧЦ) о возможности использования конкретной радиопередающей станции, в ряде случаев прилагается таблица “Диаграмма направленности антенны”, где указаны азимутальные значения ослабления ЭИМ рассматриваемой РПС. Ни в коем случае не следует понимать эту таблицу в буквальном смысле слова; она лишь содержит требования ограничения излучения в определенных азимутах, выполнение которых обеспечивает отсутствие недопустимых помех приему сигналов других РПС. На практике реализовать такую диаграмму направленности передающей антенны зачастую весьма затруднительно, да и не всегда требуется. Важно лишь, чтобы азимутальное излучение мощности планируемой РПС соответствовало рекомендациям, указанным в заключении ГРЧЦ. При проектировании радиопередающих станций следует выбирать конструкцию передающей антенны, наиболее близко отвечающую требованиям заключения ГРЧЦ, учитывая, что зона обслуживания РПС с реальной передающей антенной будет меньше той, которая определена расчетным путем, если основываться на использовании диаграммы направленности в точном соответствии с данными в упомянутой выше таблице из заключения ГРЧЦ.
Увеличение направленности диаграммы излучения передающей антенны в вертикальной плоскости позволяет увеличивать напряженность поля передатчика по площади всей зоны его обслуживания. При этом усиление антенны возрастает примерно на 3 дБ при каждом последующем удвоении ее этажности. Так, двухэтажная антенна имеет усиление на 3 дБ больше одноэтажной, четырехэтажная – на 6 дБ и т.д.
Применение многоэтажных передающих антенн обеспечивает повышение эффективности передающей сети путем увеличения излучаемой мощности не за счет передатчиков. Существуют пределы увеличению этажности передающей антенны. Прежде всего – из чисто конструктивных соображений, когда на опоре недостаточно места для размещения многоэтажной конструкции. Но есть еще одна причина ограничения этажности передающих антенн.
С увеличением числа этажей антенны уменьшается ширина лепестка ее диаграммы направленности в вертикальной плоскости; у 16-этажной антенны это значение на уровне минус 3 дБ меньше 1 град. Поскольку высокие опоры, на которых возможна установка многоэтажных передающих антенн, могут заметно отклоняться от вертикали под действием ветра, соответственно будет меняться ориентация на горизонт основного лепестка диаграммы направленности. Это вызовет периодическое уменьшение напряженности поля на границе зоны обслуживания. Если верхняя точка опоры высотой около 200 м отклонится от вертикали на 2 м, ориентация на горизонт установленной там антенны изменится более чем на 1 град., что при 16-этажной антенне приведет к существенному уменьшению напряженности поля на границе зоны обслуживания. В сетях аналогового вещания это вызывает ухудшение качества приема; в сетях цифрового телевидения – нарушение приема сигнала вплоть до его прекращения.
Применение одной передающей антенны для излучения нескольких мультиплексов (частотных каналов) экономит место на опоре и число питающих ее фидеров. Но нужно учесть, что диаграммы направленности передающей антенны и ее усиление различны на разных частотных каналах. Это означает, что охват населения вещанием разных мультиплексов будет неодинаков. Кроме того, очевидно, что ремонт одного фидера (или антенны) сопряжен с перерывом вещания всех мультиплексов. Для мощных РПС представляет практический интерес вариант размещения на одной опоре двух раздельных антенн и соответственно фидеров, если предусмотреть наличие моста сложения передатчиков. Тогда с его помощью при необходимости можно осуществить временное вещание всех мультиплексов с помощью одной из антенно-фидерных систем.
При проектировании станций, предназначенных для вещания нескольких мультиплексов цифрового телевидения с использованием общей антенно-фидерной системы, нужно учитывать следующее:
Причина второго требования обусловлена следующим фактом. Если, например, антенно-фидерный тракт рассчитан на работу передатчика мощностью 2Р, то пиковое значение напряжения будет равно (2Р∙r)1/2, кВт (r – сопротивление нагрузки). Если же на эту антенно-фидерную систему работают два самостоятельных (не синфазных) передатчика мощностью Р каждый, то сумма пиковых значений напряжения каждого передатчика может достигать значения 2·(Р∙r)1/2, что в 1,4 раза больше, чем в первом случае. При сложении трех передатчиков мощностью Р каждый для работы на один фидер сумма их пиковых значений напряжения будет в 1,73 раза превышать пиковое значение напряжения сигнала одного передатчика мощностью 3Р. Поэтому фидер питания передающей антенны, излучающей сигналы нескольких передатчиков, нужно выбирать исходя не только из суммарной мощности, но и из значения пикового напряжения. Если же антенно-фидерная система не будет иметь надлежащий запас, возможен мгновенный пробой фидера, что повлечет за собой возгорание.
Потери фидера. Значение эффективно излучаемой мощности (ЭИМ) нередко определяют как сумму (в децибелах) мощности передатчика и коэффициента усиления антенны, не учитывая потери в антенном фидере, которые могут иметь существенные значения.
В таблице приведены значения погонного затухания нескольких типов антенных фидеров. Как видно, в диапазоне дециметровых волн, в котором и планируют главным образом сети наземного цифрового телевизионного вещания, в случае применения фидера типа РК 75-17 длиной около 60 м потери составят 3 дБ на частоте 600 МГц, то есть в передающую антенну поступит всего половина мощности передатчика. Если же на этой станции применить фидер типа РК 75-41, потери не превысят 1 дБ. Применение антенного фидера с малыми потерями не только увеличивает излучаемую мощность, но и снижает опасность возникновения пожара из-за перегрева.
В общем случае использование эффективных антенно-фидерных систем позволяет уменьшить требуемую мощность передатчика, что обуславливает снижение эксплуатационных затрат, особенно на оплату электроэнергии, а затраты на приобретение и установку таких систем окупаются снижением затрат на сам передатчик и на оборудование энергоснабжения, что убедительно показано в [1]. Важно, что при этом обеспечивается значительное снижение потребления электроэнергии по стране.
В заключение нужно заметить, что при проектировании сетей цифрового телевидения важно учесть все, даже малые поправки, влияющие на значение напряженности поля. Если при аналоговом телевизионном вещании в какой-либо точке на границе зоны обслуживания значение напряженности поля окажется на 6 дБ меньше расчетного значения, качество приема снизится, но зритель не утратит интереса к регулярному просмотру телепередач [2]. При цифровом телевидении в таком случае прием может полностью прекратиться и при существенно меньшем расхождении расчетного и реального значений напряженности поля.
Отдельно следует коснуться вопроса планирования наземных сетей звукового вещания с частотной модуляцией. Поскольку в планах развития цифрового телевизионного вещания в составе мультиплексов предусматривают лишь три общероссийские программы звукового радиовещания, перспективы регионального и местного вещания полностью не ясны. Очевидно, что в обозримом будущем ОВЧ ЧМ-вещание будет продолжать свое развитие. Более того, с переходом на цифровой формат телевизионного вещания передатчики аналогового телевидения 4-го и 5-го частотных каналов будут выводить из эксплуатации, соответственно на территории их обслуживания будут высвобождаться частоты в полосе 87,5–100 МГц, выделенные с 1999 года в России для звукового вещания с ЧМ.
В нашей стране наземные сети звукового ЧМ-вещания изначально планируют исходя из условий стационарного приема на индивидуальные установки, такие же как и для приема телевидения. Сегодня в подавляющем большинстве случаев радиослушатели этого вида вещания ведут прием на мобильные и переносные установки, параметры которых значительно отличаются от параметров стационарных установок. Естественно, что планируемые и реальные зоны обслуживания передающих станций звукового вещания с ЧМ весьма отличаются друг от друга. Нужно разработать и узаконить стандарт планирования таких сетей, тем более что в России подобного документа нет вообще.
Литература
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #1, 2014
Посещений: 14712
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
