Моделювання антени для ефірного цифрового телебачення

Завдання роботи:

Розрахувати та змоделювати антену для прийому сигналу ефірного цифрового телебачення у дециметровому діапазоні.

Обладнання:

ПК з програмою MMANA-GAL.

Основні терміни та поняття

Антена ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ВІДКРИТИМ КОЛИВАЛЬНИМ КОНТУРОМ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ Хвильовий канал ПРИНЦИП РАДІОЗВ’ЯЗКУ. МОДУЛЯЦІЯ І ДЕТЕКТУВАННЯ (ДЕМОДУЛЯЦІЯ) – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ТЕСТ 13. ЕЛЕКТРОМАГНИТНІ ХВИЛІ Шкала електромагнітних хвиль КЛАСИФІКАЦІЯ РАДІОХВИЛЬ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ПОШИРЕННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

Теоретична частина

Цифрове телебачення в Україні реалізоване в стандарті DVB-T2. Передача телевізійних каналів у дециметровому діапазоні відбувається у чотирьох загальнонаціональних мультиплексах MX-1, MX-2, MX-3, MX-5 до останнього з яких також входять регіональні канали, що відрізняються між областями. У метровому діапазоні передача каналів відбувається у мультиплексі МХ-7, який почав працювати у січні 2024 року.

Мультиплекс – це об’єднання в єдиний цифровий пакет телевізійних мовників, які передають свій сигнал одним транспортним каналом (частотною смугою). Кожен мультиплекс має свою місткість, тобто в ньому «поміщається» певна кількість телеканалів.

Перелік телевізійних каналів, що входять до кожного мультиплексу представлений у таблиці 1.

Таблиця 1. Розподіл телевізійних каналів за мультиплексами.

Передача радіосигналів цифрового ефірного телебачення у дециметровому діапазоні відбувається у досить широкій частотній смузі – 470…862 МГц. Частоти для кожного мультиплексу є різними для кожного передавача. У зв’язку з цим універсальні антени повинні бути достатньо широкосмуговими. У промислових багатоелементних антен типу «хвильовий канал», розрахованих на таку широку смугу частот в якості активного елементу використовується широкий петльовий вібратор, виготовлений з товстої трубки. Крім того, для додаткового розширення смуги, перший директор розміщується близько до активного елементу. В цілому для таких антен характерне щільне розміщення елементів, що відповідає відносно невеликому підсиленню та широкій частотній смузі.

В даній лабораторній роботі пропонується розрахувати та змоделювати у моделювальному комп’ютерному середовищі MMANA-GAL антену для прийому сигналу ефірного цифрового телебачення для конкретного передавача, що працює в конкретній місцевості. Для моделювання буде прийнятий мідний дріт діаметром 3,6 мм, що відповідає промисловому мідному дроту перетином 10 мм². Моделювання буде відбуватися починаючи з активного елементу з подальшим додаванням пасивних елементів.

Ширина смуги одиничного петльового вібратору у багатьох випадках може бути достатньою. Це залежить від розподілу мультиплексів за частотами для конкретного телецентру. Якщо ширина смуги виявляється недостатньою, то її можливо розширити шляхом збільшення ширини вібратору та додавання до нього одного директора на близькій відстані. Збільшення ширини активного вібратора дозволяє охопити більш низькі частоти, а додавання короткого директора сприяє розширенню смуги у бік більш високих частот. Для телевізійних антен корисною є деяка спрямованість, яка досягається додаванням рефлектора та додаткових директорів. Зовнішні антени зазвичай мають більші значення коефіцієнту підсилення та співвідношення F/B та встановлюються у напрямі телецентру. Кімнатні антени зазвичай мають помірну спрямованість і встановлюються у приміщеннях у напряму, або біля вікон.

На рис. 1 представлено приклад петльового вібратора на центральну частоту близько 700 МГц.

Рис. 1. Приклад петльового вібратора на центральну частоту 700 МГц

Ширина смуги за критерієм КСХ < 2 даного петльового вібратора становить близько 210 МГц, або 30 %.

Для підключення петльових вібраторів до коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом використовуються узгоджувальні пристрої типу SWA-69 (рис. 2)

Рис. 2. Узгоджувальний пристрій SWA-69

Основним елементом узгоджувального пристрою є широкосмуговий трансформатор, схема якого представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема узгоджувального трансформатору

Узгоджувальний трансформатор складається з двох синфазних дроселів Т1 та Т2 обмотки кожного з яких намотуються на феритове осердя біфілярно відрізками ліній з хвильовим опором 150 Ом. З однієї сторони лінії з’єднуються паралельно, в результаті чого отримується вхідний хвильовий опір 75 Ом. З протилежної сторони лінії з’єднуються послідовно, в результаті чого отримується вихідний хвильовий опір 300 Ом. Така схема, по перше, дозволяє узгодити хвильовий опір телевізійного коаксіального кабелю 75 Ом з вхідним опором петльового вібратора 300 Ом, та по друге не пропускає радіочастотний струм на зовнішній бік екрану коаксіального кабелю.

При значних відстанях від телецентру замість узгоджувального пристрою встановлюється радіочастотний підсилювач типу SWA (наприклад SWA-6000, SWA-7777, SWA-9999, тощо). Живлення таких підсилювачів здійснюється по тому ж коаксіальному кабелю, по якому сигнал з виходу підсилювача надходить до тюнера DVB-T2 (фантомне живлення). При застосуванні антени з підсилювачем, його живлення вмикається під час налаштування тюнеру.

За можливості та бажання антена, змодельована у даній лабораторній роботі може бути виготовлена та випробувана. На рис. 4 представлений приклад саморобного петльового вібратора виготовленого зі стандартного мідного дроту, підключеного через узгоджувальний пристрій до коаксіального телевізійного кабелю.

Рис. 4. Приклад саморобного петльового вібратору

На рис. 5 представлено приклад саморобної чотирьохелементної антени типу «хвильовий канал».

Рис. 5. Приклад саморобної антени типу «хвильовий канал»

Хід роботи

1. Визначення центральної частоти та ширини смуги антени, підготовка таблиць результатів.

1.1. Підготувати таблицю частот мультиплексів для місцевого телецентру.

Таблиця 2. Частоти мультиплексів місцевого телецентру

1.2. Підготувати таблицю результатів моделювання.

Таблиця 3. Результати моделювання

1.3. За допомогою мапи та електронного ресурсу https://alensat.com/app.php/T2 визначити місце розміщення найближчого телецентру та заповнити таблицю 2.

1.4. Визначити центральну частоту як середнє арифметичне найнижчої та найвищої частот. Середня частота Fсер = __________ МГц.

1.5. Визначити ширину смуги як різницю між найвищою та найнижчою частотами ∆F = ________ МГц.

2. 2. Моделювання вібратору у MMANA-GAL.

2.1. Відкрити програму MMANA-GAL та перейти у вкладинку «Geometry».

2.2. У полі «Freq» ввести частоту 700 МГц.

2.3. У таблиці «Wires» ввести координати початку X1, Y1, Z1 та кінця X2, Y2, Z2 чотирьох елементів (проводів) вібратора (рис. 1, рис. 6) у м. У графі R(mm) ввести радіус дротів у мм.

2.4. У нижній лівій таблиці «Sources» у графі «PULSE» ввести «w1c» та натиснути Enter.

Рис. 6. Заповнена вкладника «Geometry»

2.5. Перейти у вкладнику «View», та переконатися, що вигляд антени відповідає петльовому вібратору з живленням в центрі нижнього проводу (рис 7).

Рис. 7. Вигляд моделі петльового вібратора

2.6. Перейти у вкладнику «Calculate» та у таблиці «Ground» обрати Free space (вільний простір).

2.7. Зайти в меню Setup – Setup. У вікні що з’явилося у таблиці «Standard Z (SWR = 1)» обрати значення R = 300 Ом, натиснути ОК.

2.8. Внизу зліва натиснути кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків.

2.9. Перейти у вкладнику «Far field plots».

2.10. Внизу натиснути кнопку «3D FF». У вікні, що з’явилося внизу зліва натиснути ОК. Порівняти отриману тривимірну діаграму спрямованості з зображеною на рис. 4 першої лабораторної роботи.

3. Масштабування антени під необхідну частоту.

3.1. Закрити вікно тривимірної діаграми спрямованості та повернутися у вкладнику «Geometry».

3.2. Натиснути кнопку «Wire scale» (масштабування) (рис. 8).

Рис. 8. Відкриття вікна масштабування антени

3.3. У віконці «New freq» ввести частоту Fсер, розраховану у п. 1.3 та натиснути ОК.

3.4. У таблиці «Wires» округлити координати точок з точністю до 1 мм. При цьому забезпечити, щоб координати другої точки попереднього елементу дорівнювали координатам першої точки наступного елементу, а координати другої точки останнього елементу дорівнювали координатам першої точки першого елементу.

4. Дослідження ширини смуги антени.

4.1. Перейти у вкладнику «Calculate» та натиснути кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків на оновленій частоті. Занести до таблиці 3 коефіцієнт посилення та співвідношення F/B для антени з кількістю елементів 1.

4.2. Натиснути внизу кнопку «Plots» (графіки). У вікні що з’явилося встановити ширину смуги BW = ∆F (перевівши її із МГц у кГц), розраховану у п. 1.4.

4.3. Натиснути «Z», а потім «Detailed». Мають з’явитися графіки залежності активного й реактивного опору антени від частоти.

4.4. Натиснути «SWR». Має з’явитися графік залежності КСХ від частоти у заданій смузі. Якщо значення КСХ у всій смузі не перевищує значення 2, то змодельований петльовий вібратор можна використовувати для прийому сигналу ефірного цифрового телебачення окремо, або у складі директорних антен.

Рис. 9. Графік залежності КСХ від частоти

4.5. Шляхом зміни смуги графіків BW визначити фактичну ширину смуги ∆F (КСХ<2) і занести її значення до таблиці 3.

5. Збільшення ширини смуги антени.

5.1. У вкладниці «Geometry» повернути частоту 700 МГц та заповнити її у відповідності до рис. 10.

Рис. 10. Таблиця координат для двоелементної антени

5.2. Перейти у вкладнику «View», та переконатися, що вигляд антени відповідає двоелементній антені з одним директором. (рис 11).

Рис. 11. Двоелементна антена з розширеною смугою.

5.3. Перевірити налаштування програми у відповідності до пп. 2.6 та 2.7.

5.4. Отримати та проаналізувати діаграму спрямованості антени (пп. 2.8 – 2.9).

5.5. Здійснити масштабування антени під необхідну частоту у відповідності до п. 3.

5.6. Дослідити ширину смуги антени у відповідності до п. 4.

5.7. Занести результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 2.

6. Покращення спрямованості антени.

6.1. Повернути розміри антени за п. 5 та частоту до початкових значень, змінити положення першого директора та додати рефлектор та ще один директор (рис. 12, 13).

Рис. 12. Таблиця координат для чотирьохелементної антени

Рис. 13. Модель чотирьохелементної антени

6.2. Запустити розрахунок, отримати та проаналізувати діаграму спрямованості.

6.3. Здійснити масштабування антени під необхідну частоту, запустити розрахунок та дослідити ширину її смуги.

6.4. Занести результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 4.

6.5. Повернути розміри антени за пп. 6.1 та частоту до початкових значень, змінити положення другого директора та додати ще один директор (рис. 14, 15).

Рис. 14. Таблиця координат для п’ятиелементної антени

Рис. 15. Модель п’ятиелементної антени

6.6. Запустити розрахунок, отримати та проаналізувати діаграму спрямованості.

6.7. Здійснити масштабування антени під необхідну частоту, запустити розрахунок та дослідити ширину її смуги.

6.8. Занести результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 5.

Аналіз даних

1. Проаналізувати результати моделювання за таблицею 3.
2. Зробити висновки.