Моделювання антени для ефірного цифрового телебачення

розрахувати та змоделювати антену для прийому сигналу ефірного цифрового телебачення в дециметровому діапазоні.

ПК з програмою MMANA-GAL.

Цифрове телебачення в Україні реалізоване в стандарті DVB-T2. Передача телевізійних каналів у дециметровому діапазоні відбувається в чотирьох загальнонаціональних мультиплексах MX-1, MX-2, MX-3, MX-5, до останнього з яких також входять регіональні канали, що різняться 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.

Мультиплекс	МХ-1	МХ-2	МХ-3	МХ-5
Телеканали	Перший	Новий канал	К1	5 канал
	1+1 Україна	ТЕТ	К2	ТАК TV
	1+1	2+2	Zoom	Конкурент TV
	Суспільне Культура	М1	Прямий	Твій серіал
	ICTV	НТН	Еспресо TV	Регіональні канали
	СТБ	Мега	XSPORT
	Інтер	ПлюсПлюс	Enter-фільм
	УНІАН ТБ	Ми – Україна	Піксель TV
	Бігуді	ICTV2	Сонце
	Super+	ОЦЕ ТБ

Передача радіосигналів цифрового ефірного телебачення в дециметровому діапазоні відбувається в 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, як активний елемент використовується широкий петльовий вібратор, виготовлений з товстої трубки. Крім того, для додаткового розширення смуги, перший директор розміщується близько до активного елемента. Загалом для таких антен характерне щільне розміщення елементів, що відповідає відносно невеликому підсиленню та широкій частотній смузі. У цій лабораторній роботі пропонується розрахувати та змоделювати в моделювальному комп’ютерному середовищі MMANA-GAL антену для прийому сигналу ефірного цифрового телебачення для конкретного передавача, що працює в конкретній місцевості. Для моделювання буде застосований мідний дріт діаметром 3,6 мм, що відповідає промисловому мідному дроту перетином 10 мм². Моделювання відбуватиметься починаючи з активного елементу з подальшим додаванням пасивних елементів. Ширина смуги одиничного петльового вібратора в багатьох випадках може бути достатньою. Це залежить від розподілу мультиплексів за частотами для конкретного телецентру. Якщо ширина смуги виявляється недостатньою, то її можна розширити шляхом збільшення ширини вібратора та додавання до нього одного директора на близькій відстані. Збільшення ширини активного вібратора дає змогу охопити більш низькі частоти, а додавання короткого директора сприяє розширенню смуги в бік більш високих частот. Для телевізійних антен корисною є деяка спрямованість, яка досягається додаванням рефлектора та додаткових директорів. Зовнішні антени зазвичай мають більші значення коефіцієнта підсилення і співвідношення F/B та встановлюються в напрямку телецентру. Кімнатні антени зазвичай мають помірну спрямованість і встановлюються у приміщеннях у напрямку вікон або біля них. 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 цього петльового вібратора становить близько 210 МГц, або 30 %. Для підключення петльових вібраторів до коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом використовують 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 трансформатора 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, дає змогу узгодити хвильовий опір телевізійного коаксіального кабелю 75 Ом з вхідним опором петльового вібратора 300 Ом, і, по-друге, не пропускає радіочастотний струм на зовнішній бік екрана коаксіального кабелю. За значних відстаней від телецентру замість узгоджувального пристрою встановлюють радіочастотний підсилювач типу SWA (наприклад SWA-6000, SWA-7777, SWA-9999 тощо). Живлення таких підсилювачів здійснюється по тому самому 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 в цій 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 вібратора На рис. 5 представлено приклад саморобної чотирьохелементної антени типу «хвильовий канал». Рис. 5. Приклад саморобної антени типу «хвильовий канал»

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

1.1. Підготуйте таблицю частот мультиплексів для місцевого телецентру. Таблиця 2. Частоти мультиплексів місцевого телецентру

Область, місто	Частота, МГц
	МХ-1	МХ-2	МХ-3	МХ-5

1.2. Підготуйте таблицю результатів моделювання. Таблиця 3. Результати моделювання

N, ел	∆F (КСХ<2), МГц	Ga, dBi	F/B, dB
1
2
4
5

1.3. За допомогою мапи та електронного ресурсу https://alensat.com/app.php/T2 визначте місце розташування найближчого телецентру та заповніть таблицю 2. 1.4. Визначте центральну частоту як середнє арифметичне найнижчої та найвищої частот. Середня частота Fсер = __________ МГц. 1.5. Визначте ширину смуги як різницю між найвищою та найнижчою частотами ∆F = ________ МГц.

2. 2. Моделювання вібратора у MMANA-GAL.

2.1. Відкрийте програму MMANA-GAL та перейдіть у вкладинку «Geometry». 2.2. У полі «Freq» введіть частоту 700 МГц. 2.3. У таблиці «Wires» введіть координати початку X1, Y1, Z1 та кінця X2, Y2, Z2 чотирьох елементів (проводів) вібратора (рис. 1, рис. 6) у м. У графі R(mm) введіть радіус дротів у мм. 2.4. У нижній лівій таблиці «Sources» у графі «PULSE» введіть «w1c» та натисніть Enter. Рис. 6. Заповнена вкладинка «Geometry» 2.5. Перейдіть у вкладнику «View» та переконайтеся, що вигляд антени відповідає петльовому вібратору з живленням у центрі нижнього проводу (рис 7). Рис. 7. Вигляд моделі петльового вібратора 2.6. Перейдіть у вкладнику «Calculate» і в таблиці «Ground» оберіть Free space (вільний простір). 2.7. Зайдіть у меню Setup – Setup. У вікні, що з’явилося, в таблиці «Standard Z (SWR = 1)» оберіть значення R = 300 Ом, натисніть ОК. 2.8. Унизу зліва натисніть кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків. 2.9. Перейдіть у вкладнику «Far field plots». 2.10. Унизу натисніть кнопку «3D FF». У вікні, що з’явилося, внизу зліва натисніть ОК. Порівняйте отриману тривимірну діаграму спрямованості із зображеною на рис. 4 першої лабораторної роботи.

3. Масштабування антени під необхідну частоту.

3.1. Закрийте вікно тривимірної діаграми спрямованості та поверніться у вкладинку «Geometry». 3.2. Натисніть кнопку «Wire scale» (масштабування) (рис. 8). Рис. 8. Відкриття вікна масштабування антени 3.3. У віконці «New freq» введіть частоту Fсер, розраховану у п. 1.3, та натисніть ОК. 3.4. У таблиці «Wires» округліть координати точок з точністю до 1 мм. При цьому забезпечте, щоб координати другої точки попереднього елемента дорівнювали координатам першої точки наступного елемента, а координати другої точки останнього елемента дорівнювали координатам першої точки першого елемента.

4. Дослідження ширини смуги антени.

4.1. Перейдіть у вкладинку «Calculate» і натисніть кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків на оновленій частоті. Занесіть до таблиці 3 коефіцієнт посилення та співвідношення F/B для антени з кількістю елементів 1. 4.2. Натисніть внизу кнопку «Plots» (графіки). У вікні, що з’явилося, встановіть ширину смуги BW = ∆F (перевівши її із МГц у кГц), розраховану у п. 1.4. 4.3. Натисніть «Z», а потім «Detailed». Мають з'явитися графіки залежності активного й реактивного опору антени від частоти. 4.4. Натисніть «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 визначте фактичну ширину смуги ∆F (КСХ<2) і занесіть її значення до таблиці 3.

5. Збільшення ширини смуги антени.

5.1. У вкладниці «Geometry» поверніть частоту 700 МГц та заповніть її відповідно до рис. 10. Рис. 10. Таблиця координат для двоелементної антени 5.2. Перейдіть у вкладинку «View» та переконайтеся, що вигляд антени відповідає двоелементній антені з одним директором (рис. 11). Рис. 11. Двоелементна антена з розширеною смугою. 5.3. Перевірте налаштування програми відповідно до пп. 2.6 та 2.7. 5.4. Отримайте та проаналізуйте діаграму спрямованості антени (пп. 2.8 – 2.9). 5.5. Здійсніть масштабування антени під необхідну частоту відповідно до п. 3. 5.6. Дослідіть ширину смуги антени відповідно до п. 4. 5.7. Занесіть результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 2.

6. Покращення спрямованості антени.

6.1. Поверніть розміри антени за п. 5 та частоту до початкових значень, змініть положення першого директора та додайте рефлектор і ще один директор (рис. 12, 13). Рис. 12. Таблиця координат для чотирьохелементної антени Рис. 13. Модель чотирьохелементної антени 6.2. Запустіть розрахунок, отримайте та проаналізуйте діаграму спрямованості. 6.3. Здійсніть масштабування антени під необхідну частоту, запустіть розрахунок і дослідіть ширину її смуги. 6.4. Занесіть результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 4. 6.5. Поверніть розміри антени за п. 6.1 та частоту до початкових значень, змініть положення другого директора та додайте ще один директор (рис. 14, 15). Рис. 14. Таблиця координат для п’ятиелементної антени Рис. 15. Модель п’ятиелементної антени 6.6. Запустіть розрахунок, отримайте та проаналізуйте діаграму спрямованості. 6.7. Здійсніть масштабування антени під необхідну частоту, запустіть розрахунок і дослідіть ширину її смуги. 6.8. Занесіть результати до таблиці 3 для антени з кількістю елементів 5.