Anténní systém pro DVB-T

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 3

Anténní systém pro DVB-T Antenna system for DVB-T Vladimír Šporik1 , Kamil Pítra1 , Zbyněk Lukeš1 , Vladislav Dlouhý2 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] 1

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. 2 TESLA Holding a.s.

Abstrakt: Článek je zaměřen na návrh a simulaci vysílací anténní jednotky pro digitální televizní vysílání. Anténa se skládá ze čtyř vertikálně orientovaných dipólů. Jsou prezentovány dva způsoby napájení a jejich vliv na výsledné parametry navržené anténní jednotky. Anténa je modelována v programu CST Microwave studio. Na závěr jsou prezentovány dosažené výsledky.

Abstract: The paper is focused on desing and simulation of antennas unit with vertical polarisation for DVB-T. Influence of various feeding network is discussed. Finally, obtained antenna parameters from CST Microwave studio are presented.

2012/30 – 3. 5. 2012

Anténní systém pro DVB-T Vladimír Šporik1, Kamil Pítra1, Zbyněk Lukeš1, Vladislav Dlouhý2 1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], [email protected], [email protected] 2 TESLA Holding a.s. Email: [email protected]

Abstrakt – Článek je zaměřen na návrh a simulaci vysílací anténní jednotky pro digitální televizní vysílání. Anténa se skládá ze čtyř vertikálně orientovaných dipólů. Jsou prezentovány dva způsoby napájení a jejich vliv na výsledné parametry navržené anténní jednotky. Anténa je modelována v programu CST Microwave studio. Na závěr jsou prezentovány dosažené výsledky.

1 Úvod V rámci modernizace a přechodu z analogového televizního vysílání na digitální se vytváří prostor pro nové vysílací systémy. V současné době jsou používány systémy převážně s horizontální polarizací. Pro vzájemnou koexistenci analogového a digitálního vysílání je třeba vytvořit nové systémy s vertikální polarizací. V České republice lze využít pro televizní vysílání 6 kmitočtových pásem: -

47 až 68 MHz, 76 až 100 MHz, 174 až 230 MHz, 470 až 582 MHz, 582 až 790 MHz, 1 170 až 12 500 MHz.

Šírka kanálu je pro digitálního televizního vysílání 8 MHz a pro FM kanál 200 kHz. Ideální vysílací systém pro digitální televizní vysílání by měl vykazovat vynikající impedanční přizpůsobení a maximální zisk v celém pracovním pásmu. Koncepty antén byly navrženy ve spolupráci s firmou TESLA Holding a.s. Vývoj je zaměřen na anténní systém složený ze čtyř anténních jednotek (viz obr. 1). Navržená anténní jednotka musí splňovat technické požadavky (viz tabulka 1).

Obr. 1 Anténní jednotka – vlevo, anténní systém (jedno patro) – vpravo. Pro požadovaný kmitočtový rozsah f = 470 až 862 MHz je relativní šířka pásma antény 58,9 % se středním kmitočtem f = 666 MHz. Doposud publikované antény [1], [2], [3], [4], [5] nesplňují všechny požadované parametry (šířka pásma, PSV, zisk, atd.) současně. Během vývoje byly vytvořeny různé varianty antén. Popisované varianty anténních jednotek jsou optimalizovány pro pracovní pásmo f = 582 až 790 MHz (páté televizní pásmo v České republice) Koncepty antén se liší použitým symetrizačním obvodem. Jedna varianta využívá symetrizační obvod s paralelním vedením (pahýlem) [5]. Druhá varianta využívá symetrizační obvod s vnitřním kompenzačním vedením [6]. V následující kapitole popíšeme napájecí síť anténní jednotky a uvedeme výsledky rozboru použitých symetrizačních obvodů.

Tabulka 1 – Technické požadavky anténního systému Frekvenční pásmo

470 až 862 MHz

Vstupní impedance

50 

Polarizace

Vertikální

Zisk

 10 dB

PSV ve frekvenčním pásmu

1,4

PSV na pracovním kmitočtu

1,1

Jmenovitý výkon jednotky

1,6 kW

3 dB šířka svazku, E rovina

62°± 10°

3 dB šířka svazku H rovina

28°± 5°

2 Napájecí síť Na obr. 2 je zobrazena základní struktura anténní jednotky a její napájecí síť. Anténa se skládá z reflektoru (odraznice), přenosových vedení (symetrické, nesymetrické) a zářičů (dipólů). Konektor je koaxiálního typu (N) se vstupní impedancí 50 Ω. Následují dvě nesymetrická koaxiální vedení o charakteristické impedanci Z1 = 100 Ω. Transformace z nesymetrického vedení na symetrické je řešena symetrizačním obvodem s paralelním vedením v poměru 1:1. Na výstup symetrizace jsou paralelně připojeny dvě symetrická napájecí vedení o impedanci Z2 = 200 Ω. Dipóly

30 – 1

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/30 – 3. 5. 2012

Vstupní impedance symetrizačního obvodu je dána [6]:

jsou umístěny na symetrickém napájecím vedení. Klasické dipólové zářiče jsme nahradili širokopásmovými motýlkovými dipóly [7] pro lepší impedanční přizpůsobení a větší šířku pásma. symetrické vedení 200 Ω

dipóly

konektor 50 Ω

(2)

kde R je zátěž připojená na výstupní svorky symetrizačního obvodu, f je pracovní frekvence (střed pásma), lP je délka paralelního vedení (/4). Podle vztahu (1) platí, že impedance ZOP je přímo úměrná vzdálenosti vodičů a a nepřímo úměrná vnějšímu průměru d1. Symetrické vedené o charakteristické impedanci Z2 = 200 Ω připojené na symetrizační obvod je také počítáno dle (1). V našem případě je z konstrukčního hlediska ZOP omezeno na hodnotu 171 Ω. S rostoucí impedancí ZOP roste i šířka pásma celého symetrizačního obvodu (viz obr. 5). Na obr. 5 jsou zobrazeny průběhy poměru stojatých vln (PSV) symetrizačního obvodu s pahýlem pro různé hodnoty charakteristické impedance dvojvodičového vedení ZOP.

odraznice nesymetrické vedení 100 Ω

Z SO

 2  f  jRZ OP tan lP  c   ,   2  f  R  jZ OP tan lP   c 

symetrizační obvod 1:1

Obr. 2 Základní struktura – napájecí síť anténní jednotky. 2.1 Symetrizační obvod s pahýlem Principiální schéma symetrizačního obvodu s pahýlem je zobrazeno na obr. 3, náhradní schéma zobrazuje obr. 4. ZOV

zkratovací vedení

ZOP

a

Z

Z´O d1

/4 Obr. 3 Princip symetrizačního členu s pahýlem Vstupní impedance symetrizačního obvodu ZSO je určena paralelní kombinací vstupní impedance antény R a celkovou reaktancí XP. Celková reaktance XP sestává z reaktance dvouvodičového čtvrtvlnného symetrického vedení lP s charakteristickou impedancí ZOP. Vedení je tvořeno pomocným vedením Z´O a stíněným vedení ZOV, které je zakončeno zkratem.

ZSO

XP

R

Obr. 5 Průběhy PSV symetrizačního členu s pahýlem pro různé hodnoty ZOP. 2.2 Symetrizační člen s kompenzovaným vedením Obvod principiálně vychází ze symetrizačního obvodu s pahýlem. Použitelné kmitočtové pásmo je dáno pouze impedančními vlastnostmi obvodu. To znamená, že vlastnosti obvodu nezávisejí na kmitočtu. Nákres kompenzovaného symetrizačního členu je znázorněn na obr. 6. Obvod se skládá ze dvou nesymetrických vedení o charakteristických impedancích ZOV a Z´O. Vedení mají propojeny střední vodič (koaxiální vedení). Délka vedení Z´O je rovna čtvrtině vlnové délky na středním kmitočtu. ZOV

Obr. 4 Náhradní obvod symetrizačního členu s pahýlem Charakteristická impedance ZOP dvouvodičového vedení je dána vztahem:

 a Z OP  120  arg cosh  ,  d1 

(1)

kde a je vzdálenost středů dvouvodičového vedení a d1 je vnější průměr jednotlivých vodičů.

30 – 2

zkratovací vedení

Z´O

ZOP

a

Z

d1

l

/4 Obr. 6 Princip symetrizačního členu s kompenzovaným vedením

VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/30 – 3. 5. 2012

Náhradní obvod symetrizačního členu s kompenzovaným vedením je zobrazen na obr. 7.  2  f   jZ 0 cot  lP   c 

vedení má dle (5) charakteristickou impedanci Z´O = 58 Ω pro hodnoty R = 100 Ω a Z0P = 171 Ω. Teoretická relativní šířka pásma symetrizačního obvodu s kompenzovaným vedením je 62,1 % pro PSV ≤1,1 dle obr.č.7.

3 Simulační model anténní jednotky ZSO

Numerický model antény se skládá z reflektoru, ABS krytu, napájecí sítě a vertikálně orientovaných motýlkových dipólů. Všechny kovové prvky jsou v numerickém modelu považovány za dokonale elektricky vodivé. Ostatním použitým materiálem jsou teflonové distanční vložky a ABS kryt. Rozměry anténní jednotky jsou 465 × 965 × 180 mm. Numerický model antény byl vytvořen a simulován v programu CST Microwave Studio (MWS) [9]. Model anténní jednotky je zobrazen na obr. 8.

Z=R  2  f  lP   jZ OP tan   c 

Obr. 7 Náhradní obvod symetrizačního členu s kompenzovaným vedením Ze vztahu pro charakteristickou impedanci čtvrtvlnného transformátoru (4) R 2  Z OP  Z O/ lze vypočíst hodnotu charakteristické impedance kompenzačního vedení Z´O

Z O/ 

R2 Z OP

,

(5)

kde R je zátěž připojená na výstupní svorky symetrizačního obvodu a ZOP je charakteristická impedance dvouvodičového vedení. Vstupní impedanci symetrizačního obvodu s kompenzovaným vedením vypočteme dle [6]:  2  f  jRZOP tan lP   2  f   c  , (6) Z SO   jZO´ cot g lP   f  2  c     R  jZ tan lP   OP  c  kde R je zátěž připojená na výstupní svorky symetrizačního obvodu, f je pracovní frekvence (střed pásma), lP je délka paralelního vedení (/4). Vliv kompenzačního vedení Z´O na průběh PSV symetrizačního obvodu s kompenzovaným vedením je zobrazen na obr. 7.

Obr. 8 Model anténní jednotky v programu CST WMS. Kmitočtové závislosti činitele odrazu s11 pro obě varianty symetrizačních obvodů jsou zobrazeny na obr. 9, kmitočtové závislosti PSV na obr. 10. Dle předpokladů dosahuje obvod s kompenzovaným vedením větší šířky pásma pro PSV = 1,1.

Obr. 7 Průběhy PSV symetrizačního členu s kompenzovaným vedením pro různé Z´O. Při splnění kritéria (4) je dosaženo nejlepšího impedančního přizpůsobení symetrizačního členu. Kompenzované

30 – 3

Obr. 9 Kmitočtový průběh činitele odrazu s11 pro obě varianty symetrizačních obvodů. VOL.14, NO.3, JUN 2012

2012/30 – 3. 5. 2012

4 Závěr

Obr. 10 Kmitočtový průběh poměru stojatých vln pro obě varianty symetrizačních obvodů. Vyzařovací diagram dosahuje šířky svazku pro pokles o 3dB hodnoty 23,2 v rovině E a hodnoty 64,0v rovině H. Průběhy jsou zobrazeny na obr. 11.

Prezentované anténní jednotky jsou výsledkem spolupráce VUT v Brně s firmou Tesla Holding a.s. Jednotky byly optimalizovány pro kmitočtové pásmo 580 až 790 MHz (páté televizní pásmo v České republice). Požadované parametry antén byly dosaženy částečně. Byla dodržena impedance vstupního portu 50 Ω. Dipóly byly vertikálně polarizovány. Zisk anténní jednotky se pohyboval v rozmezí 11,9 až 12,3 dB (viz obr. 12). Vyzařovací diagram v rovinách E a H byl v tolerančních mezích. Poměru stojatých vln menšího než 1,4 bylo dosaženo ve frekvenčním rozsahu 580 až 790 MHz pro obě varianty symetrizačního obvodu. Poměru stojatých vln menšího než 1,1 bylo dosaženo ve frekvenčním pásmu 630 až 860 MHz u varianty s kompenzovaným vedením a ve frekvenčním pásmu 650 až 830 MHz při použití pahýlu. Symetrizační obvod s kompenzovaným vedením měl teoretické předpoklady k dosažení podmínky PSV < 1,1 ve frekvenčním pásmu 470 až 862 MHz (obr. 7). Tyto předpoklady se simulacemi nepodařilo potvrdit. Možnou cestou ke zlepšení dosažených výsledků je postupně se rozšiřující (tapered) symetrizační člen doplněný o impedanční transformátor [10].

Poděkování Popsaný výzkum byl realizován v rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu FR–TI2/039 Soubor antén.

Literatura [1] MILLIGAN, T.A. Modern Antenna Design. 2/E. New Jersey: J. Willey & Sons, 2005. [2] KAWAKAMI, H. A Review and new results for broadband antennas for digital terrestrial broadcasting: the modified batwin antenna. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2010, vol. 52, no. 6, p. 78–88.

Obr. 11 Vyzařovací diagram anténní jednotky v rovinách E a H. Výsledný maximální zisk (IEEE) anténní jednotky v celém pracovním pásmu 470 až 862 MHz je zobrazen na obr. 12.

[3] KRISCHKE, A. Rothammels Antennenbuch. DARC Verlag Baunatal, 1987. [4] KAWAKAMI, H., SATO, G., MASTERS, R.W. Characteristics of TV transmitting batwing antennas. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1984, vol. 32, no. 12, p. 1318–1326. [5] KLOPFENSTEIN, R.W. A transmission line taper of improved design, Proceedings of the IRE, 1956, vol. 44, p. 31–35. [6] PROCHÁZKA, M. Antennas – Handbook. Prague: BEN Publishing, 2005. [7] BALANIS, C.A. Antenna Theory, 2/E, New York: J. Wiley & Sons, 1997. [8] OLTMAN, G. The compensated balun. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1966, vol. 14, no. 3, p. 112 to 119.

Obr. 12 Průběh maximální hodnoty zisku (IEEE) anténní jednotky v celém pracovním pásmu.

[9] CST, Computer Simulation Technology: Getting Started, Tutorial, Advanced Topics, Program Help [online]. Available: http://www.cst.com/ [10] MILLIGAN, T.A. Modern Antenna Design. 2/E, New York: Wiley-IEEE Press, 2005.

30 – 4

VOL.14, NO.3, JUN 2012